基于WiFi三角定位原理的語音尋物探測方法研究

顧輝+周薇+王想實

摘 要：文中研究的WiFi語音尋物探測方法，是將處于同一個WLAN的無線路由器、探測節(jié)點與被測節(jié)點定義成三角形的三個頂點。由于探測節(jié)點的位置在不斷變換，故三角形的形狀與夾角也隨之改變。利用每一個WiFi熱點獨一無二的MAC地址，基于RSSI技術(shù)和WiFi的三角定位算法原理，分別計算出探測節(jié)點與路由器間的距離、被測節(jié)點與路由器間的距離，以及探測節(jié)點與被測節(jié)點連接的邊所對的角度，進(jìn)行位置定位。將計算出的距離與角度，通過語音通知給搜尋者。根據(jù)語音提示，搜尋者不斷調(diào)整搜索方位，縮小距離，直至找到目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：WiFi；MAC地址；RSSI技術(shù)；三角定位

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-00-02

0 引 言

隨著電子產(chǎn)品設(shè)備的普及，手持設(shè)備（手機、平板電腦等）的人均擁有數(shù)量增多，設(shè)備日趨微型化，經(jīng)常發(fā)生急于尋找某種設(shè)備卻不能快速準(zhǔn)確找到的情況，影響了人們生活或工作的效率。雖然這些設(shè)備使用方便，但丟失之后難以尋找。特別是盲人人群，由于無法直接看到，因此尋找東西對于他們來說更為困難。為解決這一問題，目前成熟的產(chǎn)品可將定位的RFID標(biāo)簽以貼片形式置于設(shè)備上，但該做法并不安全，被人撿到后易被撕下，在使用過程中也有可能被磨損或丟失。還有一種是藍(lán)牙追蹤器，采用黏膠或夾扣的形式附加在設(shè)備上，但使用和攜帶不便，容易損壞，且受藍(lán)牙無線傳輸距離的限制，使得上述裝置具有一定的局性限。也有一些無線尋物裝置，可以方便尋找物品，通過智能終端發(fā)送命令來控制裝置發(fā)聲或發(fā)光，但缺少反饋設(shè)備所在位置信息以及語音播報功能。

1 語音尋物探測方法的具體實現(xiàn)

WiFi語音尋物探測基于RSSI三角定位算法，將處于同一個WLAN的無線路由器、探測節(jié)點與被測節(jié)點（文章中三個節(jié)點的編號分別為1、3、2）定義為三角形的三個頂點，分別測量出探測節(jié)點與路由器間的距離、被測節(jié)點與路由器間的距離，進(jìn)行位置定位。繼而可根據(jù)這一算法編制軟件，嵌入到硬件模塊中，制成WiFi語音尋物探測裝置。該產(chǎn)品定位準(zhǔn)確、搜索速度快，又有語音提示，勢必會成為一款具有廣闊市場前景的新產(chǎn)品。

三角定位原理的實現(xiàn)思想是無線路由器與被測節(jié)點位置固定，探測節(jié)點處于移動狀態(tài)。根據(jù)RSSI技術(shù)，首先分別計算出被測節(jié)點、探測節(jié)點與無線路由器間的距離d21和d31。如果要使三點構(gòu)成一個三角形，那么被測節(jié)點與探測結(jié)點間的距離d23應(yīng)滿足公式（1）：

先給d23選出一個最大值，根據(jù)三邊關(guān)系，計算出邊21與邊31的夾角α。接下來，假設(shè)邊21與邊31的夾角成90°，與推算出的d23進(jìn)行比較。如果結(jié)果大于d23，此時再引入一個方位傳感器，在它的幫助下適當(dāng)調(diào)小夾角α的值。循環(huán)計算與比較，直至逐步接近目標(biāo)為止。

三角定位原理示意圖如圖1所示。

探測方法主要包括以下步驟：

（1）將探測裝置置于可移動物體（類似遙控小車）上，由探測裝置根據(jù)設(shè)備的MAC地址，確定要搜索的目標(biāo)，開啟定位請求。

（2）測出被測節(jié)點與探測節(jié)點接收信號強度RSSI的值。

（3）分別計算出無線路由器節(jié)點與被測節(jié)點之間的距離以及無線路由器節(jié)點與探測節(jié)點之間的距離。

在公式（2）中，d表示無線路由器節(jié)點與被測節(jié)點或探測節(jié)點之間的距離；n表示信號傳播系數(shù)；A表示被測節(jié)點或探測節(jié)點與無線路由器節(jié)點相距1 m時的信號強度。其中，A的值通過測量距離路由器1 m處的RSSI值得到。

