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“越光宝盒”-基于LoRa多跳网络的户外信息共享系统

参赛单位：西安邮电大学
指导老师：姚引娣
参赛队员：董晓帅 李慧聪 方淑仪

作品简介

我们的团队致力于信息时代的技术的研究与应用，将新兴的无线通信方式和智能设备相结合，设计并开发出一种可以在无蜂窝数据网络下实现远距离通信的定位系统。该系统主要针对目前亟待解决的户外运动、野外作业安全保障问题，尤其是针对在无网络状态下有定位共享需求和即时通信需求的人群。我们为此系统设计了简单而易于操作的用户界面，并使用多跳自组织LoRa网进行通信。即使在没有便捷的移动通信基础设施的情况下，仍能提供团队成员间的通信、位置信息共享和生命体征监测等服务。当检测到用户的生命体征异常时，系统会通过手机通知向用户发送提醒，并向处于同一频段的LoRa网络内的团队其他成员发送警报信息，以确保黄金救援时间内及时获得救助。同时利用团队成员的位置信息，为使用者提供动态的安全活动规划，也就是虚拟地理围栏的功能，有效地预防掉队和迷路情况的发生，从而提供全面的户外运动安全保障。

系统结构（无蜂窝网络与有蜂窝网络状态下）

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在无网络或者网络环境差的情况下，各终端节点间基于LoRa进行动态自组网多跳通信实现位置信息共享。每个用户携带一组设备，每组设备由生命体征监测子系统、无线通信外设和手机终端三部分组成。

本着提高应用场景的原则，本项目拓展了有网状态下的通信功能

创新点

（1）适应野外环境的高效动态自组网多跳路由算法
在无网络或网络信号较差的情况下，团队成员间的位置信息共享需要通过用户节点向其他节点广播自身信息并同步更新本地路由表，最大程度获取同组 附近节点发的位置、人员状态等信息。此方法可以避免较为耗费资源的主动路由扫描过程，并利用设备唯一标识作为本节点在网络中的逻辑地址，可省略新节点加入LoRa网络时需要进行协商交互的流程，既提高了通信效率，又节约了通信资源。
（2）基于动态位置信息共享的地理围栏
本系统提出的基于动态地理位置信息共享的地理围栏，是以团队整体成员信息为参考生成虚拟地理围栏，在APP界面进行展示，实现了对人员位置的灵活控制。该方法能够动态地规划使用者的安全活动范围，并利用地理围栏响应使用者脱离安全活动范围的危险行为并进行“通知”提示。本方法改变了传统的地理围栏仅能提供固定地标检测服务的单一功能，为团队提供了及时可靠路线规划和提示。
（3）生命体征检测与告警
通过运动手环实时监测用户的生命体征信息，并通过低功耗蓝牙将数据传输至APP。当监测到用户的生命体征异常时，手机会对数据进行处理并提醒用户，同时通过经典蓝牙将求救信息发送给无线通信外设，外设配备了LoRa模块，可以广播将求救信息至网络中其他用户，其他用户的手机端将接收到相应提醒，从而实现告警功能，为救援行动提供支持。另外，用户也可自主进行告警广播，只需点击APP或者无线通信外设的告警按钮即可完成。
（4）在无网和有网环境下的自主切换功能
在无蜂窝数据网络或信号差的情况下，采用上述LoRa网络结合多跳路由算法进行成员间通信，而在网络信号状态良好的情况下，则对数据进行上云操作，自动屏蔽LoRa网络，使用蜂窝数据网络，保障人员地理位置信息以及当前状况的告警信息存储。

用户界面

产品测试

在对无线通信外设进行点对点测试时，选择了天线高度1.5米、天线增益6dBi、发射功率22dBm、空中速率62.5Kbps的测试条件。测试环境如图3-11所示，发送点与接收点之间距离为735米，两点之间穿过了图书馆、体育馆等大型建筑以及树林。在该情况下，进行了对通信丢包率的测试。每次发送数据包大小为160bit，每3秒发送一次，每组测试收发500次。测试结果表明，此时平均丢包率为5.4%，能够满足户外位置共享这种对数据包丢包率要求不高的应用场景。同时测试结果表明，无线通信外设具有较强的绕射能力，能够在穿过大型建筑和树林等复杂环境中实现可靠的通信。综上所述，通过对无线通信外设进行点对点测试，证明其能够满足户外位置共享等应用场景的通信需求。

心得体会

参与今年中国研究生电子设计竞赛的最大收获就是提高了对项目整体设计的眼界，参与比赛的过程中不断地修改调试，展示的内容不断优化，最终把最好的一面呈现给了大家。本团队结合自身的经验，送未来的参赛团队们几点建议：

• 项目计划书的撰写一定要规范认真，既不能简单口语化，也不能繁杂冗余，目的在讲清楚项目具体的创新点，应用前景等等。
• PPT和演示视频尽量做到精简，为演讲者留出发挥空间，演讲的时候不要急于把PPT讲完，而是把重心放在观众上，旨在让每一个观众都听明白项目主题。
• 放平心态，比赛的目的在于锻炼自己能力和展示项目，奖项的获得是锦上添花，只要持之以恒，总会成功！

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