基于WiFi終端的室內(nèi)定位系統(tǒng)及其應(yīng)用

彭軍民

（西安中興新軟件有限責(zé)任公司，陜西 西安 710114）

0 引 言

隨著生活水平的不斷提高，各個(gè)地方逐漸趨于城市化。高樓大廈、大型商場(chǎng)、地下車庫(kù)、地鐵車站及地下商城等越來(lái)越多，人們已經(jīng)不滿足于室外的經(jīng)緯度二維定位，更希望對(duì)人、物做進(jìn)一步的室內(nèi)準(zhǔn)確定位。因此，室內(nèi)定位需求的應(yīng)用前景廣闊。

目前，GPS定位主要是室外定位，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于定位、導(dǎo)航、追蹤、調(diào)度等各領(lǐng)域。而室內(nèi)的定位如樓層、樓層具體位置點(diǎn)、準(zhǔn)確停車點(diǎn)等室內(nèi)場(chǎng)景、對(duì)定位有很大的應(yīng)用需求[1]。因此，針對(duì)終端室內(nèi)定位系統(tǒng)，尤其是基于WiFi的室內(nèi)定位，做更詳細(xì)的需求、技術(shù)實(shí)現(xiàn)和實(shí)例應(yīng)用等闡述。

1 室內(nèi)定位系統(tǒng)

1.1 室內(nèi)定位系統(tǒng)的概念與基本應(yīng)用

基于位置的服務(wù)（Location Based Services，LBS）是指基于位置的服務(wù)系統(tǒng)。由于它在手機(jī)和電腦中普遍應(yīng)用，成為室內(nèi)定位系統(tǒng)的核心技術(shù)。LBS主要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定用戶具體位置。對(duì)于定位技術(shù)的算法優(yōu)化、升級(jí)研究，國(guó)內(nèi)的部分高校如西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)及我國(guó)大型通信設(shè)備制造商中興通訊、華為都有大量技術(shù)人員在研究。同時(shí)，智能手機(jī)和其他智能設(shè)備、可穿戴設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉ钪械钠占埃c人們?nèi)粘Ｉ钪械囊隆⑹场⒆　⑿械仍絹?lái)越緊密。新時(shí)代，人們希望生活越來(lái)越便利和智能，不斷提高生活品質(zhì)。位置服務(wù)尤其是室內(nèi)位置服務(wù)、全球位置服務(wù)和主動(dòng)/被動(dòng)位置服務(wù)，將成為生活的一部分。

所以，定位系統(tǒng)應(yīng)用的用戶體驗(yàn)從室外定位延伸到室內(nèi)定位，從粗略定位到準(zhǔn)確定位，從延時(shí)定位到實(shí)時(shí)定位，從專用設(shè)備定位到普及型智能手機(jī)定位，從人工停車到智能停車等，將結(jié)合室外定位與室內(nèi)定位的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)位置信息的全覆蓋。此外，位置應(yīng)用也不限于位置信息的傳遞、追蹤、調(diào)度等擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2 位置信息

定位系統(tǒng)中對(duì)一個(gè)位置進(jìn)行描述時(shí)，會(huì)把這個(gè)位置信息分為兩類：物理層面的位置信息和相對(duì)抽象的位置信息。物理層面是指被測(cè)物體具有實(shí)際意義或能夠用數(shù)學(xué)來(lái)描述的位置信息，如地圖坐標(biāo)，這是實(shí)實(shí)在在的可以量化的位置信息。相對(duì)抽象的位置信息如學(xué)校教學(xué)大樓的前面、位于鐘樓旁邊等較模糊的抽象位置。因此，許多定位系統(tǒng)從設(shè)計(jì)層面就考慮了位置信息的抽象和現(xiàn)實(shí)的不同。基于傳感器定位的定位系統(tǒng)，就是一種典型的物理位置定位系統(tǒng)。

