基于WLAN的圖書館定位系統(tǒng)研究

李春新 周亮 李凈

摘要：現(xiàn)有的WLAN室內(nèi)定位技術(shù)主要存在的問題：一方面由于房屋的內(nèi)部格局、結(jié)構(gòu)、材料等各不相同，有可能對室內(nèi)的定位精度產(chǎn)生影響導(dǎo)致偏差；另一方面，現(xiàn)有基于紅外線發(fā)射器、超聲波發(fā)射器等特定設(shè)備的定位方法需要較高的成本，價格昂貴而不能廣泛使用。針對上述問題設(shè)計了一個基于WLAN的圖書館定位系統(tǒng)，主要利用無線接收信號強度來進(jìn)行定位，該方法無須增加額外的硬件，減少了各種費用，且實用性很高。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；信號強度；路徑；損耗模型；無線局域網(wǎng)

中圖分類號：P315.69 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）05-0031-02

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)以及飛速進(jìn)步，使人們了解了更多關(guān)于在寬敞的室外進(jìn)行定位來獲得物體空間位置的技術(shù)，基本上解決了很多定位問題[1]。盡管在室外空間定位方面有了巨大的發(fā)展，但是絕大多數(shù)時間中，人們各種各樣的活動依然是在室內(nèi)完成的，比如說圖書館。然而就如今的定位方法以及條件而言，GPS定位方法不適合用在圖書館的室內(nèi)空間中，因為這種方法在室內(nèi)的誤差相對較大。因為在圖書館環(huán)境中，傳播的信號容易被物體遮擋，定位精度也會因此遭受很大的影響。所以，對于室內(nèi)繁雜且多變的環(huán)境，人們不得不研究室內(nèi)定位專用的算法和技術(shù)。

WLAN給圖書館室內(nèi)定位提供了良好的前提條件。如今，大多數(shù)圖書館都布置了無線局域網(wǎng)以及各種移動設(shè)備上都配置了無線網(wǎng)卡。通過計算距離的遠(yuǎn)近的變化的方法對物體進(jìn)行定位，不需要其他設(shè)備來輔助去計算同步時間和信號角度 [4]，從而大大降低了成本。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 室內(nèi)定位系統(tǒng)基本原理

無線定位就是利用節(jié)點之間信號的到達(dá)時間（Time of Arrival， TOA），信號的到達(dá)時間差（Time Difference of Arrival，TDOA），信號的到達(dá)角度（Angle of Arrival， AOA），以及接收信號強度（Received Signal Strength，RSS）來確定出位置的坐標(biāo)的方法[5-7]。

系統(tǒng)先是感知到對方的存在，檢測、測量和計算出TOA、AOA、RSS等數(shù)據(jù)，當(dāng)作位置測量的相關(guān)指標(biāo)傳送到定位服務(wù)程序[8]。然后，程序經(jīng)過特定的算法來估算得出終端位置（x，y，z）；最后顯示在終端上。

1.2 信號強度法

信號強度法（Received Signal Strength，RSS）原理：算出在發(fā)送傳播中的耗損，通過相關(guān)模型來計算得出大致的長度[9-10]。在空間內(nèi)，在離發(fā)射信號的位置d處的接收天線收到信號強度一般情況下可用下面這個公式求得出來：

[ΡRΡT=GTGRλ24π2d2L] （1）

其中：PT表示發(fā)射功率；PR表示接收功率；GT表示發(fā)射天線的增益；GR表示接收天線的增益；d表示著發(fā)射位置與待定位位置間的長度；λ表示信號的波長；L表示損失。

根據(jù)上述公式可以知道，接收功率隨距離的平方衰減。但是，該公式只是一個理想化模型，而在實踐中會更加復(fù)雜。

RSS方法與AOA方法、TOA方法比較后可以知道，RSS方法可以不用增加多余的設(shè)備去測量時間和角度，可以使用已有的基礎(chǔ)設(shè)施，大大減少了設(shè)備費用，所以，RSS方法現(xiàn)在已經(jīng)變成了研究的熱點。

2 定位過程及相關(guān)模型和算法

2.1 定位過程

首先，在無線局域網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，要確保3個或以上已知位置的接入點的信號要能夠被終端設(shè)備準(zhǔn)確接收到，然后，服務(wù)器會接受從終端發(fā)來的它所收的AP的相關(guān)數(shù)據(jù)。包括：時間、信號強度值、接收到的AP的MAC地址、傳輸速率等等。每個終端都會收集它能接收到的所有的信號強度相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)給服務(wù)器，為后面的處理做準(zhǔn)備。

