WIFI室內定位系統原理和應用

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WIFI實時定位是利用現有的無線網絡，配合WIFI標簽和相關的移動終端設備比如WIFI手機，PDA,筆記本電腦等，再結合相應的定位算法，來確定相關人員和物品位置的一種定位技術. WIFI實時定位系統系統構成分為硬件部分和軟件部分，其中硬件部分包含AP和標簽。

本文介紹如下內容：

1、WIFI定位和其他定位技術對比

2、WIFI定位簡介

3、WIFI定位系統架構和算法

4、WIFI定位系統的應用實例

11   WIFI定位和其他定位技術對比

到目前為止應用最廣泛的還是“全球衛星定位系統（GNSS），用戶需要手持接收器或者是在汽車上、輪船上、飛機上等安裝接收器接受衛星信號，從衛星接收信號后從而來計算出位置。GNSS定位如果想計算出位置，必須要在空曠范圍且沒有什么阻擋的地方，滿足至少從3顆衛星中獲取信號。現在的公共場所越來越大，現代化程度越來越高，GNSS定位的不足之處已經逐漸顯現出來，已經不能滿足這些場所。比如說商場內不能進行定位，客戶找商品比較麻煩。地下車庫不能進行定位，車主不知道哪里有空的車位，停車難等。到這個時候，WIFI精準定位就派上用場了，WIFI網絡能像GNSS一樣發出信號，客戶的電腦、手機、IPAD等移動終端都能接受信號，WIFI精準定位就是解決現在的公共場所出現的定位問題，應用范圍廣、門檻低。自從兒童定位電話手表的問世以來，越來越多人問什么是WIFI定位，WIFI定位跟其他定位的區別在哪兒？ 1.以往定位設備一般支持：GNSS+LBS定位。GNSS就是用“全球衛星定位系統（GPS）進行定位。衛星定位是最[敏感詞]的，差錯5-30米，但缺陷也很明顯，耗電。LBS是基站定位，通過設備里邊裝置的SIM卡進行定位，定位到這個SIM卡所搜索到的鄰近基站塔，不管是單基站定位，還是多基站定位，都會有差錯，差錯大小取決于鄰近基站掩蓋密度。在一些鄉村基站定位常常差錯1-2公里，城市中大約200-500米。

    2.WIFI定位：是通過掃描到設備鄰近的WIFI MAC地址進行定位，設備上傳WIFI MAC地址到服務器。服務器解分出這個WIFI MAC地址對應的經緯度，數據來自于第三方平臺或程序本身數據采集。WIFI定位差錯或許30-500米，但WIFI定位需要程序過濾許多判斷，過濾一些隨身WIFI，車載WIFI等。

     3.WIFI精準定位與GNSS定位的比較:

1）GNSS定位主要應用于室外，比較空曠的地方。WIFI精準定位應用于室內，公共場所的定位不受影響。

2）GNSS定位設備成本相對較高，而wifi精準定位價格便宜。

3）GNSS 定位精度高。定位精度：GNSS定位>WIFI定位>LBS基站定位。

無線定位技術性能對照表：

技術	應用設備	定位時間	定位精度	通信
Wifi定位	手機/電腦/ipad	1秒以內	30-500米	手機
GNSS定位	導航定位設備	1秒/30秒	普通：5-10米 高精度：0.01米	僅北斗支持通信
基站定位	手機	3分鐘	鄉村：1-2公里， 城市：200-500米	手機

