基于WiFi終端的室內(nèi)定位系統(tǒng)及其應(yīng)用

彭軍民

（西安中興新軟件有限責任公司，陜西 西安 710114）

0 引 言

隨著生活水平的不斷提高，各個地方逐漸趨于城市化。高樓大廈、大型商場、地下車庫、地鐵車站及地下商城等越來越多，人們已經(jīng)不滿足于室外的經(jīng)緯度二維定位，更希望對人、物做進一步的室內(nèi)準確定位。因此，室內(nèi)定位需求的應(yīng)用前景廣闊。

目前，GPS定位主要是室外定位，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于定位、導(dǎo)航、追蹤、調(diào)度等各領(lǐng)域。而室內(nèi)的定位如樓層、樓層具體位置點、準確停車點等室內(nèi)場景、對定位有很大的應(yīng)用需求[1]。因此，針對終端室內(nèi)定位系統(tǒng)，尤其是基于WiFi的室內(nèi)定位，做更詳細的需求、技術(shù)實現(xiàn)和實例應(yīng)用等闡述。

1 室內(nèi)定位系統(tǒng)

1.1 室內(nèi)定位系統(tǒng)的概念與基本應(yīng)用

基于位置的服務(wù)（Location Based Services，LBS）是指基于位置的服務(wù)系統(tǒng)。由于它在手機和電腦中普遍應(yīng)用，成為室內(nèi)定位系統(tǒng)的核心技術(shù)。LBS主要通過計算來確定用戶具體位置。對于定位技術(shù)的算法優(yōu)化、升級研究，國內(nèi)的部分高校如西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)及我國大型通信設(shè)備制造商中興通訊、華為都有大量技術(shù)人員在研究。同時，智能手機和其他智能設(shè)備、可穿戴設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉ钪械钠占?，與人們?nèi)粘Ｉ钪械囊隆⑹?、住、行等越來越緊密。新時代，人們希望生活越來越便利和智能，不斷提高生活品質(zhì)。位置服務(wù)尤其是室內(nèi)位置服務(wù)、全球位置服務(wù)和主動/被動位置服務(wù)，將成為生活的一部分。

所以，定位系統(tǒng)應(yīng)用的用戶體驗從室外定位延伸到室內(nèi)定位，從粗略定位到準確定位，從延時定位到實時定位，從專用設(shè)備定位到普及型智能手機定位，從人工停車到智能停車等，將結(jié)合室外定位與室內(nèi)定位的優(yōu)勢，實現(xiàn)位置信息的全覆蓋。此外，位置應(yīng)用也不限于位置信息的傳遞、追蹤、調(diào)度等擴展應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2 位置信息

定位系統(tǒng)中對一個位置進行描述時，會把這個位置信息分為兩類：物理層面的位置信息和相對抽象的位置信息。物理層面是指被測物體具有實際意義或能夠用數(shù)學(xué)來描述的位置信息，如地圖坐標，這是實實在在的可以量化的位置信息。相對抽象的位置信息如學(xué)校教學(xué)大樓的前面、位于鐘樓旁邊等較模糊的抽象位置。因此，許多定位系統(tǒng)從設(shè)計層面就考慮了位置信息的抽象和現(xiàn)實的不同?；趥鞲衅鞫ㄎ坏亩ㄎ幌到y(tǒng)，就是一種典型的物理位置定位系統(tǒng)。

2 室內(nèi)定位系統(tǒng)的分類

按照技術(shù)類型和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，LBS室內(nèi)定位系統(tǒng)可分為三大類——控制平面定位、GSM定位和自我報告定位。

2.1 控制平面定位

控制平面定位（Control Plane Locating）技術(shù)通常是利用幾個客戶在相對較近的距離內(nèi)且他們的手機服務(wù)基站距離近，利用電波信號的延遲來確定客戶的地理位置。整個過程中，由于控制平面定位利用了語音控制技術(shù)，導(dǎo)致傳播速度較慢，因此顧客定位的速度也會較慢。在一些歐洲國家，移動互聯(lián)網(wǎng)不采用大眾化的三邊定位技術(shù)，因此只能將單個基站應(yīng)用于LBS定位服務(wù)系統(tǒng)，采用的是精確度不高的半徑范圍來確定用戶或者其他智能電子產(chǎn)品的位置。相對來說，它一直是人們普遍認同的安全定位系統(tǒng)來定位智能手機的位置。

