CN104219632B - 用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，针对被搜救人员手机的非移动性及低能耗需求的特点，采用层次路由和手机剩余电量相结合的路由方式，以自组网的方式将各被搜救者手机的位置信息收集到组网手机中。能够简化消息格式，并控制网络内手机发送消息的次数，使得平均路由跳数和全网消息传送总能耗较小，减轻了低电量手机的消息发送负担，提高了消息的到达成功率。相对于传统的路由算法有以下显著的优点：在路由维护能耗以及平均跳数方面有明显改善；依据路由跳数与电量划分优先级选择目的地址，减小了低电量手机的转发信息时的能耗负担，增大了信息收集成功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法。
背景技术
在一些应急救灾的恶劣环境中，由于地处原本无手机信号的地区或通信基站已受到损坏，传统的手机通话、短信、GPRS等已经失效，搜救人员与被埋在废墟下的被搜救者无法进行有效的信息交流。
传统的应急搜救通信方案常采用移动热点、蓝牙、无线传感网等技术实现短距离通信，但均存在不足之处：
热点：在实际应用中，基于热点的网络只能实现单跳范围的连接，存在搜救范围小，效率底等缺点。
蓝牙：在实际应用中，蓝牙的传输范围较短，且只能实现单跳范围的连接。另外，蓝牙标准的安全机制导致传输过程需要有用户手工确认，无法实现透明的信息交互。
物联网无线传感技术：在实际应用中，基于无线传感器的应急救援存在不可忽视的问题，如体征采集需要幸存者预先携带医疗传感器并假设已经处于使用状态，但这通常不符合实际；利用传感器网络进行幸存者定位需要部署多个锚节点，在大规模灾害场景下，需要大规模组网，这不仅需要花费较长时间，而且成本高昂；利用无线传感器网络搭建应急通信设施需要进行多跳数据传输，在当今技术水平下，其稳定性无法满足应急救援通信高可靠性的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于手机自组网位置信息收集的方法，解决应急搜救中的可靠低耗能位置信息收集问题。本发明相对于传统的路由算法，在消息交付需要的报文数量以及平均跳数方面均有明显改善，而且依据手机剩余电量及路径长度划分优先级，兼顾了低电量手机与全网手机传递消息的能耗，为搜救实际需求做出了优化，增大了位置信息收集的成功率。
该种用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，针对被搜救人员手机的非移动性及低能耗需求的特点，采用层次路由和手机剩余电量相结合的路由方式，以自组网的方式将各被搜救者手机的位置信息收集到组网手机中。该方法简化消息格式，并控制网络内手机发送消息的次数。因此，能使得平均路由跳数和全网消息传送总能耗较小，减轻了低电量手机的消息发送负担，提高了消息的到达成功率。相对于传统的路由算法有以下显著的优点：在路由维护能耗以及平均跳数方面有明显改善；依据路由跳数与电量划分优先级选择目的地址，减小了低电量手机的转发信息时的能耗负担，增大了信息收集成功率。
本发明的技术解决方案是：
一种用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，
将搜救者手机即组网手机与被搜救者手机即联网手机形成自组网，
采用层次路由和手机剩余电量相结合的路由方式，将各联网手机的位置信息收集到组网手机中。
进一步地，具体步骤为：
步骤一、组网手机通过Adhoc自组网与接触的联网手机进行联网并分配IP地址；
步骤二、组网手机广播发送[S1]搜救认证消息到其跳数一跳范围内的所有联网手机；
步骤三、联网手机使用多线程等待接收[S1]，若发送者身份验证成功，将广播源IP地址、[S1]消息中包含的跳数Hop、低电量标记LB记录到路由表，否则忽略；
联网手机继续接收并等待[S1]消息，尽可能地收集完其他广播者的[S1]消息，并根据路由优先规则判定，最后保留一个最优IP；
本机即将广播的[S1]消息中Hop值为路由表中Hop值+1；更新[S1]消息后，广播本机[S1]；
联网手机进行电量检测、GPS校正，等待在[S2]消息中发送；
步骤四、联网手机将路由表中记录的IP作为目的地址，回传本机[S2]消息并转发收到的[S2]消息；
步骤五、组网手机接收到[S2]后，将联网手机的IP、电量和GPS保存进入数据库，数据库启动触发器，在组网手机软件中更新上传数据进度；
步骤六、若组网手机没有收到全部数据，组网手机将广播[S2.5]消息，内容为组网手机未收到数据的联网手机IP，要求未传送成功的联网手机进行数据重传，响应发送S2者仅为[S2.5]中列出的IP；