2 室內(nèi)定位系統(tǒng)的分類

按照技術(shù)類型和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，LBS室內(nèi)定位系統(tǒng)可分為三大類——控制平面定位、GSM定位和自我報(bào)告定位。

2.1 控制平面定位

控制平面定位（Control Plane Locating）技術(shù)通常是利用幾個(gè)客戶在相對(duì)較近的距離內(nèi)且他們的手機(jī)服務(wù)基站距離近，利用電波信號(hào)的延遲來(lái)確定客戶的地理位置。整個(gè)過(guò)程中，由于控制平面定位利用了語(yǔ)音控制技術(shù)，導(dǎo)致傳播速度較慢，因此顧客定位的速度也會(huì)較慢。在一些歐洲國(guó)家，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)不采用大眾化的三邊定位技術(shù)，因此只能將單個(gè)基站應(yīng)用于LBS定位服務(wù)系統(tǒng)，采用的是精確度不高的半徑范圍來(lái)確定用戶或者其他智能電子產(chǎn)品的位置。相對(duì)來(lái)說(shuō)，它一直是人們普遍認(rèn)同的安全定位系統(tǒng)來(lái)定位智能手機(jī)的位置。

2.2 GSM定位

GSM定位（GSM Localization）主要的結(jié)構(gòu)模式由許多蜂窩基站構(gòu)成，通過(guò)蜂窩基站之間的相互聯(lián)系進(jìn)行通信，把特定大小區(qū)域的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（通信區(qū)域）劃分為一個(gè)個(gè)的蜂窩小區(qū)，然后通過(guò)確定終端用戶與最近蜂窩基站的相對(duì)位置來(lái)匯報(bào)具體的定位信息。蜂窩基站通過(guò)接收信息的到達(dá)時(shí)間差或增強(qiáng)時(shí)間差，進(jìn)一步確定用戶的地理位置。

2.3 自我報(bào)告定位

自我報(bào)告定位（Self-reported Positioning）被認(rèn)為是定位追蹤投資成本相對(duì)較低的定位方式，其定位系統(tǒng)的對(duì)象是人、物。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，自我報(bào)告定位是LBS系統(tǒng)用戶進(jìn)行自我提交位置信息的技術(shù)方案。

3 WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)

在移動(dòng)終端設(shè)備的室內(nèi)定位系統(tǒng)中，WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)是近年來(lái)開發(fā)較多、應(yīng)用較廣的一種定位技術(shù)。目前，關(guān)于室內(nèi)定位，有基于Wifi、藍(lán)牙、Zigbee等相關(guān)方面的研究。但是，這些方案的實(shí)現(xiàn)方法都是基于某種組合，而WiFi一般當(dāng)路由器使用。下面將闡述一種采用WiFi實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的方案，并闡述如何將該技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)停車系統(tǒng)。方案實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)定位全部采用WiFi技術(shù)（而非其他方案采用藍(lán)牙、Zigbee等做輔助），即無(wú)論是傳輸（WiFi AP）、組網(wǎng)（WiFi 錨點(diǎn)）或標(biāo)簽（WiFi Tag），全部基于WiFi技術(shù)。

4 WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

下面以實(shí)例“基于WiFi的室內(nèi)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)在停車場(chǎng)的應(yīng)用”，闡述WiFi室內(nèi)定位的實(shí)現(xiàn)方法。

4.1 技術(shù)方案

圖1為方案拓?fù)鋱D。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

本方案WiFi實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)主要由WiFi定位卡、無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP（WiFi無(wú)線路由器）、WiFi標(biāo)記（錨點(diǎn)）和后端監(jiān)控管理中心（Locating Server定位服務(wù)器）四部分組成。

4.2 各組成說(shuō)明

4.2.1 WiFi定位卡

WiFi定位卡（即定位標(biāo)簽）作為無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊和被定位人（或物）相連，系統(tǒng)通過(guò)跟蹤定位卡實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、物的跟蹤定位。其中，定位卡可以是雙向標(biāo)簽、也可是單向標(biāo)簽工作模式，如表1所示。

