基于RSSI的WiFi室內定位技術研究

張俊龍 劉暢 胡楊 薛靜怡 張旭

摘 要：近年來無線網絡和基于位置服務的迅速發展，定位不只局限在室外，室內定位也隨之流行起來。文章通過對比多種室內定位方法，得出了基于RSSI的WiFi室內定位技術相對于其他的定位技術來說無論從定位精度和效率方面還是成本方面都具有很大的優勢，它具有更強的穩定性。這種定位可以利用位置特征信息識別通過WiFi網絡中可以隨意獲得的接入點AP對移動終端進行定位，避免了對無線蜂窩網絡基站的依賴，同時也彌補了 GPS定位在建筑密集以及室內應用的限制，提高定位精度，降低配置成本，提高了設備的利用率，對實現低成本且高精度的室內定位系統具有重要的意義。

關鍵詞：無線網絡；WiFi室內定位；GPS

近年來越來越多的場所覆蓋著無線網絡，且覆蓋的面積也越來越廣。餐廳、博物館、圖書館、地下停車場等眾多場所都有免費的無線網絡，其無論是覆蓋范圍還是速度基本能滿足用戶。每一種定位技術、定位方法都有長處和短處，定位越精準，定位面積就越小，所以應該根據覆蓋范圍的大小、環境的復雜程度來選擇適合的技術。本文通過介紹、對比、分析藍牙[1]，紅外線[2]，WiFi這3種室內定位技術，提出了一種基于接收的信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）[3]的WiFi室內定位技術的較佳方案。

1 室內定位技術

1.1 藍牙室內定位技術

目前藍牙技術已經漸漸走向成熟，其應用范圍極其廣泛，并且藍牙短距離傳輸有精度較高、成本較低和傳輸功耗較低的特點。這種定位室內技術精度雖然不會被傳輸雙方之間的障礙物所影響，但是其對傳輸距離要求較高，只能是近距離傳輸，比如說小型的停車場或者會議室等場所，只要超過一定的傳輸距離其定位度會直線下降。所以藍牙定位只能在小范圍內實現物體的精確定位，在大型場所內無法應用。

1.2 紅外線室內定位技術

紅外線室內定位憑借著其極遠的傳輸距離以及較高的定位精度被我們所熟知，它是利用其特定的紅外線接收裝置來實現對物體的定位。然而紅外線室內定位技術的定位精度并不是無條件的，它只能在較為簡單的環境下實現高精度的定位。也就是說如果傳輸雙方之間障礙物較多，其定位精度會大幅度下降。并且紅外線所需要的傳輸設備較為昂貴，所以這種室內定位技術適合于軍事定位，無法在社會普及。

1.3 WiFi室內定位技術

WiFi室內定位技術隨著時代進步而出現的新型定位技術。該定位技術定位范圍在數百米以內，并且該類無線傳輸方式的穿透性較好適合于較為復雜的室內環境。WiFi室內定位技術是通過在布置幾個室內接入點（Access point，AP）與移動客戶端達到對室內物體的定位[4]。

2 WiFi室內定位技術優勢

WiFi的通信距離在開放性區域可以達到300 m，封閉區域為75～120 m，這相對于藍牙等技術具有很大的優勢，并且這個無線通訊距離對于室內空間來說已經足夠了，這也是WiFi室內定位得以實現的原因。WiFi室內定位技術是通過移動設備與無線網絡AP之間的無線信號交流來確定目標的位置從而實現定位，它的穿透力較紅外線定位技術好得多。

衡量定位有很多指標，主要包括定位的精度和覆蓋的范圍，位置精度和覆蓋面積是一對矛盾性指標。例如超聲波的定位精度可達到分米級別，但覆蓋范圍僅十幾米；WiFi和藍牙定位的精度大概是3 m，覆蓋范圍可以達到100 m；GMS系統雖然可以覆蓋幾千米，但定位精度也在100 m左右。由此可見，若要定位精度高，那定位的面積就會小?？紤]到室內定位范圍、精度、速度、設備價錢等因素，WiFi定位都是最合適的。

