基于Wi-Fi的人防警報(bào)控制系統(tǒng)研究

張 穩(wěn)，李金新，陳冬萍，李玉平

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

防空警報(bào)是在空襲或遭遇重大災(zāi)害時(shí)向人民群眾發(fā)放預(yù)警信息的重要通訊設(shè)備，警報(bào)通信系統(tǒng)的好壞關(guān)系著警報(bào)信息能否迅速、準(zhǔn)確地傳遞和發(fā)放。當(dāng)今社會(huì)，信息技術(shù)的快速發(fā)展要求人防系統(tǒng)在高科技戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下要有更強(qiáng)的專業(yè)性、更鮮明的對(duì)抗性，逐步向高層次的信息化方向發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來(lái)，人防工程建設(shè)開始走和平時(shí)期建設(shè)與發(fā)展之路。目前，國(guó)內(nèi)很多城市都在重要防護(hù)目標(biāo)上安裝了各種類型的警報(bào)器，其控制中心與警報(bào)器控制終端的通信方式主要采用無(wú)線電臺(tái)、電話線DTMF、GRPS等傳輸方式，這些控制方式在現(xiàn)有防空警報(bào)體系中發(fā)揮著重要作用，但是又各有自己的局限性［1］。隨著Wi-Fi技術(shù)的不斷成熟，建設(shè)和維護(hù)成本日趨合理，基于無(wú)線城市的無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)有著廣闊的發(fā)展前景。因此，本文提出了基于無(wú)線城市Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，為人防警報(bào)控制提供了新思路。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

人防警報(bào)系統(tǒng)一般由3部分構(gòu)成:控制中心、控制網(wǎng)絡(luò)、警報(bào)終端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 人防警報(bào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制中心是整個(gè)警報(bào)系統(tǒng)的指揮中心，通信時(shí)控制中心和警報(bào)點(diǎn)處于不間斷的通信狀態(tài)。警報(bào)控制器終端有多種網(wǎng)絡(luò)的接口，可以根據(jù)具體情況選擇需要接入的網(wǎng)絡(luò)［2、3］?？刂浦行暮途瘓?bào)器之間的數(shù)據(jù)通信主要有報(bào)警命令、報(bào)警命令執(zhí)行確認(rèn)、狀態(tài)查詢、狀態(tài)回復(fù)等。需要發(fā)送警報(bào)時(shí)，控制中心人員選擇不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)向警報(bào)控制器發(fā)送命令，控制終端驗(yàn)證通過(guò)后警報(bào)器發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)，并向控制中心回傳指令執(zhí)行狀態(tài)。本設(shè)計(jì)只考慮Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的控制。無(wú)線Wi-Fi模塊配置成一個(gè)無(wú)線STA，也可以配置成AP，因此提供了十分靈活的組網(wǎng)方式?？紤]到Wi-Fi自組網(wǎng)傳輸距離和穩(wěn)定性無(wú)法保證，將Wi-Fi模塊統(tǒng)一設(shè)置為STA模式，接入Wi-Fi公共網(wǎng)。Wi-Fi無(wú)線公共網(wǎng)依托無(wú)線城市免費(fèi)無(wú)線資源，使網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本大大降低，組網(wǎng)方案如圖2所示。

圖2 組網(wǎng)方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選用的USR－WIFI232－B型Wi-Fi模塊采用Marvell專業(yè)領(lǐng)先的高品質(zhì)Wi-Fi芯片，高速ARM內(nèi)核，支持802.11b/g/n無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，支持TCP/IP/UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，具有UART/GPIO/以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊接口，模塊可以設(shè)置為STA、AP、AP+STA 3種模式，組網(wǎng)靈活方便。

WIFI232－B模塊硬件電路圖如圖3所示，圖3中，(a)為WIFI232核心模塊，(b)為電平轉(zhuǎn)換電路，(c)為電源模塊電路，(d)為信號(hào)指示電路，(e)為恢復(fù)出廠設(shè)置電路，(f)為復(fù)位電路。系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)如圖4所示，警報(bào)終端MCU選用ST公司的STM32F103C8T6，主控制器通過(guò)串口與WIFI232－B的UART_TXD/RXD引腳相連并共地，上電后配置好Wi-Fi終端二者即可實(shí)現(xiàn)通信。

圖3 WIFI232－B模塊原理圖

圖4 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Wi-Fi模塊配置

模塊連網(wǎng)前的參數(shù)配置有通過(guò)串口發(fā)送AT指令和通過(guò)Web頁(yè)面直接配置兩種方式。以Web方式配置為例，可以配置模塊工作模式、接入網(wǎng)名稱等無(wú)線參數(shù)，也可設(shè)置固定IP，方便管理。配置完畢，模塊上電后可自動(dòng)搜索公共無(wú)線信號(hào)，自動(dòng)入網(wǎng)。

3.2 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器軟件采用VB語(yǔ)言編寫，安裝到臺(tái)式機(jī)或移動(dòng)辦公的筆記本上，只要存在鏈路信號(hào)就能隨時(shí)隨地收發(fā)警報(bào)控制指令。其功能如圖5所示。