主要功能如下：

（1）WiFi定位卡設(shè)置成STA模式；

（2）WiFi定位卡實(shí)時(shí)搜索并采集周圍WiFi AP錨點(diǎn)的RSSI值，通過(guò)與無(wú)線路由器AP相連上報(bào)數(shù)據(jù)；上報(bào)信息包括WiFi錨點(diǎn)的名稱和信號(hào)強(qiáng)度RSSI；

表1 標(biāo)簽分類

（3）WiFi定位卡接收服務(wù)器下達(dá)的指令，并做相應(yīng)處理（僅限于支持雙向通信的WiFi定位卡）。

型態(tài)可以是各種WiFi設(shè)備，如支持WiFi的智能手機(jī)、Pad、WiFi模塊、車載WiFi、兒童機(jī)及WiFi模塊等。硬件支持WiFi 802.11a/b/g/n，軟件設(shè)置成STA客戶端工作模式，并配合上傳數(shù)據(jù)軟件。

4.2.2 無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP

無(wú)線接入點(diǎn)AP支持802 11a/b/g/n，實(shí)時(shí)接收定位卡上報(bào)的WiFi標(biāo)記（錨點(diǎn)）名稱、RSSI信息，并傳輸?shù)胶蠖说倪h(yuǎn)端控制端。

無(wú)線路由器AP（Access Point）接入點(diǎn)具有一般無(wú)線路由器的基本功能外，還可以用來(lái)掃描周圍存在的WiFi設(shè)備，如WiFi Tag、WiFi終端、手機(jī)、PAD、筆記本及各種AP錨點(diǎn)等，擁有WiFi目標(biāo)識(shí)別、數(shù)據(jù)采集和傳輸功能。

主要功能如下：

（1）WiFi定位卡（WiFi Tag）實(shí)時(shí)掃描，接收、下傳數(shù)據(jù)；

（2）WiFi定位卡的數(shù)據(jù)信息上傳（服務(wù)器），如AP錨點(diǎn)的ID名、RSSI信號(hào)強(qiáng)度等；

（3）下達(dá)服務(wù)器指令給WiFi定位卡（WiFi Tag），僅限于支持雙向通信的WiFi定位卡。

4.2.3 WiFi錨點(diǎn)

WiFi錨點(diǎn)就是普通的AP模塊，即AP1、AP2、…、APn。它當(dāng)作AP熱點(diǎn)使用，配置成AP模式。它只用于發(fā)射WiFi信號(hào)，參與組網(wǎng)（布局位置信息）但并不參與數(shù)據(jù)交換，不和任何網(wǎng)絡(luò)相連。

主要功能是發(fā)送AP信息，如用戶名、RSSI信號(hào)強(qiáng)度、MAC地址等。

通過(guò)WiFi定位卡讀取WiFi錨點(diǎn)RSSI信號(hào)強(qiáng)度、上報(bào)服務(wù)器后，服務(wù)器根據(jù)定位算法給出WiFi定位卡的位置信息。

4.2.4 定位服務(wù)器與軟件（遠(yuǎn)端控制端）

定位服務(wù)器（或遠(yuǎn)端控制端）是一個(gè)基于Web的可視化軟件平臺(tái)。通過(guò)處理WiFi定位卡上傳的WiFi AP錨點(diǎn)信號(hào)RSSI強(qiáng)度，根據(jù)位置算法判斷WiFi定位卡所處具體位置，并在電子地圖中顯示。

主要功能如下：

（1）控制，用于實(shí)現(xiàn)與WiFi定位卡的通信；

（2）定位，基于獨(dú)有的高精度位置算法，根據(jù)WiFi定位卡上傳和接收的AP1名稱（用戶名）、AP2、…APn等及各個(gè)AP的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度RSSI，換算（或查找）出距離，并根據(jù)固定公式準(zhǔn)確計(jì)算定位卡的位置；

