基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)可穿戴定位裝置應(yīng)用

廖振華

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 湖南省長(zhǎng)沙市 410114）

在經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展與科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，信息與定位等不同技術(shù)的應(yīng)用也在自己的生活中得到了越來(lái)越普遍的發(fā)展。全球定位系統(tǒng)GPS 即為此類(lèi)技術(shù)的成熟性代表，其優(yōu)勢(shì)在于性能穩(wěn)定、成本低廉且精度較高，在公眾日常生活中得到廣泛認(rèn)知并熟練使用。與此同地，智能手機(jī)的優(yōu)化普及速度加快，手機(jī)與信息、定位等技術(shù)的結(jié)合，使得各類(lèi)智能系統(tǒng)為人們的生活帶來(lái)更多便利。

1 室內(nèi)定位系統(tǒng)及可穿戴定位裝置的發(fā)展

1.1 室內(nèi)定位系統(tǒng)的發(fā)展

室內(nèi)定位系統(tǒng)在上一世紀(jì)90年代末期產(chǎn)生并迅速發(fā)展起來(lái)，當(dāng)時(shí)公眾逐步意識(shí)到傳統(tǒng)的GPRS 技術(shù)較為落后且受到外界因素的不利影響導(dǎo)致其室內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位。隨后對(duì)相關(guān)定位技術(shù)提升的研究開(kāi)始深入，并由此大好形勢(shì)下取得了較豐富且優(yōu)秀的研究成果。這之中以Active Badges 項(xiàng)目及優(yōu)化后的Active Bats 項(xiàng)目，上述項(xiàng)目均成為當(dāng)時(shí)較成熟且先進(jìn)用于室內(nèi)精準(zhǔn)定位的系統(tǒng)。除此以外，微軟公司研究開(kāi)發(fā)出Easy Living 定位項(xiàng)目及 Georgia Tech 項(xiàng)目，上述室內(nèi)定位技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用均在一定程度上改變當(dāng)時(shí)公眾的生活、學(xué)習(xí)與工作，并且其便利性與準(zhǔn)確性對(duì)照傳統(tǒng)的GPRS 系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)為高。然而引起注意的是這些定位系統(tǒng)一定要利用專(zhuān)業(yè)化程度高的定位手段方可確保正常使用，同時(shí)其維護(hù)費(fèi)用及使用成本較高，導(dǎo)致難以在全社會(huì)范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。

1.2 可穿戴定位裝置的發(fā)展

隨著通信技術(shù)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)今基于局域網(wǎng)的室內(nèi)定位技術(shù)也由此得到廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)在于成本不高且實(shí)踐應(yīng)用簡(jiǎn)便。在這一過(guò)程中，可穿戴定位裝置產(chǎn)品開(kāi)始在公眾生活中得到日益廣泛的實(shí)踐應(yīng)用，用戶(hù)可以借助手機(jī)APP 并基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)精準(zhǔn)定位終端位置，同時(shí)還有權(quán)設(shè)置電子圍欄，查度定位行走的過(guò)往軌跡。可穿戴定位裝置借助內(nèi)部基于局域網(wǎng)接收得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)解析而明確定位信息，隨后把定位信息借助GPS 等傳達(dá)到遠(yuǎn)端服務(wù)系統(tǒng)上。用戶(hù)利用手機(jī)APP 經(jīng)由服務(wù)器掌握可穿戴定位裝置內(nèi)的定位信息，且可以將該定位點(diǎn)在手機(jī)顯示出來(lái)。

現(xiàn)階段隨著人們收入及生活水平的持續(xù)攀升，更多的人開(kāi)始重視健康并給予必要關(guān)注。為防范在室內(nèi)環(huán)境下出現(xiàn)孩童走失、老人病發(fā)等突發(fā)事故，研發(fā)一種可對(duì)身體健康進(jìn)行監(jiān)測(cè)、精確定位及精準(zhǔn)導(dǎo)航的可穿戴室內(nèi)定位裝置十分必要。

2 基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)可穿戴定位裝置工作流程與運(yùn)用技術(shù)

2.1 工作流程

2.1.1 信號(hào)采集

基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)可穿戴定位裝置開(kāi)展信號(hào)的采集為該定位裝置有效發(fā)揮作用的前提條件。對(duì)照外界空曠廣闊的環(huán)境，該裝置主要作用于室內(nèi)。室內(nèi)空間狹窄、環(huán)境構(gòu)成復(fù)雜、人員移動(dòng)及室內(nèi)物品、家具陳設(shè)等均可能對(duì)可穿戴裝置定位及其局域網(wǎng)信號(hào)傳播形成不利影響。鑒于此，該裝置采集信號(hào)要借助先進(jìn)的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，即利用高斯模型，分析并處理多個(gè)RSSI 數(shù)值后確定干擾性突出數(shù)據(jù)，借助臨界點(diǎn)常數(shù)以使其他不相關(guān)數(shù)據(jù)得以排除，并由此實(shí)現(xiàn)并提升采集信號(hào)的準(zhǔn)確性，為該裝置基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)定位提供基礎(chǔ)保障。

