Wi-Fi是當(dāng)今日常生活中使用十分廣泛的無線傳輸技術(shù)，隨處可見的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)大大促進(jìn)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小是智能路由的一個(gè)缺點(diǎn)，但是在某些特定情景下，利用其覆蓋面積小的特點(diǎn)，可以滿足特殊的需求。例如需要監(jiān)控某個(gè)終端是否處于一定范圍內(nèi)時(shí)，我們可以通過監(jiān)控該終端是否處于某個(gè)Wi-Fi覆蓋區(qū)域內(nèi)來實(shí)現(xiàn)。本文根據(jù)這一思路，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套旅游團(tuán)脫團(tuán)預(yù)警系統(tǒng)，通過基于OpenWrt的智能路由器實(shí)現(xiàn)Wi-Fi探針，監(jiān)控路由器信號(hào)范圍內(nèi)的終端，并由基于Android系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的手機(jī)客戶端進(jìn)行分析比對(duì)，最終達(dá)到脫團(tuán)預(yù)警的目的。

Wi-Fi是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在一定范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號(hào)。它的***優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度較高，在信號(hào)較弱或有干擾的情況下，帶寬可調(diào)整，有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。另外它的傳輸有效距離也很長(zhǎng)，在開放性區(qū)域通信距離可達(dá)305米，使用特殊的天線技術(shù)可以達(dá)到1000米左右，在封閉性區(qū)域通信距離為76米～122米，加入功率放大電路可以增加其傳輸距離。近年來，Wi-Fi技術(shù)在智能家居、工業(yè)控制、移動(dòng)手持設(shè)備等嵌入式環(huán)境中需求日益增多。

如今隨著智能終端設(shè)備的普及、智能路由器的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一系列結(jié)合智能終端和智能路由器的應(yīng)用系統(tǒng)。隨著旅游業(yè)的迅速發(fā)展、旅游人數(shù)的增多，經(jīng)常有“游客脫團(tuán)”現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)游需要時(shí)刻關(guān)注旅行團(tuán)中人員數(shù)量，這對(duì)于導(dǎo)游來說是種負(fù)擔(dān)。利用Wi-Fi的探測(cè)功能可以開發(fā)一套脫團(tuán)預(yù)警系統(tǒng)，在旅游團(tuán)中，導(dǎo)游可根據(jù)該系統(tǒng)查看團(tuán)員是否脫團(tuán)。其優(yōu)勢(shì)在于搭建成本小、使用方便。但由于智能路由器是依據(jù)終端設(shè)備與人的映射來建立監(jiān)控，其準(zhǔn)確性可能會(huì)差于傳感器的檢測(cè)。

本文以基于Android系統(tǒng)的智能手機(jī)和基于OpenWrt的智能路由為例，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套監(jiān)控系統(tǒng)，其使用場(chǎng)景為前文所述的旅游團(tuán)導(dǎo)游監(jiān)控團(tuán)員是否脫團(tuán)。該套系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單易用、簡(jiǎn)易部署的特點(diǎn)，十分符合上述使用場(chǎng)景。

系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由3部分內(nèi)容構(gòu)成：搭載在Android系統(tǒng)上的脫團(tuán)預(yù)警APP客戶端、智能路由器上的編程、服務(wù)器端。圖1展示了3個(gè)組件的不同職能和相互之間的聯(lián)系。

圖1 系統(tǒng)示意圖

1.Android客戶端設(shè)計(jì) Android客戶端供團(tuán)隊(duì)中的導(dǎo)游或領(lǐng)隊(duì)使用，主要具有以下兩個(gè)方面功能。

***，導(dǎo)游可以方便地通過客戶端連接智能路由，連接完畢后可以通過認(rèn)證系統(tǒng)獲取用戶身份，完善相應(yīng)權(quán)限的鑒權(quán)操作。通過了鑒權(quán)的用戶可以查看所連接路由的信息，并且對(duì)路由進(jìn)行操作。由于智能終端和智能路由的可交互操作，在該應(yīng)用場(chǎng)景下，用戶無需連接互聯(lián)網(wǎng)即可獲得流量統(tǒng)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