3 WiFi室內定位的原理及過程

3.1 WiFi特有的性質

（1）每個無線AP都有一個全球唯一的MAC地址，而且通常情況下無限的AP在一定時間內是不會移動的。（2）智能終端在WiFi設備開啟的情況下，即可掃描并收集周圍的AP信號，不管有沒有加密，是否已連接，都可以獲取到AP播出的MAC地址。（3）當智能設備離某一WiFi設備較近時，其對應的信號會變強，遠離時信號強度會變弱。

根據這些特點本文可以將多個WiFi設備放到不同的區域，根據每個WiFi設備在不同地點的信號強度的不同，劃分區域坐標。將這些坐標存入數據庫中，根據算法得出用戶的確切位置，然后發送到智能終端上，使用戶得到實時的位置信息。WiFi定位原理如圖1所示。

3.2 構建智能導航算法

基于WiFi定位的基本原理，首先要建立WiFi指紋數據庫，進行現場測試構建位置坐標，測量RSSI值，得到所需的數據庫。然后通過支持向量機建模，定位目標RSSI的反饋值與數據庫匹配，從而實現室內定位，并通過APP或微信公眾號將預測結果推送出去。其流程如圖2所示。

3.3 RSSI

RSSI指接收的信號強度指示，無線發送層的可選部分，用來判別鏈接的質量，以及是否加大廣播發送的強度。通過智能終端接收到的信號強弱，再由數據庫對返還回來的信息進行計算，從而估計信號點與接收點的距離一種定位技術。

3.4 基于RSSI的WiFi定位方法

基于RSSI的WiFi定位法的原理一般分為兩個階段：離線階段和在線階段。

3.4.1 離線階段

離線階段是信息采集位置信息數據庫的建立過程，這個數據庫也稱為無線電地圖用格網將定位區域劃分成若干個待測量的格網點，在每個格網點測量樣本點信號強度建立RSSI指紋數據庫，即：

式（1）中，L是接入點的個數；mac是接入點的物理地址；R為格網點接收到的信號強度；為樣本點的概率分布。

離線階段最主要的任務就是確定RSSI指紋和位置的對應點的建立。位置指紋法最常用的方法就是采用格網劃分，如圖3所示，測量區域被網格劃分為N個小區域，每個區域的四角分別為一個測量點，空間內有4個AP。AP一般被用來進行網絡通信，本文也可以利用它的信號強度值來進行定位。離線階段，對每個網格點進行數據采樣，通常在5 min以上，采樣間隔為0.5～1 s。采樣后得到來自每個AP的RSSI信號序列，再采用RSSI的平均值，經過信號特征值的提取工作，便可以得到每個格網點的RSSI指紋信息。

3.4.2 在線階段

本階段是基于位置指紋法的定位階段。用戶攜帶智能移動終端進入定位區域時，不可能剛好在格網點上，所以本階段本文主要的任務是采用一定的方法，對智能移動終端的位置進行較為精確的估計。當使用者進入該區域時，智能終端開始測量周圍AP的RSSI值，實時獲取WiFi的信號強度r。

測量完成后，智能終端將r值發送到網絡上的定位服務器中。再根據事先建立的RSSI指紋數據庫和匹配算法得出實時位置[5]。

綜上所述，基于RSSI的WiFi室內定位的兩個階段如圖4所示。

4 結語

WiFi室內定位技術中，每個AP熱定覆蓋的面積有100 m2，精度可達3 m，這既能滿足大型博物館的覆蓋面積，也能達到需求的精度。此外，WiFi設備造價成本低、難度小，且大多數智能手機都有連接WiFi的功能。本文結合了WiFi室內定位技術精度高、面積廣、成本低、速度快等特點，將該技術運用到博物館智能導覽系統中。

[參考文獻]

[1]王益健.藍牙室內定位關鍵技術的研究與實現[D].南京：東南大學，2015.

[2]趙世偉，馬少池，吳書明，等.紅外線與超聲波組合定位技術研究[J].價值工程，2014（14）：187-188.

[3]陳錫劍，程良倫.基于RSSI的功率匹配定位算法的研究與實現[J].傳感技術學報，2013（5）：709-714.

[4]BORENOVI? M，NE?KOVI? A，BUDIMIR D.Space partitioning strategies for indoor WLAN positioning with cascade-connected ANN structures.[J].International Journal of Neural Systems，2011（1）：1-15.

[5]王敬彬.室內定位RSSI空間建模與接收設備偏差研究[D].成都：西南交通大學，2017.