步骤七、组网手机在接收到全部数据后，自动或手工广播[S3]，联网手机收到[S3]，继续广播[S3]，关闭组网和GPS；若一定时间后组网手机没有收到任何信息，自动视为收到[S3]。
进一步地，身份验证的机制：
组网手机持有私钥，对精确到年月日时的本机时间进行签名运算，生成验证编码ID；
联网手机持有公钥，进行解签名运算，将结果与本机时间进行比对，误差不超过P小时则身份验证成功。
进一步地，步骤三中路由优先规则：
路由表中只保留一条IP地址；
收到新的[S1]时，满足为下列之一时，将路由表内容更新为新的IP地址：
1：new_Hop<＝old_Hop-2；
2：new_LB<old_LB且new_Hop<＝old_Hop+1；
3：new_LB＝old_LB且new_Hop<old_Hop。
进一步地，在步骤三中，进行电量检测，若联网手机电量判为低，或上一级均为LB置1，则联网手机即将广播的[S1]消息中LB置1。
进一步地，联网手机转发时发现内容中GPS读数为空，则将自身GPS写入包中作为参考GPS，并并做替代标记。
进一步地，传送[S1]、[S2]、[S2.5]、[S3]消息均基于UDP协议。
进一步地，其特征在于，[S1]的消息格式如下：
[S2]的具体消息格式如下：
[S3]的具体消息格式如下：
进一步地，[S2.5]的具体消息格式如下：
本发明的有益效果是：该种用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，解决了传统应急搜救方法探测范围小、代价高、能耗大的问题，可广泛应用于地震、泥石流、洪水、飓风、生产事故等自然和人为灾害中的受困者搜救。本发明具有以下显著的优点：
代价低廉，搜救者和被搜救者仅需要手机，无需其他设备支持；
通过自组网形式搜救，信息多跳传输，搜救覆盖范围扩大；
数据收集基于路径长度，降低数据转发次数，节约通信资源，降低能耗；
数据收集基于手机剩余电量，延长了低电量手机的使用时间，提高了搜救自组网的生存期。
附图说明
图1是实施例中自组网的路由模式的示意图；
图2是本发明实施例中协议交互的示意图；
图3是本发明实施例的算法流程图。
图1中，虚线表示手机间在一跳范围内，带箭头实线表示回传数据的选择路径。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
在一些应急救灾的恶劣环境中，由于地处原本无手机信号的地区或通信基站已受到损坏，传统的手机通话、短信、GPRS等已经失效，搜救人员与被埋在废墟下的被搜救者无法进行有效的信息交流。此时，通过本用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法可以有效地使搜救人员获得被搜救者的位置信息，辅助援救。
自组网(AdHocnetworks)的特点是自治和无基础设施以及多跳路由，AdHoc网络消除了对基础设施的限制，并能自扩展网络，这种网络形式可以适应大范围应急搜救场景。通过将搜救者和被搜救者的手机形成自组网，对实现较大规模的位置信息收集是一种有效的方法。
在应急搜救中，较大的搜救范围、高可靠性、极低能耗成为数据收集中考虑的重点问题。区别于传统搜救方法，实施例利用了被搜救者埋于废墟之下的非移动性和自组网的可扩展性，提出了一种新的能量有效高可靠性位置信息收集方法。
地震灾害发生时，被搜救者手机通过震波与非飞行模式下的与基站信号的断开判断已进入灾害，自动搜寻网络名称SSID(ServiceSetIdentifier)为SOS的AD-HOC自组网并等待加入。搜救人员手机开启SSID为SOS的AD-HOC自组网。搜救人员搜索到被搜救人员手机附近时，被搜救人员的手机便自动加入了该自组网，与搜救人员的手机建立连接，完成位置信息的传达。
名词：
组网手机：搜救者使用的手机；
联网手机：被搜救者使用的手机；
[Sn]：Socket报文编号。
如图3所示，本实施例在位置搜集时的具体实施步骤如下：
步骤一：灾害发生时，组网手机通过Adhoc自组网与接触的联网手机进行联网并分配IP地址。图1中，O为组网手机，IP地址为19.168.2.1，A～E均为联网手机，IP地址分别为19.168.2.2～19.168.2.6。其中，A为电量低于15％的低电量手机。
