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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃佳祥
研究生(外文):Chia-Hsiang Huang
論文名稱:利用 LoRa-WiFi 自適應雙模式山區搜救定位資料傳輸
論文名稱(外文):Application of Self-adaptive Lora-WiFi Dual Mode Data Transmission for Mountain Area Search and Rescue
指導教授:蔡憶佳蔡憶佳引用關係
指導教授(外文):Yihjia Tsai
口試委員:林慧珍林慶昌
口試日期:2022-07-07
學位類別:碩士
校院名稱:淡江大學
系所名稱:資訊工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2022
畢業學年度:110
語文別:中文
論文頁數:55
中文關鍵詞:LoRaWi-Fi山區搜救
外文關鍵詞:LoRaWi-FiMountain Area Search and Rescue
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台灣作為全球高山密度最高的島嶼之一,光是海拔 3000 公尺以上的高峰就多達二百餘座。而這
些高山也吸引著世界各地的登山者前來挑戰,然而險峻的山勢同樣帶來的是山難的風險。我們
希望利用先前 LoRa 的研究論文的基礎上,加上 WiFi 和 GPS 技術,建造出一套更完善的搜救系
統,以期盼能逐漸取代傳統搜救方法,屆而降低搜救所需要負擔的社會成本。之所以會使用雙模
+ GPS 系統,一方面是 GPS 長久以來公認有極佳的可靠性外,另一方面是藉由加上 WiFi 系統傳
輸速率大的優點,彌補過往 LoRa 自身雖然傳輸距離長但是傳輸速率低的缺點。
並且在未來我們也可以用這套系統傳輸透過 WiFi 模式傳輸除了文字以外的影音內容,來為待救
者提供搜救需求給搜救者。並希望這套系統可以為山區搜救模式帶來新的突破。
在 LoRa 和 WiFi 之間因為頻率和模組之間訊號功率上的不同,透過弗里斯傳輸方程 (Friis
Transmission Equation) 推算,也估計出了理想狀態下距離上的差別,如果再加上簡單的誤差修
正,我們便可以大概得知兩套系統的實際上距離。
另外,在硬體設備上,我們也選擇 Raspberry Pi 作為運算的裝置,配上 Python 開源專案,包含
LoRa 模組控制、Socket 處理,以及 NMEA 0183 格式處理等,以求得整套系統上的建置、開發
上因為使用高階語言而更易於修改的便利。
最後,在實驗上透過遠端 SSH 終端監看搜救者與待救者在兩種模式之間的傳輸狀況:在搜尋到
LoRa 訊號後,則積極偵測 WiFi 訊號,最後進入 WiFi 模式進行較大資料量的 WiFi Socket 傳
輸。透過以上的方法證明 LoRa+WiFi 雙模基本上的用於山區搜救定位資料傳輸的可行性。
As one of the islands with the highest density of mountains in the world, Taiwan has
more than 200 peaks being above three-thousand meters above sea level. These high mountains also attract many climbers from all over the world to come to challenge.
However, climbing steep mountains also leads to higher risks of mountain disaster. We
hope to use the foundation of previous LoRa research, with WiFi and GPS technology, to
build a more comprehensive search and rescue system, in anticipation of replacing the
traditional search and rescue methods, and reducing the social cost for search and rescue.
The reason of using the LoRa-WiFi dual mode system alongside the GPS module is that,
on one hand, GPS has long been recognized as having excellent reliability, and on the other
hand, the WiFi system features the advantage of the high throughput, which makes up for
the shortcomings of LoRa’s relatively low transmission rate despite the long transmission
range in the past researches.
And in the future, we could also potentially use this system to transmit multimedia content other than plain text through WiFi mode, in order to provide the search and rescue
needs to the rescuers. It is hoped that the system may bring new breakthroughs to the
mountain area search and rescue.
Between LoRa and WiFi, due to the difference in frequency and signal power among
modules, the ideal maximum range of these two systems are estimated with the calculation of the Friis Transmission Equation As long as a simple error correction is added, we could
get a rough idea of what the actual distance between the two systems in real life.