第二，導(dǎo)游在連接互聯(lián)網(wǎng)之后，可以新建旅游團(tuán)，完善旅游團(tuán)信息，等待團(tuán)員的簽到，流程如圖2所示。導(dǎo)游新建旅游團(tuán)完畢后，團(tuán)員可通過簽到網(wǎng)址進(jìn)行簽到，此操作是為了獲取團(tuán)員的手機(jī)MAC地址，為后續(xù)的脫團(tuán)監(jiān)測(cè)所用。游客簽到的流程如圖3所示。游客簽到完畢后，導(dǎo)游可開啟脫團(tuán)預(yù)警功能，脫團(tuán)預(yù)警的流程如圖4所示。

圖2 新建旅游團(tuán)流程圖

圖3 游客簽到流程圖

2.智能路由器端功能設(shè)計(jì)智能路由器上需要進(jìn)行以下兩個(gè)模塊的開發(fā)。

(1)需要開發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊，采集連接到路由器上手機(jī)的MAC地址。該功能采用Wi-Fi探針技術(shù)實(shí)現(xiàn)，原理是利用智能設(shè)備商Wi-Fi模塊發(fā)出的無線廣播信號(hào)進(jìn)行設(shè)備的感知。

(2)保存采集到的MAC地址、連接時(shí)間等數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在本地，以供客戶端進(jìn)行分析和展現(xiàn)。

由于OpenWrt系統(tǒng)的長(zhǎng)足發(fā)展，其支持的路由芯片越來越多，通過簡(jiǎn)單易用的方式降低了嵌入式Linux開發(fā)的門檻。因此本課題中的智能路由器基于OpenWrt進(jìn)行開發(fā)。

圖4 脫團(tuán)預(yù)警流程圖

3.服務(wù)器端功能設(shè)計(jì)服務(wù)器端的主要職能是負(fù)責(zé)與客戶端的通信，在后臺(tái)備份旅游團(tuán)數(shù)據(jù)。服務(wù)器提供了接口可供客戶端調(diào)用，客戶端通過提供的接口進(jìn)行旅游團(tuán)的創(chuàng)建。同時(shí)，服務(wù)器端維護(hù)了簽到的入口，游客通過簽到入口將個(gè)人信息上報(bào)至服務(wù)器，服務(wù)器將對(duì)應(yīng)信息同步給客戶端，本文中的服務(wù)器端基于Play框架進(jìn)行開發(fā)。

智能路由器端實(shí)現(xiàn)原理

1.數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊是智能路由器端的核心，該模塊通過以下3個(gè)子模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

(1)數(shù)據(jù)搜集。數(shù)據(jù)搜集子模塊工作在路由器的驅(qū)動(dòng)層。路由器硬件接收到當(dāng)前信道上的數(shù)據(jù)幀之后上報(bào)硬件終端。終端處理函數(shù)通過幀頭信息判斷幀的類型，并將相關(guān)信息提取出來，然后調(diào)用數(shù)據(jù)廣播子模塊提供的數(shù)據(jù)發(fā)送接口，發(fā)送給用戶層的數(shù)據(jù)接收子模塊。

(2)數(shù)據(jù)廣播。數(shù)據(jù)廣播子模塊實(shí)時(shí)監(jiān)聽數(shù)據(jù)搜集子模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)搜集子模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收子模塊，這些是主要的探針數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)廣播子模塊與其他子模塊之間的數(shù)據(jù)交互如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)廣播子模塊交互示意圖

(3)數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)接收子模塊根據(jù)應(yīng)用層發(fā)來的參數(shù)，決定是否接收驅(qū)動(dòng)層發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，以及接收數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)以怎樣的格式打印到控制臺(tái)。數(shù)據(jù)接收子模塊是連接驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用層的一個(gè)核心模塊，需要實(shí)時(shí)監(jiān)聽驅(qū)動(dòng)層送來的探針數(shù)據(jù)，又可以接收用戶設(shè)定的參數(shù)，將一些參數(shù)通過數(shù)據(jù)廣播子模塊設(shè)定進(jìn)內(nèi)核并驅(qū)動(dòng)。該模塊目前接收兩個(gè)主要的用戶設(shè)置參數(shù)，一是監(jiān)聽探測(cè)數(shù)據(jù)，二是設(shè)置RSSI的值。

