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标题: 基于Wi-Fi的旅游团脱团预警系统的设计与实现 [打印本页]

作者: xman 时间: 2016-11-10 08:13
标题: 基于Wi-Fi的旅游团脱团预警系统的设计与实现

　　Wi-Fi是当今日常生活中使用十分广泛的无线传输技术，随处可见的Wi-Fi网络大大促进了移动互联网的发展。网络覆盖范围小是智能路由的一个缺点，但是在某些特定情景下，利用其覆盖面积小的特点，可以满足特殊的需求。例如需要监控某个终端是否处于一定范围内时，我们可以通过监控该终端是否处于某个Wi-Fi覆盖区域内来实现。本文根据这一思路，设计并实现了一套旅游团脱团预警系统，通过基于OpenWrt的智能路由器实现Wi-Fi探针，监控路由器信号范围内的终端，并由基于Android系统实现的手机客户端进行分析比对，最终达到脱团预警的目的。
　　Wi-Fi是一种短程无线传输技术，能够在一定范围内支持互联网接入的无线电信号。它的最大优点是传输速度较高，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。另外它的传输有效距离也很长，在开放性区域通信距离可达305米，使用特殊的天线技术可以达到1000米左右，在封闭性区域通信距离为76米～122米，加入功率放大电路可以增加其传输距离。近年来，Wi-Fi技术在智能家居、工业控制、移动手持设备等嵌入式环境中需求日益增多。
　　如今随着智能终端设备的普及、智能路由器的发展，市场上出现了一系列结合智能终端和智能路由器的应用系统。随着旅游业的迅速发展、旅游人数的增多，经常有"游客脱团"现象的发生，导游需要时刻关注旅行团中人员数量，这对于导游来说是种负担。利用Wi-Fi的探测功能可以开发一套脱团预警系统，在旅游团中，导游可根据该系统查看团员是否脱团。其优势在于搭建成本小、使用方便。但由于智能路由器是依据终端设备与人的映射来建立监控，其准确性可能会差于传感器的检测。
　　本文以基于Android系统的智能手机和基于OpenWrt的智能路由为例，设计实现了一套监控系统，其使用场景为前文所述的旅游团导游监控团员是否脱团。该套系统具有简单易用、简易部署的特点，十分符合上述使用场景。
　　系统模块设计
　　该系统主要由3部分内容构成：搭载在Android系统上的脱团预警APP客户端、智能路由器上的编程、服务器端。图1展示了3个组件的不同职能和相互之间的联系。

　　图1 系统示意图

　　1.Android客户端设计 Android客户端供团队中的导游或领队使用，主要具有以下两个方面功能。
　　第一，导游可以方便地通过客户端连接智能路由，连接完毕后可以通过认证系统获取用户身份，完善相应权限的鉴权操作。通过了鉴权的用户可以查看所连接路由的信息，并且对路由进行操作。由于智能终端和智能路由的可交互操作，在该应用场景下，用户无需连接互联网即可获得流量统计的相关数据。
　　第二，导游在连接互联网之后，可以新建旅游团，完善旅游团信息，等待团员的签到，流程如图2所示。导游新建旅游团完毕后，团员可通过签到网址进行签到，此操作是为了获取团员的手机MAC地址，为后续的脱团监测所用。游客签到的流程如图3所示。游客签到完毕后，导游可开启脱团预警功能，脱团预警的流程如图4所示。

　　图2 新建旅游团流程图

　　图3 游客签到流程图

　　2.智能路由器端功能设计智能路由器上需要进行以下两个模块的开发。
　　(1)需要开发数据采集模块，采集连接到路由器上手机的MAC地址。该功能采用Wi-Fi探针技术实现，原理是利用智能设备商Wi-Fi模块发出的无线广播信号进行设备的感知。
　　(2)保存采集到的MAC地址、连接时间等数据，存储在本地，以供客户端进行分析和展现。
　　由于OpenWrt系统的长足发展，其支持的路由芯片越来越多，通过简单易用的方式降低了嵌入式Linux开发的门槛。因此本课题中的智能路由器基于OpenWrt进行开发。

