基于WLAN的圖書館定位系統研究

李春新 周亮 李凈

摘要：現有的WLAN室內定位技術主要存在的問題：一方面由于房屋的內部格局、結構、材料等各不相同，有可能對室內的定位精度產生影響導致偏差；另一方面，現有基于紅外線發射器、超聲波發射器等特定設備的定位方法需要較高的成本，價格昂貴而不能廣泛使用。針對上述問題設計了一個基于WLAN的圖書館定位系統，主要利用無線接收信號強度來進行定位，該方法無須增加額外的硬件，減少了各種費用，且實用性很高。

關鍵詞：室內定位；信號強度；路徑；損耗模型；無線局域網

中圖分類號：P315.69 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）05-0031-02

GPS衛星導航系統的出現以及飛速進步，使人們了解了更多關于在寬敞的室外進行定位來獲得物體空間位置的技術，基本上解決了很多定位問題[1]。盡管在室外空間定位方面有了巨大的發展，但是絕大多數時間中，人們各種各樣的活動依然是在室內完成的，比如說圖書館。然而就如今的定位方法以及條件而言，GPS定位方法不適合用在圖書館的室內空間中，因為這種方法在室內的誤差相對較大。因為在圖書館環境中，傳播的信號容易被物體遮擋，定位精度也會因此遭受很大的影響。所以，對于室內繁雜且多變的環境，人們不得不研究室內定位專用的算法和技術。

WLAN給圖書館室內定位提供了良好的前提條件。如今，大多數圖書館都布置了無線局域網以及各種移動設備上都配置了無線網卡。通過計算距離的遠近的變化的方法對物體進行定位，不需要其他設備來輔助去計算同步時間和信號角度 [4]，從而大大降低了成本。

1 相關技術介紹

1.1 室內定位系統基本原理

無線定位就是利用節點之間信號的到達時間（Time of Arrival， TOA），信號的到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA），信號的到達角度（Angle of Arrival， AOA），以及接收信號強度（Received Signal Strength，RSS）來確定出位置的坐標的方法[5-7]。

系統先是感知到對方的存在，檢測、測量和計算出TOA、AOA、RSS等數據，當作位置測量的相關指標傳送到定位服務程序[8]。然后，程序經過特定的算法來估算得出終端位置（x，y，z）；最后顯示在終端上。

1.2 信號強度法

信號強度法（Received Signal Strength，RSS）原理：算出在發送傳播中的耗損，通過相關模型來計算得出大致的長度[9-10]。在空間內，在離發射信號的位置d處的接收天線收到信號強度一般情況下可用下面這個公式求得出來：

[ΡRΡT=GTGRλ24π2d2L] （1）

其中：PT表示發射功率；PR表示接收功率；GT表示發射天線的增益；GR表示接收天線的增益；d表示著發射位置與待定位位置間的長度；λ表示信號的波長；L表示損失。

根據上述公式可以知道，接收功率隨距離的平方衰減。但是，該公式只是一個理想化模型，而在實踐中會更加復雜。

RSS方法與AOA方法、TOA方法比較后可以知道，RSS方法可以不用增加多余的設備去測量時間和角度，可以使用已有的基礎設施，大大減少了設備費用，所以，RSS方法現在已經變成了研究的熱點。

2 定位過程及相關模型和算法

2.1 定位過程

首先，在無線局域網區域內，要確保3個或以上已知位置的接入點的信號要能夠被終端設備準確接收到，然后，服務器會接受從終端發來的它所收的AP的相關數據。包括：時間、信號強度值、接收到的AP的MAC地址、傳輸速率等等。每個終端都會收集它能接收到的所有的信號強度相關數據發給服務器，為后面的處理做準備。

然后，服務器系統讀取數據：在全部的接入點位置信息文件中，那些終端所能接收的接入點的位置信息都會被服務器讀取出來，然后依據定位算法計算出該終端的初始位置。

最后，通過分析數據對終端位置加以修正。這樣服務器就能得出該在WLAN范圍內的終端的位置，再將位置信息返回給相對應的終端。

2.2 模型介紹

目前已經提出了很多數學模型，在很多地方都有了改進。根據接入點的位置，接收的位置，功率等等，通過這些數據，接收強度就可以計算出來，計算接收強度使用的是“距離-損耗”模型。

“距離-損耗”模型公式如下：

[Ρ（d）=Ρ（d0）-10×n×log（dd0）+ζ] （2）

在公式2中，P（d）代表設備之間長度為d時的信號強度；n代表路徑損耗系數；d代表真實距離；d0代表參考距離；ζ代表遮蔽因子，是一個正太分布變量，主要用來減少強度誤差。

3 系統設計與實現

3.1 系統描述

本系統是使用傳播模型的方法來實現定位。無線局域網優點是有很大的覆蓋范圍，同時也有很便捷的網絡通信，這樣就可以很便捷的實現系統的設計。系統模型如圖2，首先，選好需要定位的地方（有WLAN覆蓋），獲取接入點（AP）的位置信息；然后測量AP的RSS數據，經過無線局域網發送到服務器；最后，服務器在收到數據之后，依據信號強度計算得到相對位置。

3.2 系統功能

系統的功能主要有：定位查詢功能和歷史信息查詢功能。定位查詢功能是最基本的功能：服務器收到請求，向終端設備返回相對位置；歷史信息查詢是查詢終端系統的定位歷史，為現實應用提供大量的數據支撐。具體情況如下：終端收集所有AP信號的強弱程度，然后對相關數據進行處理；位置顯示是為了實現把目標位置顯示出來；如圖3所示，服務程序的功能包括：負責通信、發出查詢信息、收集定位結果信息。

圖3 位置查詢

4 結束語

本文分析了現有的WLAN室內定位技術主要存在的問題，設計了一個基于WLAN的室內定位系統，主要利用無線接收信號強度來進行定位，該方法無須增加額外的硬件，節省了投資，實用性很高。該系統可以應用到智能圖書館，智能倉儲，智能物流等領域，能降低運營成本，提高效率。

參考文獻：

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[9] 黃豐勝，肖廈，成芳，等.基于RSSI的Wi-Fi室內定位常用算法對比[J].信息技術，2017（12）：73-75.

[10] 李楨，黃勁松.基于RSSI抗差濾波的WiFi定位[J].武漢大學學報（信息科學版），2016，41（3）：361-366.

【通聯編輯：梁書】