基于無線局域網的室內可穿戴定位裝置應用

廖振華

（長沙理工大學 湖南省長沙市 410114）

在經濟迅猛發展與科學技術日新月異的今天，信息與定位等不同技術的應用也在自己的生活中得到了越來越普遍的發展。全球定位系統GPS 即為此類技術的成熟性代表，其優勢在于性能穩定、成本低廉且精度較高，在公眾日常生活中得到廣泛認知并熟練使用。與此同地，智能手機的優化普及速度加快，手機與信息、定位等技術的結合，使得各類智能系統為人們的生活帶來更多便利。

1 室內定位系統及可穿戴定位裝置的發展

1.1 室內定位系統的發展

室內定位系統在上一世紀90年代末期產生并迅速發展起來，當時公眾逐步意識到傳統的GPRS 技術較為落后且受到外界因素的不利影響導致其室內難以實現準確的定位。隨后對相關定位技術提升的研究開始深入，并由此大好形勢下取得了較豐富且優秀的研究成果。這之中以Active Badges 項目及優化后的Active Bats 項目，上述項目均成為當時較成熟且先進用于室內精準定位的系統。除此以外，微軟公司研究開發出Easy Living 定位項目及 Georgia Tech 項目，上述室內定位技術的實踐應用均在一定程度上改變當時公眾的生活、學習與工作，并且其便利性與準確性對照傳統的GPRS 系統遠遠為高。然而引起注意的是這些定位系統一定要利用專業化程度高的定位手段方可確保正常使用，同時其維護費用及使用成本較高，導致難以在全社會范圍內廣泛應用。

1.2 可穿戴定位裝置的發展

隨著通信技術和無線局域網的持續發展，現今基于局域網的室內定位技術也由此得到廣泛的應用，其優勢在于成本不高且實踐應用簡便。在這一過程中，可穿戴定位裝置產品開始在公眾生活中得到日益廣泛的實踐應用，用戶可以借助手機APP 并基于無線局域網精準定位終端位置，同時還有權設置電子圍欄，查度定位行走的過往軌跡。可穿戴定位裝置借助內部基于局域網接收得到的信號經過解析而明確定位信息，隨后把定位信息借助GPS 等傳達到遠端服務系統上。用戶利用手機APP 經由服務器掌握可穿戴定位裝置內的定位信息，且可以將該定位點在手機顯示出來。

現階段隨著人們收入及生活水平的持續攀升，更多的人開始重視健康并給予必要關注。為防范在室內環境下出現孩童走失、老人病發等突發事故，研發一種可對身體健康進行監測、精確定位及精準導航的可穿戴室內定位裝置十分必要。

2 基于無線局域網的室內可穿戴定位裝置工作流程與運用技術

2.1 工作流程

2.1.1 信號采集

基于無線局域網的室內可穿戴定位裝置開展信號的采集為該定位裝置有效發揮作用的前提條件。對照外界空曠廣闊的環境，該裝置主要作用于室內。室內空間狹窄、環境構成復雜、人員移動及室內物品、家具陳設等均可能對可穿戴裝置定位及其局域網信號傳播形成不利影響。鑒于此，該裝置采集信號要借助先進的專業設備，即利用高斯模型，分析并處理多個RSSI 數值后確定干擾性突出數據，借助臨界點常數以使其他不相關數據得以排除，并由此實現并提升采集信號的準確性，為該裝置基于無線局域網的室內定位提供基礎保障。

2.1.2 距離測定

基于無線局域網的室內可穿戴定位裝置開展距離測定，即借助局域網計算待測點和各個接入點彼此間的真實距離，將室內空間依照接裝置接入點的位置及信號傳輸特性將所在具體室內劃作多個測定區域，裝置定位的整個過程內依照上一接入點的信號強弱度以明確室內信號模型，繼而裝置可以明確定位室內待測點與接入點等的準確位置。

2.1.3 估計初始位置

就估計初始位置而言，其為可穿戴定位裝置估計為依照定位待測點與接入點二者間的距離來通過計算獲得待測點的定位。為確保可穿戴定位器基于局域網的定位更精準，該裝置借助幾何法計算室內待測點的真實位置，隨后得出初始位置。

2.1.4 結果修正

可穿戴定位裝置基于局域網的定位結果修正即更準確地對上一步得出的初始位置加以修正，以確保定位移動軌跡數值準確得到提升，為使用者提供更精準的室內空間定位。

2.2 技術運用

2.2.1 短程感應技術

短程感應這一技術用于可穿戴定位裝置中，其重點并非一味強調室內定位的精確性。其為借助信號采集這一方式來將被定位用戶放置于局域網的信號覆蓋面內并繪制出其活動距離及范圍，以明確其室內活動軌跡及空間，為可穿戴定位裝置后續定位提供收集信息及分析基礎。可穿戴定位裝置的實踐中，該項技術使可穿戴定位裝置利用基站標志及物理手段實現基于局域網的室內三維定位，同時也使可穿戴定位裝置實際信號的收集與明確得到高水平的發展。