然后，服務(wù)器系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)：在全部的接入點位置信息文件中，那些終端所能接收的接入點的位置信息都會被服務(wù)器讀取出來，然后依據(jù)定位算法計算出該終端的初始位置。

最后，通過分析數(shù)據(jù)對終端位置加以修正。這樣服務(wù)器就能得出該在WLAN范圍內(nèi)的終端的位置，再將位置信息返回給相對應(yīng)的終端。

2.2 模型介紹

目前已經(jīng)提出了很多數(shù)學(xué)模型，在很多地方都有了改進(jìn)。根據(jù)接入點的位置，接收的位置，功率等等，通過這些數(shù)據(jù)，接收強度就可以計算出來，計算接收強度使用的是“距離-損耗”模型。

“距離-損耗”模型公式如下：

[Ρ（d）=Ρ（d0）-10×n×log（dd0）+ζ] （2）

在公式2中，P（d）代表設(shè)備之間長度為d時的信號強度；n代表路徑損耗系數(shù)；d代表真實距離；d0代表參考距離；ζ代表遮蔽因子，是一個正太分布變量，主要用來減少強度誤差。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)描述

本系統(tǒng)是使用傳播模型的方法來實現(xiàn)定位。無線局域網(wǎng)優(yōu)點是有很大的覆蓋范圍，同時也有很便捷的網(wǎng)絡(luò)通信，這樣就可以很便捷的實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)模型如圖2，首先，選好需要定位的地方（有WLAN覆蓋），獲取接入點（AP）的位置信息；然后測量AP的RSS數(shù)據(jù)，經(jīng)過無線局域網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器；最后，服務(wù)器在收到數(shù)據(jù)之后，依據(jù)信號強度計算得到相對位置。

3.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的功能主要有：定位查詢功能和歷史信息查詢功能。定位查詢功能是最基本的功能：服務(wù)器收到請求，向終端設(shè)備返回相對位置；歷史信息查詢是查詢終端系統(tǒng)的定位歷史，為現(xiàn)實應(yīng)用提供大量的數(shù)據(jù)支撐。具體情況如下：終端收集所有AP信號的強弱程度，然后對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；位置顯示是為了實現(xiàn)把目標(biāo)位置顯示出來；如圖3所示，服務(wù)程序的功能包括：負(fù)責(zé)通信、發(fā)出查詢信息、收集定位結(jié)果信息。

圖3 位置查詢

4 結(jié)束語

本文分析了現(xiàn)有的WLAN室內(nèi)定位技術(shù)主要存在的問題，設(shè)計了一個基于WLAN的室內(nèi)定位系統(tǒng)，主要利用無線接收信號強度來進(jìn)行定位，該方法無須增加額外的硬件，節(jié)省了投資，實用性很高。該系統(tǒng)可以應(yīng)用到智能圖書館，智能倉儲，智能物流等領(lǐng)域，能降低運營成本，提高效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] Want R，Hopper A，Gibbons J.The active badge location system；ACM Trans[J].ACM Transactions on Information Systems，1992，10（1）：91-102.

[2] Ward A， Jones A，Harper A. A New Location Technique for the Active Office[J].IEEE Personal Communications， 1997，4（5）：42-47.

[3] Priyantha N B，Chakraborty H， The Cricket Location-Support System[C]//.Proceeding of MOBICOM 2000， Boston， MA， ACM Press， August 2000.

[4] 張明華，張申生，曹健.無線局域網(wǎng)中基于信號強度的室內(nèi)定位[J].計算機(jī)科學(xué)，2007，34（6）：68-75.

[5] Bahl P， Padmanabhan V.RADAR：an In-Building RF-Based User Location and TR Acking System[C]//.IEEE 9th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies， Tel Aviv， Israel，Mar.2000.

[6] 曹博.基于物聯(lián)網(wǎng)的物流實時定位系統(tǒng)[J].信息技術(shù)，2018，42（10）：103-106.

[7] Madigan D， Elnahrawy E，Martin R，Bayesian Indoor Positioning System[C]//.Proceedings of the 24th Annial Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies，Pisctaway，NJ，USA：IEEE，2005

[8] Xiang Z， Song S， Chen J， et al.A Wireless LAN-based Indoor Positioning Technology[J].IBM Journal of Research and Development，2004，48（5-6）：617-626

[9] 黃豐勝，肖廈，成芳，等.基于RSSI的Wi-Fi室內(nèi)定位常用算法對比[J].信息技術(shù)，2017（12）：73-75.

[10] 李楨，黃勁松.基于RSSI抗差濾波的WiFi定位[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2016，41（3）：361-366.

【通聯(lián)編輯：梁書】