基于WIFI技術(shù)的防丟器的研究與設(shè)計

陳悅　夏佳寧

摘 要：藍牙防丟和GPS防丟技術(shù)已經(jīng)取得較大成功，但現(xiàn)行的大多數(shù)防丟器仍無法應(yīng)對較為復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境。本文提出將WIFI控制技術(shù)與防丟器相結(jié)合，使用戶能夠遠程監(jiān)控防丟器，并且基于RSSI定位技術(shù)的樓層識別算法（K近鄰法）以及GPRS與WIFI的網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù) ，解決了之前防丟器室內(nèi)定位不準確，容易中斷的難題。并使其監(jiān)控范圍在空間的橫向和縱向都進行了較大延展。

關(guān)鍵詞：WIFI室內(nèi)定位；多樓層定位；防丟器；慣性傳感器；網(wǎng)絡(luò)融合

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.110

0 引言

現(xiàn)行的防丟器大體分為藍牙防丟器與GPS防丟器兩種。藍牙防丟器成本低，但有效距離較短，理論上是10M左右，并且距離信號受限，超出一定距離藍牙就會斷開[1-3]。GPS（Global Positioning System）防丟器在室內(nèi)幾乎無法使用。GPRS（General Packet Radio Services）技術(shù)能提供大覆蓋范圍的穩(wěn)定數(shù)據(jù)服務(wù)，但是速度較低，并且無法在室內(nèi)精確定位 。而WIFI（Wireless Fidelity）技術(shù)是一種能夠提供高數(shù)據(jù)速率的無線接入技術(shù)，主要用于局域網(wǎng) 。其速度很快，可以做到精確室內(nèi)定位，大功率路由器覆蓋范圍可穿墻覆蓋百米。

由于大型酒店，商場，學校等都在高密度的建筑物內(nèi)，人流密集，更是物品遺失，孩子走丟的高發(fā)地帶。因此，將速度快而且覆蓋范圍大，距離遠的WIFI技術(shù)應(yīng)用在防丟器的設(shè)計上十分必要。 本文對GPRS與WIFI技術(shù)進行了網(wǎng)絡(luò)融合研究。并采用樓層識別算法，使得多樓層環(huán)境下，也能做到精確定位。

1 防丟器的原理介紹

1.1 防丟器結(jié)構(gòu)

WIFI防丟器需要兩個設(shè)備，其中傳感器與防丟物品或老人孩子在一起，與智能手機之間通過WIFI通信。慣性定位技術(shù)在短時間內(nèi)，定位精確度高，然而在較長時間后會出現(xiàn)誤差累積。所以將WIFI無線定位技術(shù)與慣性定位技術(shù)相結(jié)合，即可以做到在進一步提高定位精確度的同時，又較大程度降低成本。

1.2 防丟器室內(nèi)定位方法

該防丟器的室內(nèi)定位主要基于慣性傳感器和WIFI輔助定位。室內(nèi)定位方法主要應(yīng)用了慣性傳感器定位模塊以及WIFI輔助定位模塊。包括步態(tài)檢測算法，航向糾正算法，以及WIFI位置矯正算法，WIFI動態(tài)調(diào)整步長算法。

行人航跡推算運用加速度計和磁力計讀出的數(shù)值進行步態(tài)與方向的檢測，以及自學習步長估計，推算出防丟器的位置，在WIFI信號穩(wěn)定時，使用位置指紋法定位，并對行人航跡推算所累積的誤差進行糾正。在WIFI信號不穩(wěn)定時，采用上一時刻的定位結(jié)果與行人航跡推算法聯(lián)合定位。

2 混合多樓層室內(nèi)定位

2.1 定位技術(shù)的選擇

室內(nèi)定位技術(shù)中的基于接收信號強弱的測量定位（Received Signal Strength Indication， RSSI）。可分為信號傳輸消耗法以及位置指紋定位法。顯然，在基于Android的WIFI室內(nèi)定位的情況下，RSSI定位技術(shù)[8]沒有硬件添加的需要，并且位置指紋法的主要原理是建立信號強度與位置關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，在室內(nèi)環(huán)境下更容易實現(xiàn)，也具有更高的精確度。因此采用位置指紋定位方法。