（3）地圖位置顯示，根據(jù)RSSI信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計(jì)算，顯示W(wǎng)iFi定位卡的位置信息，通過(guò)地圖顯示定位卡所在的具體位置；

（4）其他。

①用戶可通過(guò)該服務(wù)器的可視化軟件界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理WiFi定位卡，如物和人的實(shí)時(shí)位置、移動(dòng)軌跡和調(diào)度處理等；

②用戶可通過(guò)該服務(wù)器的可視化軟件界面，對(duì)WiFi定位卡、AP錨點(diǎn)和AP錨點(diǎn)的WiFi AP模塊參數(shù)等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的增加、修改、刪除等。

4.2.5 定位算法

WiFi定位算法基于接收的WiFi信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）查找距離。

定位卡周期性地給接入點(diǎn)AP發(fā)出采集到的周圍WiFi標(biāo)記（AP錨點(diǎn)）信號(hào)，接入點(diǎn)AP再傳給遠(yuǎn)端控制端服務(wù)器。服務(wù)器根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱判斷WiFi定位卡距離WiFi標(biāo)記（AP錨點(diǎn)）的距離遠(yuǎn)近。通過(guò)至少3個(gè)WiFi標(biāo)記（AP錨點(diǎn)）的信號(hào)強(qiáng)度（距離）算出WiFi標(biāo)簽的位置坐標(biāo)（x，y），并通過(guò)電子地圖顯示具體位置。

關(guān)于誤差。WiFi無(wú)線信號(hào)經(jīng)過(guò)反射后到達(dá)接收器，不是一條徑直的路徑，即數(shù)據(jù)的真實(shí)性存在偏差。源頭數(shù)據(jù)偏差給定位計(jì)算結(jié)果帶來(lái)了很大誤差，這種現(xiàn)象叫多徑。多徑效應(yīng)和其他無(wú)線傳輸一樣，這里不再贅述，可通過(guò)多次采集剔除無(wú)效數(shù)據(jù)選出合格數(shù)據(jù)。

4.3 實(shí)施方案（工作原理）

在室內(nèi)布置WiFi標(biāo)記（AP錨點(diǎn)）網(wǎng)絡(luò)，為每個(gè)錨點(diǎn)編ID號(hào)碼，設(shè)定工作模式為AP模式，確定好室內(nèi)位置信息（如樓層、坐標(biāo)）存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，使AP錨點(diǎn)的位置與地圖位置相對(duì)應(yīng)。如GPS室外基站定位，采用基站定位的基站位置信息很重要。圖2為錨點(diǎn)布局示意圖。

每個(gè)錨點(diǎn)都有自己的參數(shù)（樓層、x坐標(biāo)、y坐標(biāo)），信號(hào)強(qiáng)度與位置關(guān)系如圖3所示，每個(gè)錨點(diǎn)都有坐標(biāo)。

圖2 WiFi標(biāo)記（錨點(diǎn)）布局圖一

圖3 WiFi標(biāo)記（錨點(diǎn)）布局圖二

表2為信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系。如圖4所示，單體AP錨點(diǎn)在O處，以O(shè)為圓心、OA為半徑的A處測(cè)得信號(hào)強(qiáng)度RSSI為-40 dBm，則OA距離是3 m。同理，B處測(cè)得信號(hào)強(qiáng)度RSSI為-90 dBm，則OB距離是30 m；以此類推。

表2 AP錨點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度與距離對(duì)應(yīng)表

圖4 AP錨點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度與距離示意圖

從圖5可以看出，采集的信號(hào)強(qiáng)度越大，距離目標(biāo)錨點(diǎn)的距離越近。

圖5 信號(hào)強(qiáng)度與距離對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

將此參數(shù)存于服務(wù)器，這是服務(wù)器計(jì)算距離的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。AP錨點(diǎn)的位置信息是電子地圖坐標(biāo)位置的基礎(chǔ)。錨點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度RSSI和距離信息，是計(jì)算WiFi定位卡位置的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2-3]。

