基于LoRa网络的救灾通信系统的设计与实现

王琳燕，谭有轩，李恩琦

（福州职业技术学院阿里巴巴大数据学院 福建 福州 350108）

1 引言

自然灾害发生后的72 h是国际公认的黄金救援时间，以唐山大地震为例，24 h救活率为81.0%，48 h救活率为53.7%，72 h救活率为36.7%，96 h的救活率下降到19.0%，120 h救活率仅为7.4%。因此，在灾害发生后的第一时刻保障通信，使外部了解灾情、使灾民发出求救信号、指导实施自救至关重要。在灾害发生后，因通信设施损坏、电力供应中断、交通中断等因素导致应急通信车辆难以进入现场。灾民的恐慌情绪又会导致通信系统过载，通信保障往往会遭受到灾难性的破坏。在通信中断的情况下，应急通信车辆一般需要一天甚至几天的时间才能进入现场，往往会错过黄金救援时间[1]。

目前，海事卫星电话与无线电通信等救援方案存在成本高昂、操作门槛高等弊端，普及率比较低，普通灾民无法使用。而普及率高的广播与电视等只能向灾民单向传递信息，无法让灾民向外界传递求救信息。本项目将利用LoRa低功耗、长距离物联网技术实现一种低成本、长覆盖、快速部署的应急通信方案。

2 系统设计和关键技术

本系统包括了用户交互网页端、LoRa长距离紧急通信、LoRa集中器、Net上位机数据处理四个模块。其中，LoRa通信模块接上ESP32能提供Wi-Fi接入点，供用户通过普通的消费电子产品（如手机、电脑）在蜂窝网络无法连接的情况下，能通过Wi-Fi连接LoRa应急网络。

LoRa是一种新型的无线通信技术，它基于线性扩频调制技术，具有通信距离远（15km以上）、功耗低、高链路预算等优点，解决了传统无线技术无法兼顾通信距离和功耗的难题[2]。在本项目中，我们使用LoRa集中器负责对现场数据进行实时的收集，并通过长距离无线传感网将相关数据汇集到LoRa网关节点。LoRa网关节点通过有线连接方式将数据上传到PC机上。系统网络结构见图1。

图1 系统网络拓扑图

使用ESP32+STM32作为AP，这个AP就是Wi-Fi探针，定时向四周的设备广播发送管理帧，用来通知附近的设备AP的存在。受灾区域的手机、平板等设备也不停发送包含mac地址的探测请求帧，以便探针能采集到它的信息。搜救人员利用Wi-Fi探针技术对受灾区域进行设备扫描后，可以通过设备保有量估算受灾区域人口密集度。另外，在GPS或者北斗定位系统无法使用的情况下，还可以通过Wi-Fi信号强度对灾民位置进行准确定位[3]。

3 关键模块的实现

用户连接Wi-Fi后，网页将自动弹出，用户可以通过网页直接提交求救信息。

3.1 基于ESP32 的异步HTTP Web服务器配置与响应

用户终端在连接LoRa紧急通信系统的Wi-Fi后，强制定位到救灾页面，即可实现一键求救。在ESP32模块上写入多个异步HTTP服务器，使用80端口作为服务器监听的端口，同时将不存在路由导向Web用户交互端位置。用户界面见图2。

图2 一键求救界面

3.2 无蜂窝网络情况下通过终端GPS精准定位

通过浏览器获取终端设备的GPS，将优先级设置调为GPS＞Wi-Fi＞IP状态，使用watchPosition 在用户位置移动时实时更新位置数据，使用GET请求以./help?lng='+lng+'&lat='+lat 的格式提交用户求救请求。关键代码如下：

3.3 求救信息的获取与Arduino的JSON格式构造

LoRa节点无线监听用户提交的求救信息，并且通过LoRa集成模块发送给上位机及时求救。使用异步HTTP服务器监听/help路由数据，获取位置参数lng、lat，并将请求数据转成JSON格式，方便后期做Mesh网络的数据处理，再通过LoRaSend（）方法将求救数据通过LoRa模块广播发送。关键代码如下：

3.4 Net上位机JSON格式的数据的接收与解析

通过串口从LoRa集成模块接收用户提交的求救信息并进行解析，在地图上进行可视化标识，使用异步的Com_DataReceived数据接收事件接受ESP节点板发送的求救位置数据，并且通过Newtonsoft.JSON对接受数据进行JSON反序列化解析，获取位置参数lng、lat，并在地图控件上进行可视化标识。关键代码如下：

3.5 Net上位机动态地图获取与初始化

Net上位机对动态地图服务与控件初始化，我们使用了谷歌地图中国版地图，并对缩放级别和初始位置进行了设置。

4 结语

本系统利用LoRa低功耗、广覆盖、易部署等优势，实现一种低成本、无蜂窝网络情况下快速部署的应急通信方案。在灾害发生后的第一时间能保障通信，使得外部救援力量能更好了解灾情、及时接收灾民发出的求救信号、积极指导灾民实施自救。