WiFi技術的人員定位安全系統

蘇州中材建設有限公司 黃松濤

隨著人們的安全意識不斷提升，工廠作業時對人員的安全工作變得愈發的重要。而靠人力去監督員工們的安全，在高開銷的同時，即存在不可靠性，也不能實現對每個員工實時的進行監控。因此急需要一套電子系統來對人員位置的實時監測并發出警告。同時也在WiFi技術不斷提升，WiFi使用不斷普及，其精度、覆蓋范圍等性能不斷提升的情況下，我們選擇了基于WiFi技術的人員定位安全系統。該系統主要利用與WiFi連接的智能手機進行定位，在客戶端上有可導入修改的工廠3D模型，通過定位的人員也會反映在模型上，管理員能只管檢測到員工的位置。當施工人員被定位到危險區時，系統會自動報警，提醒人員遠離危險區。

1 WiFi定位方案

整個人員定位安全系統是在WiFi環境下進行的，每個人員都需要攜帶一部智能手機與WiFi相連接。無線局域網（WLAN，又稱WiFi）WiFi是一種短程無線網絡傳輸技術，具有覆蓋范圍廣、傳輸速度快、危害小、成本低、容易搭建和管理等優點。WiFi定位與ZigBee定位以及RFID定位相比，在成本低的同時更具有傳輸速度快、精度高、抗干擾能力強、可管理性強多個優點，如表1所示。

表1 無線網絡定位技術的對比

2 定位原理

WiFi定位方法按照是否基于RSSI（信號強度）分為兩大類。不基于信號強度RSSI的方法有根據TOA（time ofarrival，到達時間）、TDOA（time difference of arrival，時差）、AOA（angle of arrival，到達角）這些參數進行的定位，但這些參數既需要特殊的WiFi模塊，智能手機上又不易獲取，因此不采用這類方法。

為了使用RSSI方法，該系統需要讓整個監控區域都覆蓋在自己搭建的WiFi環境下進行，并合理的設置多個AP(Access Point，一般翻譯為“無線訪問節點”，或橋接器)節點。本系統采用的是在工廠兩側邊，直線分布地每隔五米布置一臺AP節點。在覆蓋WiFi的空間中，員工攜帶的智能手機接受最近的多個 AP發出的信號，通過手機系統SDK獲取各個AP節點發送信號的強度RSSI以及AP地址。 再通過IEEE802.11n協議把獲取到的數據傳給數據庫服務器。服務器中存有每個AP節點的地理位置數據，根據手機傳輸過來的信息匹配上AP節點的位置以及每個AP節點到手機的信號強度RSSI，經過人員定位算法計算出每個人員的位置。

3 人員定位算法

基于WiFi信號強度RSSI的定位算法有兩種：三角定位算法和指紋算法。三角定位算法是根據信號衰減模型估算出手機與周圍至少三個AP節點的距離，以AP節點為圓心估算的距離為半徑畫圓，由三個圓形的交點確定設備的位置。三角定位的前提是已知所有AP節點的所在位置。三角定位算法分為兩個步驟，分為測距和定位。

3.1 RSSI算法測距

無線信號的發送功率與收發單元之間的距離關系如式(1)所示。

其中，PR表示無線信號的接受功率、A為信號傳輸1m遠時接收信號的功率、r是收發單元的間距，n為傳播因子。再現場應用智能手機與AP節點進行多次測試，最終得到RSSI與收發單元間距n的具體公式，如公式(2)所示。

3.2 三角定位法

根據RSSI算法計算出智能手機與最近的三個AP節點的距離dA，dB，dC后，再從數據庫中找到每個AP節點的坐標位置{(xA,yA),(xB,yB),(xC,yC)}，以AP節點的坐標位置為圓心，節點到手機的距離為半徑畫圓。三個圓形交于一點，即為定位結果。

圖1 三角定位法的實際情況

但只有在理想情況下三個圓才會交于一點，及方程有唯一解。實際在工廠定位時，WiFi信號會因為障礙物、噪聲等因素帶來偏差，三圓一般是不會交于一點的。因為障礙物通常對電磁波信號有吸收作用，測量的信號強度RSSI會比實際值偏小，計算后的距離及圓的半徑會偏大，所以實際繪制出的模型如圖1所示。

三個圓兩兩相交有六個交點，取中心的三組解，設為P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3)。為了求得人員的位置，通常質心定位算法如式(3)所示。

dA,dB,dC,為P到節點ABC的距離。加權質心定位優化算法提高了計算精度但誤差依舊比較大。為了反應出距離越小權值越高的特點，同時考慮到三個節點的局限性，之后按照具體情況合理選用多個節點進行計算。當節點數量N>3時可以計算出節點i的權值為：

再根據節點距離調節權重，得到權值ωk為：

得人員的位置坐標為：

4 測試結果與分析

為了對該系統的wifi定位功能的精度進行測試，我們安排人員來到了工廠進行了測試， 經過多次重復測試可以得出一下結果，如表2所示。

表2 無線wifi定位算法的測試數據

由上表2可得出，雖然wifi定位存在誤差，改進定位算法有效的提高了定位精度。

結束語：近年來，安全問題越來越得到人們的重視，在工廠作業時安全問題尤為突出?；赪iFi技術的人員定位系統能實現對員工位置的實時監控，能夠彌補人力監控的局部性、不可靠性，在保證員工們安全的同時也減小了管理成本。本文提出的基于WiFi技術的人員定位系統是根據手機與鄰近多個AP節點的接收信號強度RSSI進行測距，并用三角定位算法計算出具體位置。該系統已經投入到具體水泥工廠開始使用，使用過程總驗證了其定位效果精確有效，能夠做到當人員進入危險區時發出警報。