消防救援中WIFI室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)的研究

王 悅，趙春宇

（上海交通大學(xué) 上海 200240）

如何有效提高消防救援效率、減少火災(zāi)中的人員傷亡一直都是一個(gè)重要的課題。在樓宇內(nèi)，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大樓中，被困人員與救援人員都容易迷失方向，因此如果能在這些地方實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的定位對(duì)于消防救援將有極大幫助。

無(wú)線定位是指利用無(wú)線電波信號(hào)的某些特征參數(shù)估計(jì)特定物體在某種參考系中的坐標(biāo)位置[1]。與室外的GPS定位不同，在室內(nèi)進(jìn)行定位時(shí)由于空間較小、阻擋物較多等因素，需要選用其他合適的技術(shù)，包括藍(lán)牙、紅外、WIFI、ZigBee以及超寬帶等。其中，WIFI是一種短距離無(wú)線技術(shù)，有覆蓋范圍大、無(wú)需布線、傳輸速率快和發(fā)射功率小等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在人們的日常生活中得到了廣泛的普及。WIFI的接入點(diǎn)（AP）遍布于各個(gè)場(chǎng)所，并且只要這些AP通電，即使接收設(shè)備沒(méi)有通過(guò)該接入點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)，也可以探測(cè)到這些AP的RSSI、SSID、BSSID等信息作為的定位依據(jù)，因而不需要添加其他硬件設(shè)備就可以進(jìn)行定位[2]。本文主要研究了基于WIFI的室內(nèi)定位技術(shù)在消防救援中的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 無(wú)線定位算法

目前無(wú)線定位的過(guò)程主要可以分為兩類：一類是已知發(fā)射端位置情況下，先對(duì)發(fā)射端和接收端之間進(jìn)行測(cè)距，然后再通過(guò)一些方法計(jì)算出接收端坐標(biāo)進(jìn)行定位；另一類是在需要定位的范圍內(nèi)選取多個(gè)訓(xùn)練點(diǎn)記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)庫(kù)，定位時(shí)通過(guò)把在某個(gè)點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的已有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較從而得出待測(cè)點(diǎn)位置。本文主要研究第一類方法。

1.1 測(cè)距算法

在無(wú)線定位中，常用的測(cè)距算法有多種，如TOA、TDOA、AOA等，但是對(duì)于室內(nèi)定位，由于空間范圍較小且阻擋物較多，通常選用的是基于傳播損耗模型的測(cè)距算法。

自由空間傳播模型是最基本的路徑損耗模型，它給出了無(wú)障礙且視距范圍內(nèi)的情況下接收功率與發(fā)射功率之間的關(guān)系，即著名的Friis公式[3]：

這一模型未考慮傳播過(guò)程中的各種障礙，因此在實(shí)際中使用的較多的是在自由空間傳播模型基礎(chǔ)上考慮了傳播過(guò)程中由于墻和地板的存在引起的損耗的Keenan-Motley模型[3]：

式中，L0為距發(fā)射端1米位置的傳播損耗；M和N分別為墻和地板的類型數(shù)；Lwi與Lfj分別為i類墻和j類地板的穿透損耗系數(shù)；kwi和kfi分別為穿過(guò)i類墻和j類地板的層數(shù)。

1.2 坐標(biāo)估計(jì)算法

坐標(biāo)估計(jì)算法主要包括極大似然估計(jì)法和三邊測(cè)量法[4]，需要指出的是，由于研究背景是消防救援，而在火災(zāi)發(fā)生時(shí)往往會(huì)伴隨著斷電的情況，因而火災(zāi)發(fā)生時(shí)必然有部分AP不能正常工作，本文將重點(diǎn)討論可用AP數(shù)量小于等于3的情況，事實(shí)上在AP大于3個(gè)時(shí)也可以人為選取其中3個(gè)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，故在此主要介紹三邊測(cè)量法。

三邊測(cè)量法的原理如圖1所示，它實(shí)質(zhì)上就是三圓相交求交點(diǎn)問(wèn)題，列出3個(gè)圓的方程然后解之，得出的交點(diǎn)坐標(biāo)即為定位點(diǎn)位置：