4.GNSS定位，基站LBS定位，WIFI定位耗電量怎么樣呢？

 GPS耗電量最大，其次是WIFI(定位速度快)，最后是LBS基站。所以許多產品為了電池能用的更久又想定位比基站[敏感詞]，就使用WIFI定位。

12   WIFI定位簡介

手機是怎么通過Wifi定位的？關閉GPS定位功能后，發現自己的位置信息還可以被獲取。手機可以通過WiFi來定位嗎,是如何實現的？WiFi能夠對用戶進行定位。因為在Android、iOS和Windows Phone這些手機操作系統中內置了位置服務，由于每一個WiFi熱點都有一個[敏感詞]的Mac地址，智能手機開啟WiFi后就會自動掃描附近熱點并上傳其位置信息，這樣就建立了一個龐大的熱點位置數據庫。這個數據庫是對用戶進行定位的關鍵。如果你的智能手機連接上了某個Wi-Fi熱點，那么就可以調用數據庫中附近所有熱點的地理位置信息，而服務器會參考每個熱點的信號強弱計算出設備的大致地理位置。一、WiFi定位的原理具體來說，WiFi能夠定位，原理是這樣的:1、每一個無線AP(路由器)都有一個全球唯一的MAC地址,并且一般來說無線AP在一段時間內不會移動;2、設備在開啟Wi-Fi的情況下,即可掃描并收集周圍的AP信號，無論是否加密,是否已連接，甚至信號強度不足以顯示在無線信號列表中，都可以獲取到AP廣播出來的MAC地址;3、設備將這些能夠標示AP的數據發送到位置服務器,服務器檢索出每一個AP的地理位置,并結合每個信號的強弱程度,計算出設備的地理位置并返回到用戶設備;4、位置服務商要不斷更新、補充自己的數據庫，以保證數據的準確性。二、位置服務數據庫的搭建數據庫中的數據主要來自于兩個方面，一是用戶提交的數據。Android手機用戶在開啟“使用無線網絡定位”時會提示是否允許使用Google的定位服務，如果允許，用戶的位置信息就被谷歌(微博)收集到。iPhone則會自動收集WiFi的MAC地址、GPS位置信息、運營商基站編碼等，并發送給蘋果公司的服務器。同時谷歌、Skyhook兩家位置服務提供商也在主動搜集WiFi等熱點的位置信息。Google的街景拍攝車有一個重要的功能就是采集沿途的無線信號,并打上通過GPS定位出的坐標回傳至服務器。Skyhook在美國及歐洲一些國家也是直接開著信號采集車采集AP和基站的信號數據。

23   WIFI定位系統架構和算法

1、系統結構定位系統的架構如圖1所示，服務器端主要負責 存儲地圖、指紋信息。有些系統定位計算都在服務 器端進行，移動終端只需將收集到的Wi-Fi信息發送 給服務器，服務器將定位結果返回客戶端。客戶端 需要運行客戶端軟件。

圖1 定位系統架構

2.系統流程
具體的Wi-Fi定位方法有很多，但主要的過程都 大同小異。Wi-Fi室內定位系統的流程如圖2所示。算法定位主要分為兩個過程：采樣過程和定位過程。
采樣過程:系統在環境中均勻的選取若干個點 作為參考點，在這些參考點上采樣能收集到的AP的 RSSI(信號強度)值，一般將這些RSSI值的分布特征連 同參考點的坐標一同存入指紋數據庫。
定位過程：移動終端打開Wi-Fi掃描，將掃描得 到的結果放入指紋庫進行匹配，選出一定數量的點 來估算終端當前所在的位置。

3. WIFI定位算法
1）接收信號強度指示（RSSI）
基于RSSI定位算法，是通過測量發送功率與接收功率，計算傳播損耗。利用理論和經驗模型，將傳播損耗轉化為發送器與接收器的距離。該方法易于實現，無需在節點上安裝輔助定位設備。當遇到非均勻傳播環境，有障礙物造成多徑反射或信號傳播模型過于粗糙時，RSSI測距精度和可靠性降低，有時測距誤差可達到50%。一般將RSSI和其他測量方法綜合運用來進行定位。
2）位置指紋定位算法是當前最被廣泛使用的算法，它的原理是通過離線階段，設置很多個定位參考點，記錄此時的射頻信號強度RSSI（Received Signal Strength Indication）以及物理地址，進而將所有的數據集合建成一個位置指紋數據庫。在線定位時，根據接收到的定位點的RSSI以及物理地址（Mac地址）在指紋數據庫進行匹配，找到與之最接近的幾個參考點，然后再根據相應的匹配算法估算出定位點的位置。由于位置指紋定位算法具有較高[敏感詞]度、不需要硬件添加、算法效率高、抗環境干擾強、成本低等優點而成為學者研究的重點。
3）位置指紋點算法
正如上文中所述，位置指紋定位技術分為兩個階段：離線訓練階段和在線定位階段。第一個階段的主要任務是在定位范圍內設置若干個參考點，而參考點的分布一般為網格分布，然后在每個定位參考點測量不同的接入點（AP）的RSSI強度，將此參考點的RSSI以及它的位置信息（Mac地址）全部記錄下來，進而構成指紋數據庫。第二個階段是在線定位階段，在線定位階段是利用定位移動終端在定位點接收到的RSSI以及此時的Mac地址，接著根據相應的匹配算法來判斷指紋數據庫中哪些定位參考點的數據跟它相似，接著利用一組或者幾組相似的數據的定位參考點來估算出實際的定位點。
離線定位階段的任務是建立一個指紋數據庫，而這個指紋數據庫的數據的數量和準確度決定在線定位時的精度，然而為了提高定位的準確度，必須有足夠多的數據量作為支撐，但是為了有足夠多的數據，就必須設置足夠多的參考點，這樣的話就需要耗費大量的人力，因此離線定位階段一個重要的難題就是如何在保證精度的前提下最大限度的減少離線階段的工作量。
在線階段的任務是當定位點測量得到相應的RSSI以及Mac地址后，根據一定的匹配算法從而匹配出數據相似的定位參考點，然后根據這些參考點估算出定位點的位置。因此提高定位的準確度的關鍵就是找到一個[敏感詞]的匹配算法，當前存在的確定性定位算法主要有NN、KNN、WKNN、支持向量機算法等。