2.1.2 距離測(cè)定

基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)可穿戴定位裝置開(kāi)展距離測(cè)定，即借助局域網(wǎng)計(jì)算待測(cè)點(diǎn)和各個(gè)接入點(diǎn)彼此間的真實(shí)距離，將室內(nèi)空間依照接裝置接入點(diǎn)的位置及信號(hào)傳輸特性將所在具體室內(nèi)劃作多個(gè)測(cè)定區(qū)域，裝置定位的整個(gè)過(guò)程內(nèi)依照上一接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)弱度以明確室內(nèi)信號(hào)模型，繼而裝置可以明確定位室內(nèi)待測(cè)點(diǎn)與接入點(diǎn)等的準(zhǔn)確位置。

2.1.3 估計(jì)初始位置

就估計(jì)初始位置而言，其為可穿戴定位裝置估計(jì)為依照定位待測(cè)點(diǎn)與接入點(diǎn)二者間的距離來(lái)通過(guò)計(jì)算獲得待測(cè)點(diǎn)的定位。為確保可穿戴定位器基于局域網(wǎng)的定位更精準(zhǔn)，該裝置借助幾何法計(jì)算室內(nèi)待測(cè)點(diǎn)的真實(shí)位置，隨后得出初始位置。

2.1.4 結(jié)果修正

可穿戴定位裝置基于局域網(wǎng)的定位結(jié)果修正即更準(zhǔn)確地對(duì)上一步得出的初始位置加以修正，以確保定位移動(dòng)軌跡數(shù)值準(zhǔn)確得到提升，為使用者提供更精準(zhǔn)的室內(nèi)空間定位。

2.2 技術(shù)運(yùn)用

2.2.1 短程感應(yīng)技術(shù)

短程感應(yīng)這一技術(shù)用于可穿戴定位裝置中，其重點(diǎn)并非一味強(qiáng)調(diào)室內(nèi)定位的精確性。其為借助信號(hào)采集這一方式來(lái)將被定位用戶(hù)放置于局域網(wǎng)的信號(hào)覆蓋面內(nèi)并繪制出其活動(dòng)距離及范圍，以明確其室內(nèi)活動(dòng)軌跡及空間，為可穿戴定位裝置后續(xù)定位提供收集信息及分析基礎(chǔ)。可穿戴定位裝置的實(shí)踐中，該項(xiàng)技術(shù)使可穿戴定位裝置利用基站標(biāo)志及物理手段實(shí)現(xiàn)基于局域網(wǎng)的室內(nèi)三維定位，同時(shí)也使可穿戴定位裝置實(shí)際信號(hào)的收集與明確得到高水平的發(fā)展。

2.2.2 三角定位技術(shù)

可穿戴定位裝置使用以基站移動(dòng)終端信號(hào)明確定位，隨后該裝置依照所在地理位置信息以定位更準(zhǔn)確的距離及位置，隨后定位結(jié)果呈現(xiàn)于可穿戴定位裝置中，且保持?jǐn)?shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2.2.3 指紋識(shí)別技術(shù)

可穿戴定位裝置運(yùn)用指紋識(shí)別以實(shí)現(xiàn)提取室內(nèi)某一位置信號(hào)強(qiáng)度、空間譜及圖像等不同信息流，借助尋找與其關(guān)聯(lián)的室內(nèi)位置后，整合信息成為一個(gè)獨(dú)特的指紋信息，以此識(shí)別對(duì)應(yīng)的定位指紋據(jù)庫(kù)。依照可穿戴定位裝置基于局域網(wǎng)定位的實(shí)際需求查找數(shù)據(jù)信息以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

3 基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)可穿戴定位裝置的應(yīng)用

基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)可穿戴定位裝置應(yīng)用旨在為用戶(hù)提供一種可以實(shí)時(shí)以各種室內(nèi)環(huán)境為切入點(diǎn)，對(duì)用戶(hù)的身體、疾病等信息進(jìn)行監(jiān)控，或是預(yù)防室內(nèi)有情況突發(fā)而對(duì)室內(nèi)目標(biāo)人物開(kāi)展更準(zhǔn)確、更及時(shí)的定位。此類(lèi)可穿戴定位裝置在各類(lèi)公共室內(nèi)空間如展廳、商場(chǎng)、圖書(shū)館、倉(cāng)庫(kù)或超市等場(chǎng)所中也可確保實(shí)現(xiàn)精確定位。這種先進(jìn)的、基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的可穿戴室內(nèi)定位裝置主要三個(gè)模塊構(gòu)成，即前端、數(shù)據(jù)傳輸處理及終端三個(gè)主要模塊，如圖1。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 前端模塊