（4）若未知節(jié)點和無線路由器節(jié)點相連構(gòu)成的邊與無線路由器節(jié)點和探測節(jié)點相連構(gòu)成的邊的夾角為鈍角，則說明探測節(jié)點與被測節(jié)點的距離還很遠(yuǎn)，鈍角的情況不考慮；否則計算出探測節(jié)點和被測節(jié)點之間的距離，并通過語音播報。

（5）根據(jù)步驟（4）的結(jié)果不斷縮小被測節(jié)點和無線路由器節(jié)點相連構(gòu)成的邊與無線路由器節(jié)點和探測節(jié)點相連構(gòu)成的邊之間的夾角，重復(fù)進(jìn)行步驟（2）～（4），逐步計算出新的探測節(jié)點和被測節(jié)點之間的距離，不斷進(jìn)行語音提示，直至最終接近目標(biāo)為止。

語音尋物探測流程如下所示：

（1）搜索裝置開始工作，電源開關(guān)開啟；

（2）打開模塊上的WiFi開關(guān)，開始搜索附近的WiFi設(shè)備，并返回該設(shè)備的MAC地址。循環(huán)執(zhí)行搜索程序，把設(shè)置的MAC地址顯示在設(shè)備列表清單中；

（3）選擇被測設(shè)備；

（4）計算距離，并語音播放距離；

（5）判定距離是否大于設(shè)定值，如果是，則調(diào)整夾角及距離。循環(huán)重復(fù)這一過程，直至找到設(shè)備；

（6）進(jìn)行聲、光報告，結(jié)束搜索過程。

尋物探測流程如圖2所示。

2 方法的改進(jìn)

在不同的環(huán)境下，可能存在不同的信號干擾，采用節(jié)點之間的RSSI值估算距離必定存在一定的誤差，可以根據(jù)特定的環(huán)境對步驟（3）中測量到的距離采用傳統(tǒng)最小二乘法進(jìn)行修正，得到修正后的距離d：

其中， n表示信號傳播系數(shù)。設(shè)無線路由器節(jié)點坐標(biāo)為 （X1，Y1），探測節(jié)點坐標(biāo)為（X3，Y3）；以無線路由器節(jié)點為圓心，以無線路由器節(jié)點和探測節(jié)點相連構(gòu)成的邊為半徑，以（X3，Y3）為焦點，在其附近取m個取樣點，坐標(biāo)分別為（X31，Y31），（X32，Y32），…，（X3m，Y3m），可分別得到a、b的值。

3 該探測方法的優(yōu)點分析

該方法利用接入在生活區(qū)域或工作區(qū)域里無處不在的WiFi信號，開啟搜索設(shè)備的WiFi功能，該裝置可利用無線信號的空間傳遞性，將被尋物信息向四面八方發(fā)送，自動掃描附近熱點設(shè)備。搜索原理是利用每一個WiFi熱點獨一無二的MAC地址，在搜索到目標(biāo)設(shè)備后，立即上傳設(shè)備位置信息給裝置。同時，通過語音播報功能把位置和距離通知給搜尋者。根據(jù)語音提示，不斷調(diào)整搜索方位，縮小距離，直至最終找到目標(biāo)。

4 結(jié) 語

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展與普及滲透，現(xiàn)在家庭生活或工作領(lǐng)域中越來越多的智能設(shè)備都具有開啟WiFi信號，連入附近無線局域網(wǎng)WLAN的功能。為此，設(shè)計一種快速尋物方法，利用WiFi信號穿透性強，傳輸距離能夠達(dá)到150 m，遠(yuǎn)超藍(lán)牙或紅外傳輸?shù)膬?yōu)勢，再借助傳感器及時感應(yīng)位置信息，顯示尋物路徑，進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的語音播報，帶給人們（尤其是盲人群體）尋物的便利。

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