報(bào)警終端的Wi-Fi模塊設(shè)置為客戶端模式，和服務(wù)器建立專用Socket連接(需要服務(wù)器端有固定的IP)，將其地址碼和其他信息封裝在數(shù)據(jù)包中，通過(guò)Socket連接發(fā)送到對(duì)方。收發(fā)雙方遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝和解析［4］。通信過(guò)程如下:

(1)服務(wù)器建立后，警報(bào)終端會(huì)自動(dòng)連接到服務(wù)器，連接成功之后在服務(wù)器顯示終端的連接信息;

(2)服務(wù)器接收到連接請(qǐng)求即建立相應(yīng)的Socket連接，連接成功則發(fā)送信息到警報(bào)終端，終端如果沒收到連接成功的信息，則會(huì)自動(dòng)重連;

(3)服務(wù)器會(huì)定時(shí)發(fā)送巡檢信號(hào)到客戶端，以檢驗(yàn)警報(bào)終端工作狀態(tài)，保證實(shí)時(shí)在線;

(4)服務(wù)器發(fā)送命令到警報(bào)終端，經(jīng)過(guò)密鑰驗(yàn)證通過(guò)之后執(zhí)行相應(yīng)警報(bào)發(fā)送，發(fā)送完畢返回命令執(zhí)行狀態(tài)。

圖5 警報(bào)控制系統(tǒng)功能框圖

3.3 報(bào)警終端軟件設(shè)計(jì)

報(bào)警終端作為警報(bào)命令的接收和執(zhí)行者，起著重要作用。由于防空警報(bào)的特殊性用途，必須考慮其可靠性和保密性。為此所有的控制指令都按照相同的結(jié)構(gòu)封裝成數(shù)據(jù)幀，報(bào)警終端發(fā)送給監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)也采用相同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，使雙方對(duì)數(shù)據(jù)包的封裝和拆封標(biāo)準(zhǔn)化。在數(shù)據(jù)幀中加入CRC校驗(yàn)碼，保證數(shù)據(jù)的無(wú)誤傳輸［5］。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)由包頭、設(shè)備ID號(hào)、警報(bào)類型、警報(bào)指令、CRC校驗(yàn)及包尾等組成。

由于Wi-Fi信號(hào)覆蓋的問(wèn)題，有的區(qū)域信號(hào)強(qiáng)，有的地區(qū)信號(hào)弱，報(bào)警終端在連接的過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)掉線的問(wèn)題，為此為Wi-Fi模式設(shè)置一個(gè)自動(dòng)重連機(jī)制，當(dāng)Wi-Fi模塊與服務(wù)器之間斷開連接時(shí)，之前建立的Socket鏈接失效，模塊若要再次與服務(wù)器相連必須重新建立新的通道，所以服務(wù)器端在監(jiān)測(cè)到Socket一方斷開連接后，自動(dòng)斷開原有Socket，并重啟該端口進(jìn)行監(jiān)聽，這樣Wi-Fi模塊再次進(jìn)入AP網(wǎng)內(nèi)便可與服務(wù)器重新連接［6］。報(bào)警終端軟件設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 報(bào)警終端軟件設(shè)計(jì)圖

4 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了充分的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用無(wú)線路由模擬室外無(wú)線Wi-Fi信號(hào)，在此選取3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)同時(shí)連入網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)軟件建立服務(wù)器后，3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接，上位機(jī)會(huì)顯示出不同連接的IP及端口號(hào)。實(shí)驗(yàn)以3個(gè)LED小燈作為終端狀態(tài)指示，控制端發(fā)送對(duì)應(yīng)的操作指令碼后，指令經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳給Wi-Fi終端，終端執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，并返回執(zhí)行狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送的指令碼正確時(shí)，終端返回執(zhí)行成功的提示，對(duì)應(yīng)LED為點(diǎn)亮狀態(tài);當(dāng)發(fā)送的指令碼錯(cuò)誤時(shí)，終端返回錯(cuò)誤提示，對(duì)應(yīng)LED為熄滅狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。在進(jìn)行的多次實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)良好的情況下通信成功率幾近100%，通信效果較為理想。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的人防警報(bào)控制系統(tǒng)，是基于A市防空警報(bào)現(xiàn)狀而提出，充分利用了公共網(wǎng)絡(luò)的便捷性特點(diǎn)，保證了警報(bào)信號(hào)的可靠發(fā)放。經(jīng)測(cè)試，在信號(hào)良好的情況下，報(bào)警終端可以有效地執(zhí)行上位機(jī)指令。目前正對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反映出的一些問(wèn)題做進(jìn)一步改進(jìn)，不斷完善以提高該控制系統(tǒng)在特殊應(yīng)用場(chǎng)合下信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

［1］ 孫恒.防空警報(bào)有線控制及遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［2］ 陳永生，胡爾標(biāo).一種人防警報(bào)集中控制系統(tǒng)的可靠連接策略［J］.計(jì)算機(jī)工程，2007，(1):250－252.

［3］ 顏博.城市應(yīng)急指揮平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京:南京理工大學(xué)，2011.

［4］ 張寶樹，許正航.基于CDMA和TCP/IP的人防警報(bào)系統(tǒng)［J］.承德:承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，(1):28－32.

［5］ 吳美玲.基于GPRS的污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2006.

［6］ 杜遙.基于Wi-Fi的心電信號(hào)傳輸系統(tǒng)［D］.天津:天津理工大學(xué)，2012.