基于WLAN的图书馆定位系统研究

李春新 周亮 李净

摘要：现有的WLAN室内定位技术主要存在的问题：一方面由于房屋的内部格局、结构、材料等各不相同，有可能对室内的定位精度产生影响导致偏差；另一方面，现有基于红外线发射器、超声波发射器等特定设备的定位方法需要较高的成本，价格昂贵而不能广泛使用。针对上述问题设计了一个基于WLAN的图书馆定位系统，主要利用无线接收信号强度来进行定位，该方法无须增加额外的硬件，减少了各种费用，且实用性很高。

关键词：室内定位；信号强度；路径；损耗模型；无线局域网

中图分类号：P315.69 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）05-0031-02

GPS卫星导航系统的出现以及飞速进步，使人们了解了更多关于在宽敞的室外进行定位来获得物体空间位置的技术，基本上解决了很多定位问题[1]。尽管在室外空间定位方面有了巨大的发展，但是绝大多数时间中，人们各种各样的活动依然是在室内完成的，比如说图书馆。然而就如今的定位方法以及条件而言，GPS定位方法不适合用在图书馆的室内空间中，因为这种方法在室内的误差相对较大。因为在图书馆环境中，传播的信号容易被物体遮挡，定位精度也会因此遭受很大的影响。所以，对于室内繁杂且多变的环境，人们不得不研究室内定位专用的算法和技术。

WLAN给图书馆室内定位提供了良好的前提条件。如今，大多数图书馆都布置了无线局域网以及各种移动设备上都配置了无线网卡。通过计算距离的远近的变化的方法对物体进行定位，不需要其他设备来辅助去计算同步时间和信号角度 [4]，从而大大降低了成本。

1 相关技术介绍

1.1 室内定位系统基本原理

无线定位就是利用节点之间信号的到达时间（Time of Arrival， TOA），信号的到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA），信号的到达角度（Angle of Arrival， AOA），以及接收信号强度（Received Signal Strength，RSS）来确定出位置的坐标的方法[5-7]。

系统先是感知到对方的存在，检测、测量和计算出TOA、AOA、RSS等数据，当作位置测量的相关指标传送到定位服务程序[8]。然后，程序经过特定的算法来估算得出终端位置（x，y，z）；最后显示在终端上。

1.2 信号强度法

信号强度法（Received Signal Strength，RSS）原理：算出在发送传播中的耗损，通过相关模型来计算得出大致的长度[9-10]。在空间内，在离发射信号的位置d处的接收天线收到信号强度一般情况下可用下面这个公式求得出来：

[ΡRΡT=GTGRλ24π2d2L] （1）

其中：PT表示发射功率；PR表示接收功率；GT表示发射天线的增益；GR表示接收天线的增益；d表示着发射位置与待定位位置间的长度；λ表示信号的波长；L表示损失。

根据上述公式可以知道，接收功率随距离的平方衰减。但是，该公式只是一个理想化模型，而在实践中会更加复杂。

RSS方法与AOA方法、TOA方法比较后可以知道，RSS方法可以不用增加多余的设备去测量时间和角度，可以使用已有的基础设施，大大减少了设备费用，所以，RSS方法现在已经变成了研究的热点。

2 定位过程及相关模型和算法

2.1 定位过程

首先，在无线局域网区域内，要确保3个或以上已知位置的接入点的信号要能够被终端设备准确接收到，然后，服务器会接受从终端发来的它所收的AP的相关数据。包括：时间、信号强度值、接收到的AP的MAC地址、传输速率等等。每个终端都会收集它能接收到的所有的信号强度相关数据发给服务器，为后面的处理做准备。

然后，服务器系统读取数据：在全部的接入点位置信息文件中，那些终端所能接收的接入点的位置信息都会被服务器读取出来，然后依据定位算法计算出该终端的初始位置。

最后，通过分析数据对终端位置加以修正。这样服务器就能得出该在WLAN范围内的终端的位置，再将位置信息返回给相对应的终端。

2.2 模型介绍

目前已经提出了很多数学模型，在很多地方都有了改进。根据接入点的位置，接收的位置，功率等等，通过这些数据，接收强度就可以计算出来，计算接收强度使用的是“距离-损耗”模型。

“距离-损耗”模型公式如下：

[Ρ（d）=Ρ（d0）-10×n×log（dd0）+ζ] （2）

在公式2中，P（d）代表设备之间长度为d时的信号强度；n代表路径损耗系数；d代表真实距离；d0代表参考距离；ζ代表遮蔽因子，是一个正太分布变量，主要用来减少强度误差。

3 系统设计与实现

3.1 系统描述

本系统是使用传播模型的方法来实现定位。无线局域网优点是有很大的覆盖范围，同时也有很便捷的网络通信，这样就可以很便捷的实现系统的设计。系统模型如图2，首先，选好需要定位的地方（有WLAN覆盖），获取接入点（AP）的位置信息；然后测量AP的RSS数据，经过无线局域网发送到服务器；最后，服务器在收到数据之后，依据信号强度计算得到相对位置。

3.2 系统功能

系统的功能主要有：定位查询功能和歷史信息查询功能。定位查询功能是最基本的功能：服务器收到请求，向终端设备返回相对位置；历史信息查询是查询终端系统的定位历史，为现实应用提供大量的数据支撑。具体情况如下：终端收集所有AP信号的强弱程度，然后对相关数据进行处理；位置显示是为了实现把目标位置显示出来；如图3所示，服务程序的功能包括：负责通信、发出查询信息、收集定位结果信息。

图3 位置查询

4 结束语

本文分析了现有的WLAN室内定位技术主要存在的问题，设计了一个基于WLAN的室内定位系统，主要利用无线接收信号强度来进行定位，该方法无须增加额外的硬件，节省了投资，实用性很高。该系统可以应用到智能图书馆，智能仓储，智能物流等领域，能降低运营成本，提高效率。

参考文献：

[1] Want R，Hopper A，Gibbons J.The active badge location system；ACM Trans[J].ACM Transactions on Information Systems，1992，10（1）：91-102.

[2] Ward A， Jones A，Harper A. A New Location Technique for the Active Office[J].IEEE Personal Communications， 1997，4（5）：42-47.

[3] Priyantha N B，Chakraborty H， The Cricket Location-Support System[C]//.Proceeding of MOBICOM 2000， Boston， MA， ACM Press， August 2000.

[4] 张明华，张申生，曹健.无线局域网中基于信号强度的室内定位[J].计算机科学，2007，34（6）：68-75.

[5] Bahl P， Padmanabhan V.RADAR：an In-Building RF-Based User Location and TR Acking System[C]//.IEEE 9th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies， Tel Aviv， Israel，Mar.2000.

[6] 曹博.基于物联网的物流实时定位系统[J].信息技术，2018，42（10）：103-106.

[7] Madigan D， Elnahrawy E，Martin R，Bayesian Indoor Positioning System[C]//.Proceedings of the 24th Annial Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies，Pisctaway，NJ，USA：IEEE，2005

[8] Xiang Z， Song S， Chen J， et al.A Wireless LAN-based Indoor Positioning Technology[J].IBM Journal of Research and Development，2004，48（5-6）：617-626

[9] 黃丰胜，肖厦，成芳，等.基于RSSI的Wi-Fi室内定位常用算法对比[J].信息技术，2017（12）：73-75.

[10] 李桢，黄劲松.基于RSSI抗差滤波的WiFi定位[J].武汉大学学报（信息科学版），2016，41（3）：361-366.

【通联编辑：梁书】