步骤二：图2中，组网手机O利用UDP协议广播发送一个[S1]Socket报文到其一跳范围内的所有联网手机，即A与B，广播地址为255.255.255.255。[S1]报文包含包头(Head)、由发送端MAC地址与时间(Time)组成的版本号、内容长度(Len)、由类型(Cont)与验证编码(ID)及由跳数(Hop)和低电量标记(LB)组成的内容、包尾(End)。例中报文数据均以用16进制表示。设此时的时间为2014年5月1日15时15分15秒，二进制数140501151515对应用十六进制表示为20B6856F1B，则[S1]报文部分Time＝20B6856F1B。签名体系中，身份编码由组网手机的本地年月日时时间(Time)经组网手机数字签名生成，取P＝9D41962F，Q＝C85ECC2B，N＝7B1578D48AF3ADE5，E＝3CE5F，D＝7A2D6B6DF1A84747。组网手机持有私钥(N＝7B1578D48AF3ADE5，E＝3CE5F)，联网手机持有公钥(N＝7B1578D48AF3ADE5，D＝7A2D6B6DF1A84747)。由签名计算式子：
ID＝Time^EmodN
计算得，ID＝962FD216641D2CC。
定义组网手机O跳数Hop与低电量标记LB均为00，发送[S1]时类型Cont＝01。内容长度Len定义为类型Cont、验证编码ID、跳数Hop与低电量标记LB内容的字节长度。这里，内容的长度为10个字节，故Cont＝0B。设组网手机的MAC地址为78：92：9C：04：1F：44，则MAC＝78929C041F44。
另外，约定包头Head＝A5A5，包尾End＝BEEF。则，组网手机O广播的[S1]消息为：A5A578929C041F4420B6856F0B01962FD216641D2CC0000BEEF。
即组网手机O广播的[S1]具体表示：
步骤三：联网手机A、B使用多线程等待接收[S1]，收到组网手机O发来的[S1]消息，则解析该消息，提取验证编码ID。利用联网手机的的公钥计算身份编码明文，即由验证式子计算：
Time＝ID^DmodN
计算得，Time＝20B6856F1B。即解析出消息发送时间为2014年5月1日15时15分15秒，将得出的时间结果与联网手机本地时间相对比，若两个误差不大于正负1小时，则身份验证成功，否则忽略。将O的IP地址与Hop、LB记录到本地。A、B继续等待[S1]消息，50ms后，没有收到其他的[S1]消息，则视为A、B的上一级数量为1，即组网手机O。A、B的跳数Hop为01。A、B打开电量检测，
A机电量低于15％，其即将广播的[S1]消息中LB置1。B机电量正常且存在LB不为0的上一级，故其即将广播的[S1]消息中LB置0。A、B发送的[S1]消息中，包头Head、包尾End、类型Cont及验证编码ID均不变，将MAC更新为本机MAC，将Time更新为本机发送消息时间，按上述规则更新跳数Hop、低电量标记LB及内容长度Cont后，广播本机[S1]。A、B打开GPS，获得位置数据。A、B联网手机继续接收[S1]消息，按照优先级规则决定更新路由表，持续3秒。
A发出[S1]消息后，C、D均收到该[S1]消息，验证身份后，更新并发送[S1]，其中Hop＝02，LB＝01。C、D打开GPS，获得位置数据。联网手机C、D继续接收[S1]消息，动态更新路由表，持续3秒；B发出[S1]消息后，E收到该[S1]消息，验证身份后，更新并发送[S1]，其中Hop＝02，LB＝00。E打开GPS，获得位置数据。联网手机E继续接收[S1]消息，动态更新路由表，持续3秒。路由表更新条件为满足下列条件之一时，即将路由表更新：1：new_Hop<＝old_Hop-2；2：new_LB<old_LB且new_Hop<＝old_Hop+1；3：new_LB＝old_LB且new_Hop<old_Hop。这样，路由表中始终只保留着一条选择过的地址作为传送信息的目的地址。
依次按规则进行，C发送[S1]后，没有手机更新路由表。D发送[S1]后，没有手机更新路由表。E发送[S1]后，D更新了路由表。
完成后，各联网手机记录的路由表如下：
A：
| Hop | LB | IP |
| 0 | 0 | 192.168.2.1 |
B：
| Hop | LB | IP |
| 0 | 0 | 19.168.2.1 |
C：
| Hop | LB | IP |
| 1 | 1 | 19.168.2.2 |
D：
| Hop | LB | IP |
| 2 | 0 | 19.168.2.6 |
E：
| Hop | LB | IP |
| 1 | 0 | 19.168.2.3 |
步骤四：联网手机在收到[S1]消息后3秒，便回传[S2]消息。回传的目的地
址为路由表中的IP。若联网手机收到其他联网手机的[S2]消息，回传的目的地址也为路由表中的IP。若转发时发现内容中GPS读数为空，将自身GPS写入包中
作为参考GPS，并作替代标记，使替代标记Rep置1。
[S2]的具体消息格式如下：
步骤五：组网手机接收到[S2]后，将联网手机的IP、联网手机的MAC、电量和GPS保存进入数据库，数据库启动触发器，在组网手机软件中更新上传数据进度。