  基于Wi-Fi的無線局域網實時定位系統（Wi-Fi RTLS）結合無線局域網絡(WLAN)、射頻識別(RFID)和實時定位等多種技術，廣泛地應用在有無線局域網覆蓋的區域，實現復雜的人員定位、監測和追蹤任務，并準確搜尋到目標對象，實現對人員和物品的實時定位和監控管理。

34   WIFI定位系統的應用實例

無線局域網（WLAN）介紹

 無線局域網（WLAN，又稱Wi-Fi）是在不采用傳統電纜線的同時，提供傳統有線局域網的所有功能，網絡所需的基礎設施不再埋在地下或隱藏在墻里，網絡卻能夠隨著你的需要移動或變化。與有線網絡相比，WLAN最主要的優勢在于不需布線，不受布線條件的限制，因此非常適合移動辦公用戶的需要。目前它已經從傳統的醫療保健、庫存控制和管理服務等特殊行業向更多行業拓展，甚至開始進入家庭以及教育機構等領域。 無線局域網是基于國際IEEE 802.11標準。標準規定無線網絡發射功率不可超過100毫瓦，實際發射功率約60~70毫瓦，手機的發射功率約200毫瓦至1瓦間，手持式對講機高達5瓦。無線網絡使用方式并非像手機直接接觸人體，對人體是安全的。 一般WLAN能覆蓋的范圍應視環境的開放與否而定。若不加外接天線，在視野所及之處約250米；若屬半開放性空間，有間隔的區域，則約35~50米左右。加上外接天線，則距離可達更遠，這與天線增益值相關，需視用戶需求而定。  AP為Access Point簡稱，一般翻譯為“無線訪問節點”，或“橋接器”。它主要在媒體存取控制層MAC中扮演無線工作站及有線局域網絡的橋梁。有了AP，就像一般有線網絡的Hub一般，無線工作站可以快速且輕易地與網絡相連。 

工作原理  在覆蓋無線局域網的地方，佩戴在人員身上的定位卡或腕帶周期性地發出信號，無線局域網訪問點（AP）接收到信號后，將信號傳送給定位服務器。定位服務器根據信號的強弱或信號到達時差判斷出人員的位置，并通過電子地圖顯示具體位置。                                             

                 圖1. 基于無線局域網（Wi-Fi）的實時定位系統工作原理示意圖系統組成無線局域網實時定位系統構架如下圖所示：

                                           

                                                                                                        圖2. RTLS系統架構圖  如上圖所示，無線局域網實時定位監控系統（Wi-Fi RTLS）主要由定位卡或腕帶（Wi-Fi Tag）、無線局域網接入點(AP：Access Point）)和后端監控管理中心（（Locating Server定位服務器）三部分組成。無線局域網接入點可以使用任何支持802.11b的產品。   1)定位卡或腕帶作為無線數據采集模塊佩戴在人員身上或物品上，系統通過對標簽的跟蹤實現對人員和資產的跟蹤定位。可以根據需要設計不同的外形，腕帶、胸卡等以適應不同需求。   2)AP采用2.4GHz頻段，支持802.11b/g模式，及時采集卡或腕帶的信息，傳輸到后端的監控中心，對定位卡或腕帶進行控制管理。   3)安裝了定位服務器軟件系統的監控管理中心，主要實現實時數據分析處理。分析管理定位卡或腕帶數據，通過控制中心的電子地圖監視并及時顯示各現場定位卡或腕帶的位置，數據可同時存入存儲數據庫，監控人員可以通過計算機訪問存儲服務器查詢人員或物品的實時位置信息，報警信息，及某段時間內的移動軌跡等。 