前端模塊涵蓋有室內(nèi)定位與心率檢測(cè)兩個(gè)子模塊。就室內(nèi)精確定位而言，該裝置通常選取的核心處理系統(tǒng)為MTK2503，以此為前端系統(tǒng)的搭建提供保障。借助局域網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳送處理來(lái)實(shí)現(xiàn)和終端交換相關(guān)信息。該模塊對(duì)心率的測(cè)量而言，通常借助基于光電容積脈搏波（PPG）的作業(yè)機(jī)理創(chuàng)建的心率傳感器完成采集與分析心率信息。該原理上從理論而言即與皮膚直接接觸的光電傳感器產(chǎn)生一束打在人體皮膚上的光，由基于血液可吸收特定波長(zhǎng)的光線(xiàn)這一原理，每當(dāng)心臟泵血之時(shí)，則血液則會(huì)大量吸收對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，借助測(cè)評(píng)反射/透射的光以明確當(dāng)次對(duì)應(yīng)的心跳頻率，隨后把波動(dòng)信號(hào)借助接口傳輸?shù)街醒胩幚砥髦衼?lái)獲得心率數(shù)值。

心率檢測(cè)這一子模塊由傳感器、信號(hào)采集與處理模塊、電源模塊及局域網(wǎng)牙傳送模塊等共同構(gòu)成。這之中，光電心率傳感器主要用于感應(yīng)相關(guān)人體脈搏發(fā)生的信號(hào)，信號(hào)采集與處理模塊則重點(diǎn)采集傳感信號(hào)并加以放大、濾波及整合，局域網(wǎng)傳送模塊主要作用為以脈沖信號(hào)為對(duì)象開(kāi)展處理、保存及轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸處理模塊

該可穿戴定位設(shè)備系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理主要依靠專(zhuān)屬的傳輸處理模塊，其涵蓋有搭建無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的組網(wǎng)，為該設(shè)備前端及終端完善通信橋梁，同時(shí)明確信息的傳送模型，降低或消除多徑效應(yīng)對(duì)定位信號(hào)產(chǎn)生的干擾。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的構(gòu)成主要是多個(gè)AP。基于局域網(wǎng)信號(hào)指紋的可穿戴定位設(shè)備裝置，能在復(fù)雜且狹小的室內(nèi)形成獨(dú)特的信號(hào)覆蓋圖。室內(nèi)多個(gè)熱點(diǎn)同時(shí)將無(wú)線(xiàn)電磁信號(hào)對(duì)外發(fā)送時(shí)，由于信號(hào)本身存在多徑效應(yīng)，其會(huì)依照室內(nèi)環(huán)境形成各類(lèi)反射、折射、繞射等不同的信息傳播效果，在室內(nèi)不同位置形成一種獨(dú)特的以信號(hào)為對(duì)象的分布規(guī)律，這就是“特征指紋”。基于局域網(wǎng)信號(hào)指紋的可穿戴定位設(shè)備裝置即預(yù)先構(gòu)建基于“特征指紋”的數(shù)據(jù)信息庫(kù)，并綁定于真實(shí)的室內(nèi)位置，當(dāng)操作基于局域網(wǎng)的可穿戴定位設(shè)備進(jìn)行定位操作時(shí)，其采集到的信號(hào)則必然對(duì)應(yīng)原數(shù)據(jù)信息庫(kù)中的某條具體的“指紋特征”，借助對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的匹配性查找出得到對(duì)應(yīng)的定位。

該項(xiàng)定位主要由兩步構(gòu)成，即指紋定位數(shù)據(jù)信息庫(kù)的離線(xiàn)建立及利用局域網(wǎng)定位時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)查找匹配。就前者來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)庫(kù)離線(xiàn)構(gòu)建立要先行在需要定位的室內(nèi)均勻確立一系列信號(hào)采集點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)均可采集或感知多個(gè) 熱點(diǎn) 的 BSSID 及RSSI 信息樣本值，隨后在后臺(tái)處理與其坐標(biāo)信息存放于指紋數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)；而后者則是用戶(hù)使用的移動(dòng)終端在采集其位置的全部可感知熱點(diǎn)信號(hào)的強(qiáng)弱程度，隨后將室內(nèi)信號(hào)指紋與數(shù)據(jù)庫(kù)加以匹配，借助相應(yīng)算法得到最終定位。

3.3 終端模塊

終端模塊的主體本身即為APP，其借助JAVA 語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)且可以完成包括室內(nèi)室外定位信息的計(jì)算，隨后獲得手機(jī)終端及可穿戴設(shè)備裝置的定位及心率等不同信息等。該APP 由算法定位估算、歷史軌跡及顯示屏等組成，主要功能即顯示使用可穿戴定位裝置者所在建筑內(nèi)的詳細(xì)地圖、手機(jī)對(duì)應(yīng)的定位信息及可穿戴定位器的位置信息。隨后可穿戴設(shè)備把接收到的各位置信息發(fā)送至局域網(wǎng)后則獲得可穿戴定位器對(duì)應(yīng)的具體定位數(shù)據(jù)。同理再借助測(cè)量本身與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)多個(gè)AP 的信號(hào)強(qiáng)弱程度進(jìn)一步獲得精準(zhǔn)度更高的定位。