圖1 三邊測(cè)量法示意圖Fig.1 Sketch map of Trilateration

2 模型校正

在本文的研究過(guò)程中，由于場(chǎng)地限制，只選取了某建筑物的一層作為對(duì)象進(jìn)行模型校正以及相應(yīng)的算法改進(jìn)。場(chǎng)地平面圖如圖2所示，房間分別從1-10進(jìn)行編號(hào)，三角形所示為 AP，用A-E表示：

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)地平面圖Fig.2 Plan of the experimental site

由于樓層只有一層，在使用KM模型時(shí)就可以不用考慮地板的影響，而L0可以通過(guò)測(cè)量直接得到，因而只需要找出建筑物中墻體的種類并對(duì)不同墻體的損耗系數(shù)進(jìn)行測(cè)量即可。測(cè)量過(guò)程如下：

將AP布置在墻體的一側(cè)，兩個(gè)接收端分別置于墻體的兩側(cè)，中間不設(shè)置其他障礙物，進(jìn)行多次采樣，每次將兩個(gè)接收端測(cè)得的數(shù)據(jù)作差，隨后對(duì)得到的多個(gè)結(jié)果據(jù)進(jìn)行去除粗大誤差以及隨機(jī)誤差的處理并且求得使其均方誤差最小的數(shù)值，把這一數(shù)值作為穿透該墻體的穿透損耗[5]。

3 算法改進(jìn)

在實(shí)際中，由于模型誤差、測(cè)量誤差等的存在，我們通常無(wú)法得到三圓恰好交于一點(diǎn)的情況，往往結(jié)果都如圖3所示。

圖3 三圓不交于一點(diǎn)示意圖Fig.3 Sketch map when three circles don't meet at a point

對(duì)于這種情況的處理辦法是先求出其中兩圓交點(diǎn)中離第三個(gè)圓圓心較近的點(diǎn)，共得到三個(gè)點(diǎn)，再根據(jù)這三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行計(jì)算[6]。

很多的實(shí)驗(yàn)都表明，基于傳播模型的測(cè)距過(guò)程誤差隨距離增大而增大，通過(guò)距離越近、穿越障礙越少的AP測(cè)得的數(shù)據(jù)可信度越高，通常情況下，來(lái)自這些AP的信號(hào)強(qiáng)度也較大，因此，本文在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候?yàn)槊總€(gè)測(cè)距的結(jié)果增加一個(gè)與信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)的權(quán)重，通過(guò)可信度高的AP測(cè)得的距離給予較大權(quán)重，通過(guò)這種方法來(lái)提高結(jié)果的精度。

假設(shè)如圖 3 的情況中得到 3 點(diǎn)坐標(biāo)分別為（xab，yab），（xac，yab）和（xbc，ybc），選取測(cè)得距離的倒數(shù)當(dāng)作每個(gè)結(jié)果的權(quán)重，可以得出定位點(diǎn)坐標(biāo)為：

式中，R1，R2，R3分別為 A，B，C 三圓的半徑。

當(dāng)剩余AP數(shù)量為2個(gè)時(shí)，與三邊測(cè)量法類似，依舊采取作圓求交點(diǎn)的方法進(jìn)行計(jì)算。兩圓相切的特殊情況在此就不再討論，主要討論兩個(gè)交點(diǎn)以及無(wú)交點(diǎn)的情況，如圖4所示。

圖4 兩個(gè)AP的情況Fig.4 Situation with 2 APs

通常情況下，有兩個(gè)交點(diǎn)存在是無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確定位的，但是考慮到火災(zāi)救援的特殊情況，更多情況需要知道的是定位點(diǎn)所在的房間而非在房間中的具體位置，因此即使給出兩個(gè)較準(zhǔn)確的范圍對(duì)于實(shí)際應(yīng)用也是有意義的。

由于測(cè)量誤差的存在，同樣為兩個(gè)測(cè)得的距離附加相應(yīng)可信系數(shù)后將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)圓環(huán)相交求范圍的問(wèn)題：

而兩圓無(wú)交點(diǎn)的情況的處理方法則是在兩個(gè)圓心的連線上選取一點(diǎn)作為估計(jì)定位點(diǎn)，取點(diǎn)位置依然與可信系數(shù)有關(guān)：

