基于ESP8266 的城市地下综合管廊人员定位系统设计与实现

林 章

（浙江建设职业技术学院，杭州 311231）

城市地下综合管廊是集通信、电力、给排水、燃气和供暖等工程于一体的隧道空间，是保障城市正常运行的重要基础设施。但管廊普遍空间狭窄、内部情况复杂，施工和运维人员进入管廊作业存在一定的风险。因此，在管廊的运行和维护阶段，有必要对管廊内的环境进行监控，对管廊内的作业人员进行精确定位。然而，查阅了相关文献，未发现针对城市综合管廊的人员定位系统的研究，进行了相应的市场调研，也并未发现适用于城市综合管廊的人员定位系统。因此，研发一套适用于城市地下管廊的人员定位系统，用于保证内部人员安全是非常有必要的。本文结合实际工程情况，设计了针对城市地下综合管廊的人员定位系统，可以实时监测管廊内的氧气、一氧化碳、硫化氢、甲烷和氨气含量等空气质量情况，也能实时定位管廊中人员的位置，同时提供一键紧急求助等功能，将大大保障管廊内人员的安全、降低运行维护成本，提高管廊智能化管理水平。

1 方案比较

相比于一般的定位系统，应用于城市综合管廊的定位系统难点在于：城市综合管廊一般位于地下，卫星定位系统无法进行精准定位，因此无法采用技术成熟的卫星定位系统。结合成本考虑，本文参考大型室内商场、地下停车库和煤矿井下等室内或地下定位系统进行方案的选择。查阅相关文献可知：目前比较成熟的室内和地下人员定位系统，普遍采用的定位技术有红外线、超声波、RFID 识别、ZigBee、蓝牙和WiFi 定位等传感器技术。其中，红外线技术定位精度较高，但是较易受外界其他光源干扰；超声波技术结构简单、定位精度高，但反射、散射现象严重，且具有较强的多径效应；RFID 识别技术定位精度高、RFID 标签成本低，但其精度需要依赖大量的RFID 敷设才能实现；ZigBee 技术具有低功耗、低速率、自组网能力强和自恢复能力强等优势，目前逐渐应用于物联网领域，但应用成本较高；蓝牙技术具有短距离传输方便、低功耗的优点，适合在手机等移动设备中集成使用，缺点在于在复杂环境下易受到其他信号的干扰，影响较大；WiFi 定位技术具有高速率、覆盖率高和组网方便等优点，使用时需要通过已知AP 的位置，经过一定算法对网络内的目标进行定位。以上定位系统中用到的技术有自身的优点和局限性，需要根据具体的系统需求进行选择。

本文结合城市地下综合管廊的特点，加上定位系统需要传递其他参数信息，需要较高传输速率，选择WiFi 定位技术作为主要的定位硬件。WiFi 定位主要依靠信息传播模型与多个节点组合实现精确定位，该种技术成本低、易于安装及无须基站，且属于底层无线网络结构[1]。结合城市地下综合管廊的特点，WiFi 定位技术较适用于作为管廊人员定位系统。

室内环境复杂多样，如何利用获取的位置信息设计一种合适的定位算法计算位置是一个关键问题。查阅相关文献可知，常用的定位算法有两种：基于测距（Range-based）的距离相关算法和非基于测距（Rangefree）的距离无关算法。基于测距方法一般有基于RSSI值测距、到达时间（TOA）、达到时间差（TDOA）、到达角度（AOA）和三边测量定位法等方法，精度都相对较高。非基于测距方法包括质心算法、DV-Hop 算法等，精度普遍低于前者[2-3]。经过综合比较，本文采用三边测量定位法，该算法具有模型简单、计算量小和硬件依赖程度低等特点，更适用于城市地下综合管廊人员定位系统。

2 系统总体设计

城市地下综合管廊为地下空间，具有狭长、各类设备多、遮挡物多和环境复杂等特点，针对以上特点，本文参考了大型室内商场、地下停车库和煤矿井下等室内或地下定位系统，基于ESP8266 设计了一套适用于城市地下综合管廊的人员定位系统，系统框图如图1所示。

图1 系统框图

系统包含若干个客户端节点和1 个服务器节点。客户端节点和服务器节点均采用乐鑫ESP8266 WiFi模块开发，2 类节点连接路由器的WiFi 热点组成网络。客户端节点主要功能为：测量管廊内人员距该节点的距离，收集该节点的空气质量信息，将获得的参数信息整理成JSON 信息，通过WiFi 定时发送给服务器节点。服务器节点作为整个系统的核心节点，主要通过WiFi 接收各个节点的JSON 信息，进行解析后，采用三边测量定位法计算出管廊内人员在管廊里的实时位置信息，通过历史信息显示人员的运动轨迹，并实时显示管廊内的空气质量，在发生异常情况时能及时报警。

3 客户端和服务器节点设计

3.1 ESP8266 WiFi 模块介绍

ESP8266 WiFi 模块是安可信（Ai-Thinker）公司利用乐鑫ESP8266 开发的WiFi 模块，开发人员可以通过编程，将模块通过WiFi 连入网络，实现物联功能。ESP8266 WiFi 模块具有性能稳定、低功耗、高度集成和成本低等优点。乐鑫公司向开发者提供了非常详尽的技术文档、设计参考和开发指南，同时该模块也已应用在很多物联网产品中，有非常丰富的案例提供参考，所以开发门槛相对较低、开发周期较短。模块有3 种工作模式：STA、AP 和STA+AP。STA 模式可以实现模块对设备的控制并将信息通过网络进行传输，AP 模式可以作为热点，将其他WiFi 设备连入网络[4]。本文中的客户端节点和服务器节点均采用STA 模式。

