WiFi技術(shù)的人員定位安全系統(tǒng)

蘇州中材建設(shè)有限公司 黃松濤

隨著人們的安全意識(shí)不斷提升，工廠作業(yè)時(shí)對(duì)人員的安全工作變得愈發(fā)的重要。而靠人力去監(jiān)督員工們的安全，在高開銷的同時(shí)，即存在不可靠性，也不能實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)員工實(shí)時(shí)的進(jìn)行監(jiān)控。因此急需要一套電子系統(tǒng)來(lái)對(duì)人員位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并發(fā)出警告。同時(shí)也在WiFi技術(shù)不斷提升，WiFi使用不斷普及，其精度、覆蓋范圍等性能不斷提升的情況下，我們選擇了基于WiFi技術(shù)的人員定位安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要利用與WiFi連接的智能手機(jī)進(jìn)行定位，在客戶端上有可導(dǎo)入修改的工廠3D模型，通過(guò)定位的人員也會(huì)反映在模型上，管理員能只管檢測(cè)到員工的位置。當(dāng)施工人員被定位到危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)。

1 WiFi定位方案

整個(gè)人員定位安全系統(tǒng)是在WiFi環(huán)境下進(jìn)行的，每個(gè)人員都需要攜帶一部智能手機(jī)與WiFi相連接。無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN，又稱WiFi）WiFi是一種短程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、傳輸速度快、危害小、成本低、容易搭建和管理等優(yōu)點(diǎn)。WiFi定位與ZigBee定位以及RFID定位相比，在成本低的同時(shí)更具有傳輸速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可管理性強(qiáng)多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如表1所示。

表1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的對(duì)比

2 定位原理

WiFi定位方法按照是否基于RSSI（信號(hào)強(qiáng)度）分為兩大類。不基于信號(hào)強(qiáng)度RSSI的方法有根據(jù)TOA（time ofarrival，到達(dá)時(shí)間）、TDOA（time difference of arrival，時(shí)差）、AOA（angle of arrival，到達(dá)角）這些參數(shù)進(jìn)行的定位，但這些參數(shù)既需要特殊的WiFi模塊，智能手機(jī)上又不易獲取，因此不采用這類方法。

為了使用RSSI方法，該系統(tǒng)需要讓整個(gè)監(jiān)控區(qū)域都覆蓋在自己搭建的WiFi環(huán)境下進(jìn)行，并合理的設(shè)置多個(gè)AP(Access Point，一般翻譯為“無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)”，或橋接器)節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的是在工廠兩側(cè)邊，直線分布地每隔五米布置一臺(tái)AP節(jié)點(diǎn)。在覆蓋WiFi的空間中，員工攜帶的智能手機(jī)接受最近的多個(gè) AP發(fā)出的信號(hào)，通過(guò)手機(jī)系統(tǒng)SDK獲取各個(gè)AP節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度RSSI以及AP地址。 再通過(guò)IEEE802.11n協(xié)議把獲取到的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。服務(wù)器中存有每個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的地理位置數(shù)據(jù)，根據(jù)手機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的信息匹配上AP節(jié)點(diǎn)的位置以及每個(gè)AP節(jié)點(diǎn)到手機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度RSSI，經(jīng)過(guò)人員定位算法計(jì)算出每個(gè)人員的位置。

3 人員定位算法

基于WiFi信號(hào)強(qiáng)度RSSI的定位算法有兩種：三角定位算法和指紋算法。三角定位算法是根據(jù)信號(hào)衰減模型估算出手機(jī)與周圍至少三個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的距離，以AP節(jié)點(diǎn)為圓心估算的距離為半徑畫圓，由三個(gè)圓形的交點(diǎn)確定設(shè)備的位置。三角定位的前提是已知所有AP節(jié)點(diǎn)的所在位置。三角定位算法分為兩個(gè)步驟，分為測(cè)距和定位。

3.1 RSSI算法測(cè)距

無(wú)線信號(hào)的發(fā)送功率與收發(fā)單元之間的距離關(guān)系如式(1)所示。

其中，PR表示無(wú)線信號(hào)的接受功率、A為信號(hào)傳輸1m遠(yuǎn)時(shí)接收信號(hào)的功率、r是收發(fā)單元的間距，n為傳播因子。再現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用智能手機(jī)與AP節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)試，最終得到RSSI與收發(fā)單元間距n的具體公式，如公式(2)所示。

3.2 三角定位法

根據(jù)RSSI算法計(jì)算出智能手機(jī)與最近的三個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的距離dA，dB，dC后，再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)中找到每個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置{(xA,yA),(xB,yB),(xC,yC)}，以AP節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置為圓心，節(jié)點(diǎn)到手機(jī)的距離為半徑畫圓。三個(gè)圓形交于一點(diǎn)，即為定位結(jié)果。

圖1 三角定位法的實(shí)際情況

但只有在理想情況下三個(gè)圓才會(huì)交于一點(diǎn)，及方程有唯一解。實(shí)際在工廠定位時(shí)，WiFi信號(hào)會(huì)因?yàn)檎系K物、噪聲等因素帶來(lái)偏差，三圓一般是不會(huì)交于一點(diǎn)的。因?yàn)檎系K物通常對(duì)電磁波信號(hào)有吸收作用，測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度RSSI會(huì)比實(shí)際值偏小，計(jì)算后的距離及圓的半徑會(huì)偏大，所以實(shí)際繪制出的模型如圖1所示。

三個(gè)圓兩兩相交有六個(gè)交點(diǎn)，取中心的三組解，設(shè)為P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3)。為了求得人員的位置，通常質(zhì)心定位算法如式(3)所示。

dA,dB,dC,為P到節(jié)點(diǎn)ABC的距離。加權(quán)質(zhì)心定位優(yōu)化算法提高了計(jì)算精度但誤差依舊比較大。為了反應(yīng)出距離越小權(quán)值越高的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到三個(gè)節(jié)點(diǎn)的局限性，之后按照具體情況合理選用多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量N>3時(shí)可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)i的權(quán)值為：

再根據(jù)節(jié)點(diǎn)距離調(diào)節(jié)權(quán)重，得到權(quán)值ωk為：

得人員的位置坐標(biāo)為：

4 測(cè)試結(jié)果與分析

為了對(duì)該系統(tǒng)的wifi定位功能的精度進(jìn)行測(cè)試，我們安排人員來(lái)到了工廠進(jìn)行了測(cè)試， 經(jīng)過(guò)多次重復(fù)測(cè)試可以得出一下結(jié)果，如表2所示。

表2 無(wú)線wifi定位算法的測(cè)試數(shù)據(jù)

由上表2可得出，雖然wifi定位存在誤差，改進(jìn)定位算法有效的提高了定位精度。

結(jié)束語(yǔ)：近年來(lái)，安全問(wèn)題越來(lái)越得到人們的重視，在工廠作業(yè)時(shí)安全問(wèn)題尤為突出?；赪iFi技術(shù)的人員定位系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)員工位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠彌補(bǔ)人力監(jiān)控的局部性、不可靠性，在保證員工們安全的同時(shí)也減小了管理成本。本文提出的基于WiFi技術(shù)的人員定位系統(tǒng)是根據(jù)手機(jī)與鄰近多個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI進(jìn)行測(cè)距，并用三角定位算法計(jì)算出具體位置。該系統(tǒng)已經(jīng)投入到具體水泥工廠開始使用，使用過(guò)程總驗(yàn)證了其定位效果精確有效，能夠做到當(dāng)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)時(shí)發(fā)出警報(bào)。