網絡結構 基于定位的無線局域網絡有別于一般的通訊網絡，要求在任一位置點，均可以收到3個以上的AP信號。AP主要分為主通訊AP與定位AP，主通訊AP負責服務器與通訊AP之間的數據交換和傳輸，所有主通訊AP必須通過網線進行連接。定位AP，主要負責收集標簽信息，并將結果發送給指定服務器，

                             

圖3. 無線局域網實時定位系統（Wi-Fi RTLS）網絡拓撲結構圖

 

功能特點> 定位系統基于Wi-Fi對無線局域網非常普及，價格便宜，容易搭建和管理；同時定位網絡還可用于上網、語音、視頻等其他用途；> 實時的人員或物品跟蹤，隨時查找人員或物品所在位置，和在某時間段內所經過的路徑，并顯示線路軌跡；> 區域監控：可以設定區域范圍，監控次區域內人員或物品出入等情況，非許可人員或物品出入時，報警提示；> 定位精度高，可達3-5M（視具體環境而定），準確掌握人員或物品所處位置；> 超低功耗，標簽可以更換電池或充電，且對人體安全、無輻射損害；> 可視化終端平臺，以電子地圖形式顯示人員或物品的位置和移動軌跡，> 能通過傳感器監測其周圍環境的溫度等信息，便于環境監測和安全防范。 

定位算法介紹 Wi-Fi定位系統是基于標準的IEEE 802.11無線局域網（WLAN）。定位算法是基于接收到Wi-Fi信號的強度（RSSI）。在覆蓋無線局域網的地方，定位標簽周期性地發出信號，無線局域網訪問點（AP）接收到信號后，將信號傳送給定位服務器。定位服務器根據信號的強弱判斷出標簽距離AP的位置，通過標簽到至少3個AP的距離可以算出標簽的位置，并通過電子地圖顯示具體位置。這是傳統的三角定位原理。 Wi-Fi無線信號經過反射后才到達接收器，而不是一條徑直的路徑，這樣就給定位計算帶來了很大的誤差，這種現象叫多路徑。因為室內空間的障礙物會造成多路徑干擾,導致訊號變化較大,所以傳統的三角定位法不適用於室內環境。采用基于RF指紋識別（FINGERPRINTING）的定位方法。在定位區域內設置多個采樣點，將定位終端放在給個采樣點。場景規劃工具可以把定位終端發射的信號特征記錄下來，根據這些特征和不同位置的信號建立信號紋來指示定位終端的位置。利用信號紋和相對應的位置信息建立起數據庫后，定位系統根據實時收集到的信號特征，就能計算位置了。人體對標簽是有干擾的，定位系統采用歷史移動軌跡、增加AP定位器、修正信號突變等方法盡量在算法上降低干擾帶來的定位誤差。 

 定位精度與定位目標、環境和定位器鋪設密度有關，定物可以達到3米甚至更好，定位人時由于人體干擾，精度在5-10米的半徑范圍。定位精度是和定位器分布密度、環境、定位對象的干擾有關的，所以無線定位的精度不是一個[敏感詞]的數字。一般說，精度能達到3米－5米，有時會10米甚至更差。我們也有應用能做到1.5米。定位器部署密度越高，定位精度越高。任何無線定位的技術，都會有定位誤差及不確定因素存在。我們建議實際應用中，考慮到無線定位的特性，通過軟件解決精度的不確定因素。定位中會出現跳動，這是由于定位位置處于幾個定位點中間。  定位頻率可以設置為1秒或以上。網頁刷新時間為１秒。網絡傳輸也會耗費一定的時間，定位算法上為了避免人體對定位精度的干擾，在算法上做了特別調整，所以可能出現3-6秒的延時。 AP定位器 數量雖然會多，但是AP定位器的成本低，可以集中管理，可以通過POE方式供電。AP定位器無線發射功能可以禁止，所以大量AP定位器并沒有產生任何無線信號，這和普通AP是不同的，不會造成無線干擾。