And in the selection of hardware equipment, we also choose Raspberry Pi as the computing device, coupled with the Python open-source packages, such as LoRa module control,
Socket handling, NMEA 0183 format parsing et cetera, in order to obtain the convenience
of easy modification with the adaption of the high-level programming language in the construction and development of the entire system.
Finally, in the experiment, we use SSH terminal to monitor the transmitting status of the
rescuer and the target between the two modes: after finding the LoRa signal, it will actively
detect the WiFi signal, then finally switch to the WiFi mode for processing larger amount
of data via WiFi Socket transmission. The above method proves the basic feasibility of
LoRa-WiFi dual mode data transmission for mountain area dearch and rescue.
目錄
1 緒論 1
1.1 研究動機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 相關文獻探討 4
2.1 LoRa 基本介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Wi-Fi 基本介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 LoRa、WiFi 傳輸系統比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 傳輸距離估算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4.1 LoRa 模組傳輸距離估算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.2 WiFi 模組傳輸距離估算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 GPS 基本介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.6 NMEA 0183 格式簡介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 研究方法 17
3.1 情境設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 硬體 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.1 Raspberry Pi Zero W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.2 Raspberry Pi 3 Model B+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.3 外接 WiFi 模組 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.4 LoRa 模組 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.5 Neo-6M GPS 模組 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.6 硬體配置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 軟體 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.1 軟體運作模式雛型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.2 傳輸資料內容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.3 GPS 模組控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.4 LoRa 模組控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.5 WiFi 模組控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.6 板上 LED 燈號控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.7 執行緒管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4 電力消耗 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 實驗方法與結果 45
4.1 實驗方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 實驗結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 結論與未來展望 50
5.1 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2 未來展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
參考文獻 52
圖目錄
1 啁啾括頻的波型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 LoRa 擴散因子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 弗里斯傳輸方程假定的天線模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 LoRa 情境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5 WiFi 情境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6 Raspberry Pi Zero W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
7 Raspberry Pi 3 Model B+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
8 外接 WiFi 模組 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
9 SX1278 模組 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
10 Neo-6M 模組 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
11 待救者硬體配置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
12 待救者硬體配置示意圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
13 搜救者硬體配置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
14 搜救者硬體配置示意圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
15 軟體運作模式自動機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
16 純 LoRa 模式流程圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
17 純 LoRa 模式狀態 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
18 LoRa + WiFi 模式流程圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
19 LoRa+WiFi 模式狀態 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
20 純 WiFi 模式流程圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
21 純 WiFi 模式狀態 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
22 NMEA 格式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
23 pynmea2 項目 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
24 pysx127x 項目 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
25 WiFi 模組在實驗下的連線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
26 WiFi 模組在測試下的連線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
27 純 LoRa 模式的燈號 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
28 LoRa + WiFi 模式的燈號 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
29 純 WiFi 模式的燈號 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
30 待救者的執行緒 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
31 搜救者的執行緒 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
32 USB 電源檢測器與行動電源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
33 待救者實驗設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
34 搜救者實驗設備示意圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
35 地圖位置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
36 接收 LoRa 資料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
37 進入混合模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
38 接收 WiFi 資料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
39 LoRa + WiFi 傳送 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
40 進入純 WiFi 模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
41 純 WiFi 模式收發情形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
42 傳送失敗後切換模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
表目錄
1 91 年至 110 年各消防機關執行山域意外事故救援統計資料 . . . . . 1
2 107 年度各型飛機飛行成本總表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3 LoRa 擴散因子與傳輸量的關係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4 LoRa 擴散因子與距離的關係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
5 傳輸系統比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
6 LoRa 傳輸距離分貝誤差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
7 WiFi 傳輸距離分貝誤差 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
8 NMEA 0183 格式範例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
9 三個模式的電量消耗 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
10 三個模式的電量、電流、功率關係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
參考文獻
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