2.2.2 三角定位技術

可穿戴定位裝置使用以基站移動終端信號明確定位，隨后該裝置依照所在地理位置信息以定位更準確的距離及位置，隨后定位結果呈現于可穿戴定位裝置中，且保持數據準確。

2.2.3 指紋識別技術

可穿戴定位裝置運用指紋識別以實現提取室內某一位置信號強度、空間譜及圖像等不同信息流，借助尋找與其關聯的室內位置后，整合信息成為一個獨特的指紋信息，以此識別對應的定位指紋據庫。依照可穿戴定位裝置基于局域網定位的實際需求查找數據信息以實現室內定位。

3 基于無線局域網的室內可穿戴定位裝置的應用

基于無線局域網的室內可穿戴定位裝置應用旨在為用戶提供一種可以實時以各種室內環境為切入點，對用戶的身體、疾病等信息進行監控，或是預防室內有情況突發而對室內目標人物開展更準確、更及時的定位。此類可穿戴定位裝置在各類公共室內空間如展廳、商場、圖書館、倉庫或超市等場所中也可確保實現精確定位。這種先進的、基于無線局域網的可穿戴室內定位裝置主要三個模塊構成，即前端、數據傳輸處理及終端三個主要模塊，如圖1。

圖1：系統結構框圖

3.1 前端模塊

前端模塊涵蓋有室內定位與心率檢測兩個子模塊。就室內精確定位而言，該裝置通常選取的核心處理系統為MTK2503，以此為前端系統的搭建提供保障。借助局域網和數據傳送處理來實現和終端交換相關信息。該模塊對心率的測量而言，通常借助基于光電容積脈搏波（PPG）的作業機理創建的心率傳感器完成采集與分析心率信息。該原理上從理論而言即與皮膚直接接觸的光電傳感器產生一束打在人體皮膚上的光，由基于血液可吸收特定波長的光線這一原理，每當心臟泵血之時，則血液則會大量吸收對應波長，借助測評反射/透射的光以明確當次對應的心跳頻率，隨后把波動信號借助接口傳輸到中央處理器中來獲得心率數值。

心率檢測這一子模塊由傳感器、信號采集與處理模塊、電源模塊及局域網牙傳送模塊等共同構成。這之中，光電心率傳感器主要用于感應相關人體脈搏發生的信號，信號采集與處理模塊則重點采集傳感信號并加以放大、濾波及整合，局域網傳送模塊主要作用為以脈沖信號為對象開展處理、保存及轉發。

3.2 數據傳輸處理模塊

該可穿戴定位設備系統完成數據處理主要依靠專屬的傳輸處理模塊，其涵蓋有搭建無線局域網的組網，為該設備前端及終端完善通信橋梁，同時明確信息的傳送模型，降低或消除多徑效應對定位信號產生的干擾。無線局域網的構成主要是多個AP。基于局域網信號指紋的可穿戴定位設備裝置，能在復雜且狹小的室內形成獨特的信號覆蓋圖。室內多個熱點同時將無線電磁信號對外發送時，由于信號本身存在多徑效應，其會依照室內環境形成各類反射、折射、繞射等不同的信息傳播效果，在室內不同位置形成一種獨特的以信號為對象的分布規律，這就是“特征指紋”。基于局域網信號指紋的可穿戴定位設備裝置即預先構建基于“特征指紋”的數據信息庫，并綁定于真實的室內位置，當操作基于局域網的可穿戴定位設備進行定位操作時，其采集到的信號則必然對應原數據信息庫中的某條具體的“指紋特征”，借助對數據庫記錄的匹配性查找出得到對應的定位。

該項定位主要由兩步構成，即指紋定位數據信息庫的離線建立及利用局域網定位時的數據庫查找匹配。就前者來說，數據庫離線構建立要先行在需要定位的室內均勻確立一系列信號采集點，每個點均可采集或感知多個 熱點 的 BSSID 及RSSI 信息樣本值，隨后在后臺處理與其坐標信息存放于指紋數據庫內；而后者則是用戶使用的移動終端在采集其位置的全部可感知熱點信號的強弱程度，隨后將室內信號指紋與數據庫加以匹配，借助相應算法得到最終定位。

3.3 終端模塊

終端模塊的主體本身即為APP，其借助JAVA 語言進行設計且可以完成包括室內室外定位信息的計算，隨后獲得手機終端及可穿戴設備裝置的定位及心率等不同信息等。該APP 由算法定位估算、歷史軌跡及顯示屏等組成，主要功能即顯示使用可穿戴定位裝置者所在建筑內的詳細地圖、手機對應的定位信息及可穿戴定位器的位置信息。隨后可穿戴設備把接收到的各位置信息發送至局域網后則獲得可穿戴定位器對應的具體定位數據。同理再借助測量本身與無線局域網內多個AP 的信號強弱程度進一步獲得精準度更高的定位。