2.2 GSM定位

GSM定位（GSM Localization）主要的結(jié)構(gòu)模式由許多蜂窩基站構(gòu)成，通過蜂窩基站之間的相互聯(lián)系進行通信，把特定大小區(qū)域的移動網(wǎng)絡(luò)（通信區(qū)域）劃分為一個個的蜂窩小區(qū)，然后通過確定終端用戶與最近蜂窩基站的相對位置來匯報具體的定位信息。蜂窩基站通過接收信息的到達時間差或增強時間差，進一步確定用戶的地理位置。

2.3 自我報告定位

自我報告定位（Self-reported Positioning）被認為是定位追蹤投資成本相對較低的定位方式，其定位系統(tǒng)的對象是人、物。簡單來說，自我報告定位是LBS系統(tǒng)用戶進行自我提交位置信息的技術(shù)方案。

3 WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)

在移動終端設(shè)備的室內(nèi)定位系統(tǒng)中，WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)是近年來開發(fā)較多、應(yīng)用較廣的一種定位技術(shù)。目前，關(guān)于室內(nèi)定位，有基于Wifi、藍牙、Zigbee等相關(guān)方面的研究。但是，這些方案的實現(xiàn)方法都是基于某種組合，而WiFi一般當路由器使用。下面將闡述一種采用WiFi實現(xiàn)室內(nèi)定位的方案，并闡述如何將該技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)停車系統(tǒng)。方案實現(xiàn)的室內(nèi)定位全部采用WiFi技術(shù)（而非其他方案采用藍牙、Zigbee等做輔助），即無論是傳輸（WiFi AP）、組網(wǎng)（WiFi 錨點）或標簽（WiFi Tag），全部基于WiFi技術(shù)。

4 WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

下面以實例“基于WiFi的室內(nèi)實時定位系統(tǒng)在停車場的應(yīng)用”，闡述WiFi室內(nèi)定位的實現(xiàn)方法。

4.1 技術(shù)方案

圖1為方案拓撲圖。

圖1 系統(tǒng)拓撲圖

本方案WiFi實時定位系統(tǒng)主要由WiFi定位卡、無線局域網(wǎng)接入點AP（WiFi無線路由器）、WiFi標記（錨點）和后端監(jiān)控管理中心（Locating Server定位服務(wù)器）四部分組成。

4.2 各組成說明

4.2.1 WiFi定位卡

WiFi定位卡（即定位標簽）作為無線數(shù)據(jù)采集模塊和被定位人（或物）相連，系統(tǒng)通過跟蹤定位卡實現(xiàn)對人員、物的跟蹤定位。其中，定位卡可以是雙向標簽、也可是單向標簽工作模式，如表1所示。

主要功能如下：

（1）WiFi定位卡設(shè)置成STA模式；

（2）WiFi定位卡實時搜索并采集周圍WiFi AP錨點的RSSI值，通過與無線路由器AP相連上報數(shù)據(jù)；上報信息包括WiFi錨點的名稱和信號強度RSSI；

表1 標簽分類

（3）WiFi定位卡接收服務(wù)器下達的指令，并做相應(yīng)處理（僅限于支持雙向通信的WiFi定位卡）。

型態(tài)可以是各種WiFi設(shè)備，如支持WiFi的智能手機、Pad、WiFi模塊、車載WiFi、兒童機及WiFi模塊等。硬件支持WiFi 802.11a/b/g/n，軟件設(shè)置成STA客戶端工作模式，并配合上傳數(shù)據(jù)軟件。

4.2.2 無線局域網(wǎng)接入點AP

無線接入點AP支持802 11a/b/g/n，實時接收定位卡上報的WiFi標記（錨點）名稱、RSSI信息，并傳輸?shù)胶蠖说倪h端控制端。

無線路由器AP（Access Point）接入點具有一般無線路由器的基本功能外，還可以用來掃描周圍存在的WiFi設(shè)備，如WiFi Tag、WiFi終端、手機、PAD、筆記本及各種AP錨點等，擁有WiFi目標識別、數(shù)據(jù)采集和傳輸功能。

