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张俊龙刘畅胡杨薛静怡张旭
摘要:近年来无线网络和基于位置服务的迅速发展,定位不只局限在室外,室内定位也随之流行起来。文章通过对比多种室内定位方法,得出了基于RSSI的WiFi室内定位技术相对于其他的定位技术来说无论从定位精度和效率方面还是成本方面都具有很大的优势,它具有更强的稳定性。这种定位可以利用位置特征信息识别通过WiFi网络中可以随意获得的接入点AP对移动终端进行定位,避免了对无线蜂窝网络基站的依赖,同时也弥补了GPS定位在建筑密集以及室内应用的限制,提高定位精度,降低配置成本,提高了设备的利用率,对实现低成本且高精度的室内定位系统具有重要的意义。
Key:无线网络;WiFi室内定位;GPS
近年来越来越多的场所覆盖着无线网络,且覆盖的面积也越来越广。餐厅、博物馆、图书馆、地下停车场等众多场所都有免费的无线网络,其无论是覆盖范围还是速度基本能满足用户。每一种定位技术、定位方法都有长处和短处,定位越精准,定位面积就越小,所以应该根据覆盖范围的大小、环境的复杂程度
来选择适合的技术。本文通过介绍、对比、分析蓝牙[1],红外线[2],WiFi这3种室内定位技术,提出了一种基于接收的信号强度指示(ReceivedSignalStrengthIndication,RSSI)[3]的WiFi室内定位技术的较佳方案。
1室内定位技术

目前蓝牙技术已经渐渐走向成熟,其应用范围极其广泛,并且蓝牙短距离传输有精度较高、成本较低和传输功耗较低的特点。这种定位室内技术精度虽然不会被传输双方之间的障碍物所影响,但是其对传输距离要求较高,只能是近距离传输,比如说小型的停车场或者会议室等场所,只要超过一定的传输距离其定位度会直线下降。所以蓝牙定位只能在小范围内实现物体的精确定位,在大型场所内无法应用。

红外线室内定位凭借着其极远的传输距离以及较高的定位精度被我们所熟知,它是利用其特定的红外线接收装置来实现对物体的定位。然而红外线室内定位技术的定位精度并不是无条件的,它只能在较为简单的环境下实现高精度的定位。也就是说如果传输双方之间障碍物较多,其定位精度会大幅度下降。并且红外线所需要的传输设备较为昂贵,所以这种室内定位技术适合于军事定位,无法在社会普及。

WiFi室内定位技术随着时代进步而出现的新型定位技术。该定位技术定位范围在数百米以内,并且该类无线传输方式的穿透性较好适合于较为复杂的室内环
境。WiFi室内定位技术是通过在布置几个室内接入点(Accesspoint,AP)与移动客户端达到对室内物体的定位[4]。
2WiFi室内定位技术优势
WiFi的通信距离在开放性区域可以达到300m,封闭区域为75~120m,这相对于蓝牙等技术具有很大的优势,并且这个无线通讯距离对于室内空间来说已经足够了,这也是WiFi室内定位得以实现的原因。WiFi室内定位技术是通过移动设备与无线网络AP之间的无线信号交流来确定目标的位置从而实现定位,它的穿透力较红外线定位技术好得多。
衡量定位有很多指标,主要包括定位的精度和覆盖的范围,位置精度和覆盖面积是一对矛盾性指标。例如超声波的定位精度可达到分米级别,但覆盖范围仅十几米;WiFi和蓝牙定位的精度大概是3m,覆盖范围可以达到100m;GMS系统虽然可以覆盖几千米,但定位精度也在100m左右。由此可见,若要定位精度高,那定位的面积就会小。考虑到室内定位范围、精度、速度、设备价钱等因素,WiFi定位都是最合适的。
3WiFi室内定位的原理及过程

(1)每个无线AP都有一个全球唯一的MAC地址,而且通常情况下无限的AP在一定时间内是不会移动的。(2)智能终端在WiFi设备开启的情况下,即可扫描并收集周围的AP信号,不管有没有加密,是否已连接,都可以获取到AP播出的MAC地址。(3)当智能设备离某一WiFi设备较近时,其对应的信号会变强,远离时信号强度会变弱。
根据这些特点本文可以将多个WiFi设备放到不同的区域,根据每个WiFi设备在不同地点的信号强度的不同,划分区域坐标。将这些坐标存入数据库中,根据算法得出用户的确切位置,然后发送到智能终端上,使用户得到实时的位置信息。WiFi定位原理如图1所示。

基于WiFi定位的基本原理,首先要建立WiFi指纹数据库,进行现场测试构建位置坐标,测量RSSI值,得到所需的数据库。然后通过支持向量机建模,定位目标RSSI的反馈值与数据库匹配,从而实现室内定位,并通过APP或微信公众号将预测结果推送出去。其流程如图2所示。

RSSI指接收的信号强度指示,无线发送层的可选部分,用来判别链接的质量,以及是否加大广播发送的强度。通过智能终端接收到的信号强弱,再由数据库对返还回来的信息进行计算,从而估计信号点与接收点的距离一种定位技术。

基于RSSI的WiFi定位法的原理一般分为两个阶段:离线阶段和在线阶段。

离线阶段是信息采集位置信息数据库的建立过程,这个数据库也称为无线电地图用格网将定位区域划分成若干个待测量的格网点,在每个格网点测量样本点信号强度建立RSSI指纹数据库,即:
式(1)中,L是接入点的个数;mac是接入点的物理地址;R为格网点接收到的信号强度;为样本点的概率分布。
离线阶段最主要的任务就是确定RSSI指纹和位置的对应点的建立。位置指纹法最常用的方法就是采用格网划分,如图3所示,测量区域被网格划分为N个小区域,每个区域的四角分别为一个测量点,空间内有4个AP。AP一般被用来进行网络通信,本文也可以利用它的信号强度值来进行定位。离线阶段,对每个网格点进行数据采样,通常在5min以上,~1s。采样后得到来自每个AP的RSSI信号序列,再采用RSSI的平均值,经过信号特征值的提取工作,便可以得到每个格网点的RSSI指纹信息。

本阶段是基于位置指纹法的定位阶段。用户携带智能移动终端进入定位区域时,不可能刚好在格网点上,所以本阶段本文主要的任务是采用一定的方法,对智能移动终端的位置进行较为精确的估计。当使用者进入该区域时,智能终端开始测量周围AP的RSSI值,实时获取WiFi的信号强度r。
测量完成后,智能终端将r值发送到网络上的定位服务器中。再根据事先建立的RSSI指纹数据库和匹配算法得出实时位置[5]。
综上所述,基于RSSI的WiFi室内定位的两个阶段如图4所示。
4结语
WiFi室内定位技术中,每个AP热定覆盖的面积有100m2,精度可达3m,这既能满足大型博物馆的覆盖面积,也能达到需求的精度。此外,WiFi设备造价成本低、难度小,且大多数智能手机都有连接WiFi的功能。本文结合了WiFi室内定位技术精度高、面积广、成本低、速度快等特点,将该技术运用到博物馆智能导览系统中。
[Reference]
[1][D].南京:东南大学,2015.
[2]赵世伟,马少池,吴书明,[J].价值工程,2014(14):187-188.
[3]陈锡剑,[J].传感技术学报,2013(5):709-714.
[4]BORENOVI?M,NE?KOVI?A,-connectedANNstructures.[J].InternationalJournalofNeuralSystems,2011(1):1-15.
[5][D].成都:西南交通大学,2017.
 
-全文完-