基于WiFi終端的室內定位系統及其應用

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，人們已經不滿足于室外的經緯度二維定位，更希望對人、物做進一步的室內準確定位。因此，室內定位需求的應用前景廣闊。

目前，GPS定位主要是室外定位，已經廣泛應用于定位、導航、追蹤、調度等各領域。而室內的定位如樓層、樓層具體位置點、準確停車點等室內場景、對定位有很大的應用需求[1]。因此，針對終端室內定位系統，尤其是基于WiFi的室內定位，做更詳細的需求、技術實現和實例應用等闡述。

1 室內定位系統

1.1 室內定位系統的概念與基本應用

基于位置的服務（Location Based Services，LBS）是指基于位置的服務系統。由于它在手機和電腦中普遍應用，成為室內定位系統的核心技術。LBS主要通過計算來確定用戶具體位置。對于定位技術的算法優化、升級研究，國內的部分高校如西安電子科技大學、電子科技大學及我國大型通信設備制造商中興通訊、華為都有大量技術人員在研究。同時，智能手機和其他智能設備、可穿戴設備在人們日常生活中的普及，與人們日常生活中的衣、食、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。位置服務尤其是室內位置服務、全球位置服務和主動/被動位置服務，將成為生活的一部分。

所以，定位系統應用的用戶體驗從室外定位延伸到室內定位，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，將結合室外定位與室內定位的優勢，實現位置信息的全覆蓋。此外，位置應用也不限于位置信息的傳遞、追蹤、調度等擴展應用領域。

1.2 位置信息

定位系統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學來描述的位置信息，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校教學大樓的前面、位于鐘樓旁邊等較模糊的抽象位置。因此，許多定位系統從設計層面就考慮了位置信息的抽象和現實的不同。基于傳感器定位的定位系統，就是一種典型的物理位置定位系統。

2 室內定位系統的分類

按照技術類型和應用領域的不同，LBS室內定位系統可分為三大類——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）技術通常是利用幾個客戶在相對較近的距離內且他們的手機服務基站距離近，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，導致傳播速度較慢，因此顧客定位的速度也會較慢。在一些歐洲國家，移動互聯網不采用大眾化的三邊定位技術，因此只能將單個基站應用于LBS定位服務系統，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來定位智能手機的位置。

2.2 GSM定位

GSM定位（GSM Localization）主要的結構模式由許多蜂窩基站構成，通過蜂窩基站之間的相互聯系進行通信，把特定大小區域的移動網絡（通信區域）劃分為一個個的蜂窩小區，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，其定位系統的對象是人、物。簡單來說，自我報告定位是LBS系統用戶進行自我提交位置信息的技術方案。

3 WiFi室內定位系統

在移動終端設備的室內定位系統中，WiFi室內定位系統是近年來開發較多、應用較廣的一種定位技術。目前，關于室內定位，有基于Wifi、藍牙、Zigbee等相關方面的研究。但是，這些方案的實現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實現室內定位的方案，并闡述如何將該技術應用于室內停車系統。方案實現的室內定位全部采用WiFi技術（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（WiFi 錨點）或標簽（WiFi Tag），全部基于WiFi技術。

4 WiFi室內定位系統的實現方法

下面以實例“基于WiFi的室內實時定位系統在停車場的應用”，闡述WiFi室內定位的實現方法。

4.1 技術方案

圖1為方案拓撲圖。

圖1 系統拓撲圖

本方案WiFi實時定位系統主要由WiFi定位卡、無線局域網接入點AP（WiFi無線路由器）、WiFi標記（錨點）和后端監控管理中心（Locating Server定位服務器）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）作為無線數據采集模塊和被定位人（或物）相連，系統通過跟蹤定位卡實現對人員、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相連上報數據；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定位卡接收服務器下達的指令，并做相應處理（僅限于支持雙向通信的WiFi定位卡）。

型態可以是各種WiFi設備，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，軟件設置成STA客戶端工作模式，并配合上傳數據軟件。

4.2.2 無線局域網接入點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，并傳輸到后端的遠端控制端。

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、數據采集和傳輸功能。

主要功能如下：

（1）WiFi定位卡（WiFi Tag）實時掃描，接收、下傳數據；

（2）WiFi定位卡的數據信息上傳（服務器），如AP錨點的ID名、RSSI信號強度等；

（3）下達服務器指令給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。它只用于發射WiFi信號，參與組網（布局位置信息）但并不參與數據交換，不和任何網絡相連。

主要功能是發送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、上報服務器后，服務器根據定位算法給出WiFi定位卡的位置信息。

4.2.4 定位服務器與軟件（遠端控制端）

定位服務器（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，并根據固定公式準確計算定位卡的位置；

（3）地圖位置顯示，根據RSSI信息進行數據分析、計算，顯示WiFi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用戶可通過該服務器的可視化軟件界面進行實時監控、管理WiFi定位卡，如物和人的實時位置、移動軌跡和調度處理等；

②用戶可通過該服務器的可視化軟件界面，對WiFi定位卡、AP錨點和AP錨點的WiFi AP模塊參數等信息進行數據庫的增加、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器。服務器根據信號的強弱判斷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。

關于誤差。WiFi無線信號經過反射后到達接收器，不是一條徑直的路徑，即數據的真實性存在偏差。源頭數據偏差給定位計算結果帶來了很大誤差，這種現象叫多徑。多徑效應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據選出合格數據。

4.3 實施方案（工作原理）

在室內布置WiFi標記（AP錨點）網絡，為每個錨點編ID號碼，設定工作模式為AP模式，確定好室內位置信息（如樓層、坐標）存儲在數據庫中，使AP錨點的位置與地圖位置相對應。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（樓層、x坐標、y坐標），信號強度與位置關系如圖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系。如圖4所示，單體AP錨點在O處，以O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關系示意圖

將此參數存于服務器，這是服務器計算距離的基礎數據。AP錨點的位置信息是電子地圖坐標位置的基礎。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數據[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。按照與服務器商定的數據包格式，通過無線局域網接入點AP發到后端服務器。以此類推，定位卡上報收集的所有AP錨點信息給服務器。

服務器數據計算過程。服務器接到數據后先篩選，剔除非法數據（主要是非法RSSI）、非法AP名稱（如非法錨點），篩出有用錨點、優化數據（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，在地圖上有對應的具體位置坐標。動點M根據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，還可繼續采集另外3點AP錨點數據，計算方法類似，求出M（x，y），再進一步優化。

如果M點坐標變化，說明M點在運動，會產生運動軌跡。

服務器計算、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的反應，這里不再贅述。

4.4 示例

如圖7所示，是一個典型煩人室內定位應用場景。

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與距離的關系原理實現的。

圖7 某室內停車場系統應用

圖8 客戶端、服務器端、車位標簽、數據庫消息交互流程圖

5 結 論

隨著通信技術的不斷發展、4G/5G的普及以及WiFi性能的不斷提升，隨著高性能智能手機、車載系統的普及，WiFi將成為標準配置，WiFi終端室內定位系統的應用、發展將更廣闊。未來，WiFi定位系統將廣泛應用在社區服務、日常生活、大型商場、地下停車、室內定位、人/物定位與調度和物聯網等各個領域。