主要功能如下：

（1）WiFi定位卡（WiFi Tag）實時掃描，接收、下傳數(shù)據(jù)；

（2）WiFi定位卡的數(shù)據(jù)信息上傳（服務(wù)器），如AP錨點的ID名、RSSI信號強度等；

（3）下達服務(wù)器指令給WiFi定位卡（WiFi Tag），僅限于支持雙向通信的WiFi定位卡。

4.2.3 WiFi錨點

WiFi錨點就是普通的AP模塊，即AP1、AP2、…、APn。它當作AP熱點使用，配置成AP模式。它只用于發(fā)射WiFi信號，參與組網(wǎng)（布局位置信息）但并不參與數(shù)據(jù)交換，不和任何網(wǎng)絡(luò)相連。

主要功能是發(fā)送AP信息，如用戶名、RSSI信號強度、MAC地址等。

通過WiFi定位卡讀取WiFi錨點RSSI信號強度、上報服務(wù)器后，服務(wù)器根據(jù)定位算法給出WiFi定位卡的位置信息。

4.2.4 定位服務(wù)器與軟件（遠端控制端）

定位服務(wù)器（或遠端控制端）是一個基于Web的可視化軟件平臺。通過處理WiFi定位卡上傳的WiFi AP錨點信號RSSI強度，根據(jù)位置算法判斷WiFi定位卡所處具體位置，并在電子地圖中顯示。

主要功能如下：

（1）控制，用于實現(xiàn)與WiFi定位卡的通信；

（2）定位，基于獨有的高精度位置算法，根據(jù)WiFi定位卡上傳和接收的AP1名稱（用戶名）、AP2、…APn等及各個AP的無線信號強度RSSI，換算（或查找）出距離，并根據(jù)固定公式準確計算定位卡的位置；

（3）地圖位置顯示，根據(jù)RSSI信息進行數(shù)據(jù)分析、計算，顯示W(wǎng)iFi定位卡的位置信息，通過地圖顯示定位卡所在的具體位置；

（4）其他。

①用戶可通過該服務(wù)器的可視化軟件界面進行實時監(jiān)控、管理WiFi定位卡，如物和人的實時位置、移動軌跡和調(diào)度處理等；

②用戶可通過該服務(wù)器的可視化軟件界面，對WiFi定位卡、AP錨點和AP錨點的WiFi AP模塊參數(shù)等信息進行數(shù)據(jù)庫的增加、修改、刪除等。

4.2.5 定位算法

WiFi定位算法基于接收的WiFi信號強度（RSSI）查找距離。

定位卡周期性地給接入點AP發(fā)出采集到的周圍WiFi標記（AP錨點）信號，接入點AP再傳給遠端控制端服務(wù)器。服務(wù)器根據(jù)信號的強弱判斷WiFi定位卡距離WiFi標記（AP錨點）的距離遠近。通過至少3個WiFi標記（AP錨點）的信號強度（距離）算出WiFi標簽的位置坐標（x，y），并通過電子地圖顯示具體位置。

關(guān)于誤差。WiFi無線信號經(jīng)過反射后到達接收器，不是一條徑直的路徑，即數(shù)據(jù)的真實性存在偏差。源頭數(shù)據(jù)偏差給定位計算結(jié)果帶來了很大誤差，這種現(xiàn)象叫多徑。多徑效應(yīng)和其他無線傳輸一樣，這里不再贅述，可通過多次采集剔除無效數(shù)據(jù)選出合格數(shù)據(jù)。

4.3 實施方案（工作原理）

在室內(nèi)布置WiFi標記（AP錨點）網(wǎng)絡(luò)，為每個錨點編ID號碼，設(shè)定工作模式為AP模式，確定好室內(nèi)位置信息（如樓層、坐標）存儲在數(shù)據(jù)庫中，使AP錨點的位置與地圖位置相對應(yīng)。如GPS室外基站定位，采用基站定位的基站位置信息很重要。圖2為錨點布局示意圖。