2.2 基于RSSI定位技術(shù)的樓層識別算法

K近鄰法（K- NN）核心思想是依據(jù)K個距離最近的K點的主要歸屬分類來對測試對象進行分類。直觀來看K個最臨近的樣本對輸入實例x屬于哪個類別是最有發(fā)言權(quán)的，這也是k近鄰法簡單卻沒放棄準確度的原因。

而類K近鄰法（K- NN）為了減少大量的訓練樣本數(shù)據(jù)，對每個無線AP，只維護最大的一個RSS。其中的樓層號是掃描到最大RSS時所處的樓層號。在隨后的在線識別階段如果掃描到更大的RSS則會更新樣本數(shù)據(jù)。

3 GPRS與WIFI網(wǎng)絡(luò)融合及其方案的選擇

3.1 網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)介紹

基于眾多無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式，選用大覆蓋面積的2.5G蜂窩數(shù)據(jù)技術(shù)GPRS與高接入速率的WIFI進行網(wǎng)絡(luò)融合。由于MS平臺具有GPRS，WIFI兩種模式，所以可以在GPRS和WIFI兩種模式之間切換。這種無縫的性能由RAU（Routing Area Update）來實現(xiàn)。目前主要的兩種融合方案是緊耦合方式和松耦合方式。

3.2 兩種網(wǎng)絡(luò)融合方案的介紹與比較

在松耦合方式下，WIFI被看作是與GPRS網(wǎng)絡(luò)互補的接入網(wǎng)絡(luò)，WIFI可以使用GPRS網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)據(jù)，但WIFI是繞過GPRS的核心網(wǎng)而直接與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)進行通信。

在緊耦合方式下，WIFI與其他GPRS RAN（GPRS Radio Access Network）用相同的方式接入GPRS的核心網(wǎng)。WIFI的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過GPRS核心網(wǎng)傳送到外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)。MS平臺可以在WAF（WLAN Adaptation Function）這一WIFI適配功能的輔助下在GPRS和WIFI的無線接入之間實現(xiàn)自由的移動。并應(yīng)用傳統(tǒng)的GPRS來實現(xiàn)移動管理。

結(jié)合上述分析可以看出緊耦合方式和松耦合方式在應(yīng)用方向上各有側(cè)重：松耦合更適用于無線網(wǎng)絡(luò)中包含大量WIFI運營商，蜂窩運營商的環(huán)境。而緊耦合更適用于無線網(wǎng)絡(luò)中WIFI和蜂窩網(wǎng)同屬于一個運營商的環(huán)境。因此對于本文所涉及的WIFI防丟器，無疑緊耦合方式將是一個不錯的選擇。

4 前景與展望

本文將WIFI控制技術(shù)與防丟器相結(jié)合，并基于RSSI定位技術(shù)的樓層識別算法（K近鄰法）算法以及GPRS與WIFI的網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)對WIFI防丟器進行了改進，對大面積WIFI覆蓋的室內(nèi)環(huán)境結(jié)合更多算法和技術(shù)，從數(shù)據(jù)傳輸和定位空間兩個方面提升了定位的穩(wěn)定性，適用的生活場景更廣。對于不同網(wǎng)絡(luò)運營環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法可以進一步改進，結(jié)合兩種融合方案的計費制度，移動性管理，新增開發(fā)，以及應(yīng)用市場的不同特點，在不同環(huán)境下靈活采用不同的網(wǎng)絡(luò)融合方法。在研究以及考察的過程中發(fā)現(xiàn)在不同的Android系統(tǒng)中定位誤差波動較大，并且WIFI位置指紋定位技術(shù)還需做進一步改進，以減小復(fù)雜結(jié)構(gòu)的環(huán)境對定位精確的影響。

參考文獻：

[1]錢志鴻.劉丹藍牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸綜述[J].通信學報，2012，33（04） ：143-151.

[2]馮永亮，李立，雷偉軍.低功耗藍牙技術(shù)在Android平臺的應(yīng)用開發(fā)研究[J].通訊世界，2016（01）：192.

[3]王磊.基于藍牙4.0技術(shù)的防丟器的研究與設(shè)計[J].太原理工大學，2013

*為通訊作者endprint