WiFi定位卡采集WiFi標(biāo)記（AP錨點(diǎn)）信息，包括AP錨點(diǎn)用戶名稱、AP錨點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度RSSI和接收到信號(hào)時(shí)的時(shí)間戳。按照與服務(wù)器商定的數(shù)據(jù)包格式，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)AP發(fā)到后端服務(wù)器。以此類推，定位卡上報(bào)收集的所有AP錨點(diǎn)信息給服務(wù)器。

服務(wù)器數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程。服務(wù)器接到數(shù)據(jù)后先篩選，剔除非法數(shù)據(jù)（主要是非法RSSI）、非法AP名稱（如非法錨點(diǎn)），篩出有用錨點(diǎn)、優(yōu)化數(shù)據(jù)（如找出信號(hào)最強(qiáng)的3個(gè)錨點(diǎn)）。篩選說(shuō)明：如圖3所示，A1、A2、A3…、B1、B2、B3…和 C1、C2、C3…分別是 AP 錨點(diǎn)的坐標(biāo)，在地圖上有對(duì)應(yīng)的具體位置坐標(biāo)。動(dòng)點(diǎn)M根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度篩選出信號(hào)最強(qiáng)的三個(gè)錨點(diǎn)（理論上信號(hào)最強(qiáng)，距離最短），根據(jù)海倫公式計(jì)算出M點(diǎn)坐標(biāo)位置（x，y），從而知道M點(diǎn)在地圖上所處的位置。

得出M點(diǎn)坐標(biāo)（x，y），根據(jù)讀到的A2/B2的樓層信息，知悉M點(diǎn)樓層信息，進(jìn)而給出M點(diǎn)所處的地圖位置。

為了進(jìn)一步佐證M點(diǎn)坐標(biāo)，還可繼續(xù)采集另外3點(diǎn)AP錨點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算方法類似，求出M（x，y），再進(jìn)一步優(yōu)化。

如果M點(diǎn)坐標(biāo)變化，說(shuō)明M點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)軌跡。

服務(wù)器計(jì)算、顯示位置信息，并在地圖上顯示，如圖6所示。

圖6 移動(dòng)點(diǎn)位置地圖顯示

服務(wù)器也可以下達(dá)指令，傳輸控制信息給M移動(dòng)tag。tag收到控制信息后做相應(yīng)的反應(yīng)，這里不再贅述。

4.4 示例

如圖7所示，是一個(gè)典型煩人室內(nèi)定位應(yīng)用場(chǎng)景。

如圖8所示，為信息交互圖。其中，“京A 88818”為手機(jī)客戶端tag，要自動(dòng)導(dǎo)航停車到車位標(biāo)簽A1001為錨點(diǎn)的車位上（錨點(diǎn)是AP標(biāo)簽），是利用RSSI與距離的關(guān)系原理實(shí)現(xiàn)的。

圖7 某室內(nèi)停車場(chǎng)系統(tǒng)應(yīng)用

圖8 客戶端、服務(wù)器端、車位標(biāo)簽、數(shù)據(jù)庫(kù)消息交互流程圖

5 結(jié) 論

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展、4G/5G的普及以及WiFi性能的不斷提升，隨著高性能智能手機(jī)、車載系統(tǒng)的普及，WiFi將成為標(biāo)準(zhǔn)配置，WiFi終端室內(nèi)定位系統(tǒng)的應(yīng)用、發(fā)展將更廣闊。未來(lái)，WiFi定位系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用在社區(qū)服務(wù)、日常生活、大型商場(chǎng)、地下停車、室內(nèi)定位、人/物定位與調(diào)度和物聯(lián)網(wǎng)等各個(gè)領(lǐng)域。