每個錨點都有自己的參數(shù)（樓層、x坐標、y坐標），信號強度與位置關(guān)系如圖3所示，每個錨點都有坐標。

圖2 WiFi標記（錨點）布局圖一

圖3 WiFi標記（錨點）布局圖二

表2為信號強度與距離的關(guān)系。如圖4所示，單體AP錨點在O處，以O(shè)為圓心、OA為半徑的A處測得信號強度RSSI為-40 dBm，則OA距離是3 m。同理，B處測得信號強度RSSI為-90 dBm，則OB距離是30 m；以此類推。

表2 AP錨點信號強度與距離對應(yīng)表

圖4 AP錨點信號強度與距離示意圖

從圖5可以看出，采集的信號強度越大，距離目標錨點的距離越近。

圖5 信號強度與距離對應(yīng)關(guān)系示意圖

將此參數(shù)存于服務(wù)器，這是服務(wù)器計算距離的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。AP錨點的位置信息是電子地圖坐標位置的基礎(chǔ)。錨點信號強度RSSI和距離信息，是計算WiFi定位卡位置的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2-3]。

WiFi定位卡采集WiFi標記（AP錨點）信息，包括AP錨點用戶名稱、AP錨點信號強度RSSI和接收到信號時的時間戳。按照與服務(wù)器商定的數(shù)據(jù)包格式，通過無線局域網(wǎng)接入點AP發(fā)到后端服務(wù)器。以此類推，定位卡上報收集的所有AP錨點信息給服務(wù)器。

服務(wù)器數(shù)據(jù)計算過程。服務(wù)器接到數(shù)據(jù)后先篩選，剔除非法數(shù)據(jù)（主要是非法RSSI）、非法AP名稱（如非法錨點），篩出有用錨點、優(yōu)化數(shù)據(jù)（如找出信號最強的3個錨點）。篩選說明：如圖3所示，A1、A2、A3…、B1、B2、B3…和 C1、C2、C3…分別是 AP 錨點的坐標，在地圖上有對應(yīng)的具體位置坐標。動點M根據(jù)信號強度篩選出信號最強的三個錨點（理論上信號最強，距離最短），根據(jù)海倫公式計算出M點坐標位置（x，y），從而知道M點在地圖上所處的位置。

得出M點坐標（x，y），根據(jù)讀到的A2/B2的樓層信息，知悉M點樓層信息，進而給出M點所處的地圖位置。

為了進一步佐證M點坐標，還可繼續(xù)采集另外3點AP錨點數(shù)據(jù)，計算方法類似，求出M（x，y），再進一步優(yōu)化。

如果M點坐標變化，說明M點在運動，會產(chǎn)生運動軌跡。

服務(wù)器計算、顯示位置信息，并在地圖上顯示，如圖6所示。

圖6 移動點位置地圖顯示

服務(wù)器也可以下達指令，傳輸控制信息給M移動tag。tag收到控制信息后做相應(yīng)的反應(yīng)，這里不再贅述。

4.4 示例

如圖7所示，是一個典型煩人室內(nèi)定位應(yīng)用場景。

如圖8所示，為信息交互圖。其中，“京A 88818”為手機客戶端tag，要自動導(dǎo)航停車到車位標簽A1001為錨點的車位上（錨點是AP標簽），是利用RSSI與距離的關(guān)系原理實現(xiàn)的。

圖7 某室內(nèi)停車場系統(tǒng)應(yīng)用

圖8 客戶端、服務(wù)器端、車位標簽、數(shù)據(jù)庫消息交互流程圖

5 結(jié) 論

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展、4G/5G的普及以及WiFi性能的不斷提升，隨著高性能智能手機、車載系統(tǒng)的普及，WiFi將成為標準配置，WiFi終端室內(nèi)定位系統(tǒng)的應(yīng)用、發(fā)展將更廣闊。未來，WiFi定位系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用在社區(qū)服務(wù)、日常生活、大型商場、地下停車、室內(nèi)定位、人/物定位與調(diào)度和物聯(lián)網(wǎng)等各個領(lǐng)域。