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)在上一節(jié)中所示場(chǎng)地進(jìn)行，利用筆記本電腦在Microsoft Visual Studio2010平臺(tái)測(cè)量AP數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)量計(jì)算之后，模型中的損耗系數(shù)如表1所示。

表1 不同材料穿透損耗Tab.1 Penetration Loss of different materials

而式中的L0通過(guò)多次測(cè)量后得到，為30.5。因而本次實(shí)驗(yàn)采用的傳播模型為：

在測(cè)試時(shí)分別在1號(hào)房、走廊以及10號(hào)房選取點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，用式（8）進(jìn)行計(jì)算，得到距離與實(shí)際距離的誤差如表2所示。

表2 測(cè)距誤差Tab.2 Error of distance measurement

為了測(cè)試AP缺失時(shí)的定位情況，人為去除B跟E的數(shù)據(jù)之后用第四節(jié)中公式進(jìn)行計(jì)算，得到的定位位置與實(shí)際位置的誤差如表3所示。

表3 3個(gè)AP時(shí)定位誤差Tab.3 Error of positioning with 3 APs

結(jié)果表明，1號(hào)房?jī)?nèi)測(cè)試點(diǎn)與走廊測(cè)試點(diǎn)由于距離剩余AP較近，定位誤差稍小，而10號(hào)由于離3個(gè)AP都較遠(yuǎn)且障礙較多誤差較大，但是因?yàn)槭覂?nèi)房間的面積一般都大于3m*3m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中達(dá)到的定位精度已能基本滿足我們?cè)谑覂?nèi)進(jìn)行救援工作時(shí)希望知道具體房間的要求。

接下來(lái)是剩余2個(gè)AP情況的測(cè)試，前文中提到的可信系數(shù)經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)之后決定選用，其中R為接收信號(hào)強(qiáng)度的絕對(duì)值。在此選擇人為去除B、C、D數(shù)據(jù)之后對(duì)1號(hào)房和走廊的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，為使得結(jié)果更為直觀，我們用圖形來(lái)表示，如圖5所示。

圖5 2個(gè)AP時(shí)定位情況Fig.5 Positioning with 2 APs

其中a情況的定位誤差很大程度上都由測(cè)距誤差決定，測(cè)距誤差越小，兩圓環(huán)相交范圍越近，定位也就相對(duì)越準(zhǔn)確，反之，則可能出現(xiàn)兩個(gè)范圍分布在兩個(gè)不同房間的情況。而b情況下可以證明，當(dāng)兩圓正好相切時(shí)估算位置偏離實(shí)際位置最遠(yuǎn)，而這種偏離最大的情況下，偏離距離為：

其中D為測(cè)得距離，e為測(cè)距誤差。同樣當(dāng)剩余的AP距離待測(cè)點(diǎn)越近、測(cè)距誤差越小時(shí)，偏離的距離就越小。

因此，如果剩余AP點(diǎn)距離定位點(diǎn)的距離比較近，即使只剩余兩個(gè)AP，我們的定位誤差也能控制在一個(gè)相對(duì)可接受的范圍內(nèi)，但是如果剩余的只有距離遠(yuǎn)、強(qiáng)度低的AP，就無(wú)法保證能定位在一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的范圍了。

5 結(jié) 論

WIFI是目前無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)領(lǐng)域頗受人們關(guān)注且應(yīng)用廣泛的一種技術(shù)，基于WIFI的定位技術(shù)也正在迅猛發(fā)展，本文針對(duì)消防救援系統(tǒng)開(kāi)展了基于WIFI的室內(nèi)定位的關(guān)鍵技術(shù)的研究，主要完成了基于測(cè)距、計(jì)算的定位過(guò)程的模型選取和校正以及算法改進(jìn)，著重研究了發(fā)生火災(zāi)時(shí)AP數(shù)量較少情況下的定位情況，提出了在AP數(shù)量較少時(shí)加入可信系數(shù)來(lái)輔助定位的觀點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以證明定位精度基本可以滿足在消防救援中需要知道具體房間的要求。

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