步骤六：若组网手机在经过5秒后，没有收到全部数据，组网手机发送[S2.5]消息。内容为未收到信息的IP列表。与[S1]建立路由表过程类似，但响应发送[S2]消息者仅为[S2.5]消息IP列表中列出的IP。
[S2.5]的具体消息格式如下：
步骤七：组网手机在接收到全部数据后，或组网手机若经过60秒后尚没有收到全部位置信息，广播[S3]，并关闭组网功能。联网手机收到[S3]，关闭联网和GPS功能，继续广播[S3]。
[S3]的具体消息格式如下：
Claims (8)
1.一种用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，其特征在于：将搜救者手机即组网手机与被搜救者手机即联网手机形成自组网，采用层次路由和手机剩余电量相结合的路由方式，将各联网手机的位置信息收集到组网手机中；具体步骤为：
步骤一、组网手机通过Ad hoc自组网与接触的联网手机进行联网并分配IP地址；
步骤二、组网手机广播发送[S1]搜救认证消息到其跳数一跳范围内的所有联网手机；
步骤三、联网手机使用多线程等待接收[S1]，若发送者身份验证成功，将广播源IP地址、[S1]消息中包含的跳数Hop、低电量标记LB记录到路由表，否则忽略；
联网手机继续接收并等待[S1]消息，尽可能地收集完其他广播者的[S1]消息，并根据路由优先规则判定，最后保留一个最优IP；
本机即将广播的[S1]消息中Hop值为路由表中Hop值+1；更新[S1]消息后，广播本机[S1]；
联网手机进行电量检测、GPS校正，等待在[S2]消息中发送；
步骤四、联网手机将路由表中记录的IP作为目的地址，回传本机[S2]消息并转发收到的[S2]消息；
步骤五、组网手机接收到[S2]后，将联网手机的IP、电量和GPS保存进入数据库，数据库启动触发器，在组网手机软件中更新上传数据进度；
步骤六、若组网手机没有收到全部数据，组网手机将广播[S2.5]消息，内容为组网手机未收到数据的联网手机IP，要求未传送成功的联网手机进行数据重传，响应发送S2者仅为[S2.5]中列出的IP；
步骤七、组网手机在接收到全部数据后，自动或手工广播[S3]，联网手机收到[S3]，继续广播[S3]，关闭组网和GPS；若一定时间后组网手机没有收到任何信息，自动视为收到[S3]。
2.如权利要求1所述的用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，其特征在于，身份验证的机制：
组网手机持有私钥，对精确到年月日时的本机时间进行签名运算，生成验证编码ID；
联网手机持有公钥，进行解签名运算，将结果与本机时间进行比对，误差不超过P小时则身份验证成功。
3.如权利要求1所述的用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，其特征在于，步骤三中路由优先规则：
路由表中只保留一条IP地址；
收到新的[S1]时，满足为下列之一时，将路由表内容更新为新的IP地址：
1：new_Hop<＝old_Hop-2；
2：new_LB<old_LB且new_Hop<＝old_Hop+1；
3：new_LB＝old_LB且new_Hop<old_Hop。
4.如权利要求1所述的用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，其特征在于：在步骤三中，进行电量检测，若联网手机电量判为低，或上一级均为LB置1，则联网手机即将广播的[S1]消息中LB置1。
5.如权利要求1所述的用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，其特征在于，联网手机转发时发现内容中GPS读数为空，则将自身GPS写入包中作为参考GPS，并做替代标记。
6.如权利要求1所述的用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，其特征在于：传送[S1]、[S2]、[S2.5]、[S3]消息均基于UDP协议。
7.如权利要求1-6任一项所述的用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，其特征在于，[S1]的消息格式如下：
[S2]的具体消息格式如下：
[S3]的具体消息格式如下：
8.如权利要求1-6任一项所述的用于应急搜救的手机自组网位置信息收集方法，其特征在于，[S2.5]的具体消息格式如下：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170922 |