2.數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊調(diào)用數(shù)據(jù)偵聽模塊，獲取數(shù)據(jù)偵聽模塊打印到控制臺(tái)的數(shù)據(jù)，通過腳本將需要的探測(cè)幀的數(shù)據(jù)過濾出來，為每條數(shù)據(jù)打上時(shí)間戳，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的加密處理，***將處理好的數(shù)據(jù)寫入本地文件，保存在固定路徑中。

客戶端將每隔一定時(shí)間請(qǐng)求路由器端的數(shù)據(jù)，通過FTP登錄路由器，下載指定路徑中的文件，對(duì)文件進(jìn)行解析后獲得所需的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵技術(shù)

1.利用Wi-Fi探針監(jiān)測(cè)獲取原始數(shù)據(jù) 802.11協(xié)議可以支持利用Wi-Fi探針實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)周圍終端的功能。協(xié)議要求每個(gè)AP(Access Point)每隔一定時(shí)間(幾十毫秒到幾秒不等)向周圍的終端廣播beacon幀，告知周圍終端自己的信息，并通知終端可以連接。每個(gè)終端除了監(jiān)聽周邊AP發(fā)送的beacon幀以外，還會(huì)發(fā)送probe幀，告知AP自己的MAC地址，并請(qǐng)求連接。

一般的無線路由器信號(hào)強(qiáng)度在-30dbm～-120dbm，有效距離大概是50～100米。利用路由能夠搜索周圍終端的MAC地址。路由收到探測(cè)幀后，將MAC地址記錄下來，生成“MAC地址-信號(hào)強(qiáng)度-時(shí)間”格式的原始數(shù)據(jù)，將其保存成文本文件，等待服務(wù)器定時(shí)下載，進(jìn)行處理分析。

2.通過處理原始數(shù)據(jù)進(jìn)行脫團(tuán)預(yù)警在本文的監(jiān)控系統(tǒng)中，脫團(tuán)預(yù)警是通過比對(duì)原始數(shù)據(jù)與白名單中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的。在智能路由器端，每隔一定時(shí)間刷新一次原始數(shù)據(jù)并寫入文件保存;在客戶端，每隔一定時(shí)間下載一次原始數(shù)據(jù)文件，并與白名單中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如果發(fā)現(xiàn)白名單中的某個(gè)MAC地址沒有在原始數(shù)據(jù)文件中出現(xiàn)，則發(fā)出警告。

由于原始數(shù)據(jù)量較為龐大，而白名單通常只有十幾個(gè)到幾十個(gè)，因此我們采取的比對(duì)算法如下：

• (1)將客戶端本地保存的白名單復(fù)制到哈希表中，以MAC地址為key;
• (2)遍歷原始數(shù)據(jù)，每條MAC地址均在哈希表中查找，如果找到該條地址，則將該條地址從哈希表中移除;
• (3)如果哈希表長(zhǎng)度變?yōu)?，說明所有白名單中的地址均在原始數(shù)據(jù)中出現(xiàn)，比對(duì)結(jié)束;
• (4)如果原始數(shù)據(jù)遍歷完畢，則哈希表中剩余的地址為未出現(xiàn)的地址，發(fā)出脫團(tuán)預(yù)警。

在白名單長(zhǎng)度不太長(zhǎng)的情況下，哈希表的性能不會(huì)有太大降低，可近似認(rèn)為每次查找的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)，總的比對(duì)過程時(shí)間復(fù)雜度為O(n)，較為高效。

結(jié)束語：本文基于旅游團(tuán)的實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套完整的脫團(tuán)預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，并基于Android系統(tǒng)、Play框架和OpenWrt平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。該套系統(tǒng)在測(cè)試和實(shí)際使用中均取得了良好的效果，同時(shí)也為Wi-Fi探針技術(shù)的應(yīng)用做出了有益的探索，為基于Wi-Fi面向不同情景應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供了一些參考價(jià)值。