　　图4 脱团预警流程图

　　3.服务器端功能设计服务器端的主要职能是负责与客户端的通信，在后台备份旅游团数据。服务器提供了接口可供客户端调用，客户端通过提供的接口进行旅游团的创建。同时，服务器端维护了签到的入口，游客通过签到入口将个人信息上报至服务器，服务器将对应信息同步给客户端，本文中的服务器端基于Play框架进行开发。
　　智能路由器端实现原理
　　1.数据采集模块数据采集模块是智能路由器端的核心，该模块通过以下3个子模块进行数据采集。
　　(1)数据搜集。数据搜集子模块工作在路由器的驱动层。路由器硬件接收到当前信道上的数据帧之后上报硬件终端。终端处理函数通过帧头信息判断帧的类型，并将相关信息提取出来，然后调用数据广播子模块提供的数据发送接口，发送给用户层的数据接收子模块。
　　(2)数据广播。数据广播子模块实时监听数据搜集子模块发送来的数据，将数据搜集子模块发送的数据发送给数据接收子模块，这些是主要的探针数据。数据广播子模块与其他子模块之间的数据交互如图5所示。

　　图5 数据广播子模块交互示意图

　　(3)数据接收。数据接收子模块根据应用层发来的参数，决定是否接收驱动层发送上来的数据，以及接收数据后，将数据以怎样的格式打印到控制台。数据接收子模块是连接驱动和应用层的一个核心模块，需要实时监听驱动层送来的探针数据，又可以接收用户设定的参数，将一些参数通过数据广播子模块设定进内核并驱动。该模块目前接收两个主要的用户设置参数，一是监听探测数据，二是设置RSSI的值。
　　2.数据处理模块数据处理模块调用数据侦听模块，获取数据侦听模块打印到控制台的数据，通过脚本将需要的探测帧的数据过滤出来，为每条数据打上时间戳，并进行简单的加密处理，最后将处理好的数据写入本地文件，保存在固定路径中。
　　客户端将每隔一定时间请求路由器端的数据，通过FTP登录路由器，下载指定路径中的文件，对文件进行解析后获得所需的数据。
　　关键技术
　　1.利用Wi-Fi探针监测获取原始数据 802.11协议可以支持利用Wi-Fi探针实现监测周围终端的功能。协议要求每个AP(Access Point)每隔一定时间(几十毫秒到几秒不等)向周围的终端广播beacon帧，告知周围终端自己的信息，并通知终端可以连接。每个终端除了监听周边AP发送的beacon帧以外，还会发送probe帧，告知AP自己的MAC地址，并请求连接。
　　一般的无线路由器信号强度在-30dbm～-120dbm，有效距离大概是50～100米。利用路由能够搜索周围终端的MAC地址。路由收到探测帧后，将MAC地址记录下来，生成"MAC地址-信号强度-时间"格式的原始数据，将其保存成文本文件，等待服务器定时下载，进行处理分析。
　　2.通过处理原始数据进行脱团预警在本文的监控系统中，脱团预警是通过比对原始数据与白名单中的数据实现的。在智能路由器端，每隔一定时间刷新一次原始数据并写入文件保存;在客户端，每隔一定时间下载一次原始数据文件，并与白名单中的数据进行比对，如果发现白名单中的某个MAC地址没有在原始数据文件中出现，则发出警告。
　　由于原始数据量较为庞大，而白名单通常只有十几个到几十个，因此我们采取的比对算法如下：
　　(1)将客户端本地保存的白名单复制到哈希表中，以MAC地址为key;
　　(2)遍历原始数据，每条MAC地址均在哈希表中查找，如果找到该条地址，则将该条地址从哈希表中移除;
　　(3)如果哈希表长度变为0，说明所有白名单中的地址均在原始数据中出现，比对结束;
　　(4)如果原始数据遍历完毕，则哈希表中剩余的地址为未出现的地址，发出脱团预警。
　　在白名单长度不太长的情况下，哈希表的性能不会有太大降低，可近似认为每次查找的时间复杂度为O(1)，总的比对过程时间复杂度为O(n)，较为高效。
　　结束语：本文基于旅游团的实际需求出发，设计了一套完整的脱团预警监控系统，并基于Android系统、Play框架和OpenWrt平台进行了实现。该套系统在测试和实际使用中均取得了良好的效果，同时也为Wi-Fi探针技术的应用做出了有益的探索，为基于Wi-Fi面向不同情景应用系统的开发提供了一些参考价值。

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