3.2 客户端节点设计

客户端模式的ESP8266 WiFi 节点通过测距模块测得管廊内工作人员的距离信息，通过空气质量检测装置获得当前管廊内氧气含量、一氧化碳含量、硫化氢含量、甲烷含量和氨气含量[5]，将信息整理成JSON 格式，通过WiFi 发送给服务器模式的ESP8266 WiFi 节点，构成如图2 所示。

图2 客户端模式的ESP8266 WiFi 节点

客户端模式的ESP8266 WiFi 节点主要功能在于获取管廊内人员的距离数据、获取空气质量数据，程序设计如图3 所示。

图3 客户端程序流程图

客户端节点程序设计中，先初始化节点，初始化过程包含设置ESP8266 模块模式、设置WiFi 名称和WiFi 密码等操作。成功连接WiFi 后，检测是否有人，如果检测到有人在节点附近，通过测距模块测得管廊内工作人员的距离信息，通过空气质量检测装置获得当前管廊内氧气含量、一氧化碳含量、硫化氢含量、甲烷含量和氨气含量，将这些数据和本节点的位置信息、当前时间，整理成JSON 信息，发送至服务器端，接收到服务器响应信息后等待1 min，再次检测是否有人、检测环境空气质量，如此反复，客户端节点的程序一直处于循环状态。

3.3 服务器节点设计

服务器模式的ESP8266 WiFi 节点作为整个系统的核心模块，主要用于接受各个客户端发来的JSON信息，并解析JSON 信息，通过三边测量定位法计算出管廊内人员在管廊里的实时信息，通过历史信息显示人员的运动轨迹，并实时显示管廊内的空气质量。管廊内人员位置异常或者空气质量异常，发出报警信息。构成如图4 所示。

图4 服务器模式的ESP8266 WiFi 节点

服务器模式的ESP8266 WiFi 节点程序设计如图5 所示。

图5 服务器端程序流程图

服务器端节点设计中，先初始化节点，初始化过程包含设置节点的位置信息、设置ESP8266 模块模式、设置WiFi 名称和WiFi 密码等操作。成功连接WiFi后，配置服务器的相关信息，完成之后运行服务器。当服务器接收到来自客户端的请求之后，向客户端发送响应，并开始解析JSON 信息。利用JSON 信息中人员到节点的距离，采用三边测量定位法计算出管廊内人员在管廊里的实时信息，根据历史信息绘制人员的运动轨迹。同时，将JSON 信息中包含的管廊空气质量信息显示出来。

4 通信数据设计

JSON（JavaScript Object Notation）是一种通用的轻量级数据交换文本格式。除了便于阅读和编写外，也便于机器解析和生成，非常适用于数据交换。本文的通信信息采用JSON 信息。客户端节点将各类信息整理成JSON 信息，通过WiFi 发送给服务器节点，服务器节点将JSON 信息进行解析，并显示管廊内人员的位置和空气质量。本文中设计的JSON 信息内容示意图如图6 所示。

图6 JSON 信息示例

JSON 信息主要包含客户端节点位置信息、人员距离信息、空气质量信息和当前时间。

5 数据分析

本系统涉及到的数据分析有3 部分：JSON 信息的解析、人员位置的计算和空气质量信息的确定。数据分析内容均在服务器节点完成。其中JSON 信息只需在服务器节点完成解析、提取关键数据即可。空气质量信息包含氧气、一氧化碳、硫化氢、甲烷和氨气几种气体含量，根据一定的权重取均值即可获得管廊内空气质量情况。3 部分数据中，需要重点处理的是人员距离信息，由于各客户端节点测得的是人员距离节点的距离，所以需要利用3 个节点的信息，采用三边测量定位法计算人员的具体位置，实现方法如下[6]：假设已知3 个节点所在位置分别为（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），人员距离节点分别为R1，R2，R3，所求人员的位置坐标为（xM，yM）列出方程式如式（1）所示：

上述方程式组解得的（xM，yM）为t时刻，人员所在管廊中的二维坐标。随着采集时间的累积，服务器端可以利用人员的历史位置信息，绘制人员在管廊内的运动轨迹。

6 结束语

本文针对城市地下综合管廊特点，基于ESP8266模块，设计了一个人员定位系统，系统利用ESP8266体积小、成本低和方便组网的特点，设计了客户端模式的ESP8266 节点和服务器模式的ESP8266 节点。客户端主要用于测得管廊内人员的距离和当前节点的空气质量，服务器端作为系统的核心，在获取各客户端JSON 信息后，进行解析计算后，获取人员在管廊内的具体位置和管廊的空气质量信息，并实时显示出来。本文设计的综合管廊人员定位系统能实时显示管廊内人员的运动轨迹和空气质量信息，大大保障了人员的安全，提高了管廊的智能化水平，随着综合管廊的建设，本系统后期也能与管廊中的其他智能化系统进行联动，具有较高的应用价值。