基于无线局域网的室内可穿戴定位装置应用

廖振华

（长沙理工大学 湖南省长沙市 410114）

在经济迅猛发展与科学技术日新月异的今天，信息与定位等不同技术的应用也在自己的生活中得到了越来越普遍的发展。全球定位系统GPS 即为此类技术的成熟性代表，其优势在于性能稳定、成本低廉且精度较高，在公众日常生活中得到广泛认知并熟练使用。与此同地，智能手机的优化普及速度加快，手机与信息、定位等技术的结合，使得各类智能系统为人们的生活带来更多便利。

1 室内定位系统及可穿戴定位装置的发展

1.1 室内定位系统的发展

室内定位系统在上一世纪90年代末期产生并迅速发展起来，当时公众逐步意识到传统的GPRS 技术较为落后且受到外界因素的不利影响导致其室内难以实现准确的定位。随后对相关定位技术提升的研究开始深入，并由此大好形势下取得了较丰富且优秀的研究成果。这之中以Active Badges 项目及优化后的Active Bats 项目，上述项目均成为当时较成熟且先进用于室内精准定位的系统。除此以外，微软公司研究开发出Easy Living 定位项目及 Georgia Tech 项目，上述室内定位技术的实践应用均在一定程度上改变当时公众的生活、学习与工作，并且其便利性与准确性对照传统的GPRS 系统远远为高。然而引起注意的是这些定位系统一定要利用专业化程度高的定位手段方可确保正常使用，同时其维护费用及使用成本较高，导致难以在全社会范围内广泛应用。

1.2 可穿戴定位装置的发展

随着通信技术和无线局域网的持续发展，现今基于局域网的室内定位技术也由此得到广泛的应用，其优势在于成本不高且实践应用简便。在这一过程中，可穿戴定位装置产品开始在公众生活中得到日益广泛的实践应用，用户可以借助手机APP 并基于无线局域网精准定位终端位置，同时还有权设置电子围栏，查度定位行走的过往轨迹。可穿戴定位装置借助内部基于局域网接收得到的信号经过解析而明确定位信息，随后把定位信息借助GPS 等传达到远端服务系统上。用户利用手机APP 经由服务器掌握可穿戴定位装置内的定位信息，且可以将该定位点在手机显示出来。

现阶段随着人们收入及生活水平的持续攀升，更多的人开始重视健康并给予必要关注。为防范在室内环境下出现孩童走失、老人病发等突发事故，研发一种可对身体健康进行监测、精确定位及精准导航的可穿戴室内定位装置十分必要。

2 基于无线局域网的室内可穿戴定位装置工作流程与运用技术

2.1 工作流程

2.1.1 信号采集

基于无线局域网的室内可穿戴定位装置开展信号的采集为该定位装置有效发挥作用的前提条件。对照外界空旷广阔的环境，该装置主要作用于室内。室内空间狭窄、环境构成复杂、人员移动及室内物品、家具陈设等均可能对可穿戴装置定位及其局域网信号传播形成不利影响。鉴于此，该装置采集信号要借助先进的专业设备，即利用高斯模型，分析并处理多个RSSI 数值后确定干扰性突出数据，借助临界点常数以使其他不相关数据得以排除，并由此实现并提升采集信号的准确性，为该装置基于无线局域网的室内定位提供基础保障。

2.1.2 距离测定

基于无线局域网的室内可穿戴定位装置开展距离测定，即借助局域网计算待测点和各个接入点彼此间的真实距离，将室内空间依照接装置接入点的位置及信号传输特性将所在具体室内划作多个测定区域，装置定位的整个过程内依照上一接入点的信号强弱度以明确室内信号模型，继而装置可以明确定位室内待测点与接入点等的准确位置。

2.1.3 估计初始位置

就估计初始位置而言，其为可穿戴定位装置估计为依照定位待测点与接入点二者间的距离来通过计算获得待测点的定位。为确保可穿戴定位器基于局域网的定位更精准，该装置借助几何法计算室内待测点的真实位置，随后得出初始位置。

2.1.4 结果修正

可穿戴定位装置基于局域网的定位结果修正即更准确地对上一步得出的初始位置加以修正，以确保定位移动轨迹数值准确得到提升，为使用者提供更精准的室内空间定位。

2.2 技术运用

2.2.1 短程感应技术

短程感应这一技术用于可穿戴定位装置中，其重点并非一味强调室内定位的精确性。其为借助信号采集这一方式来将被定位用户放置于局域网的信号覆盖面内并绘制出其活动距离及范围，以明确其室内活动轨迹及空间，为可穿戴定位装置后续定位提供收集信息及分析基础。可穿戴定位装置的实践中，该项技术使可穿戴定位装置利用基站标志及物理手段实现基于局域网的室内三维定位，同时也使可穿戴定位装置实际信号的收集与明确得到高水平的发展。

2.2.2 三角定位技术

可穿戴定位装置使用以基站移动终端信号明确定位，随后该装置依照所在地理位置信息以定位更准确的距离及位置，随后定位结果呈现于可穿戴定位装置中，且保持数据准确。

2.2.3 指纹识别技术

可穿戴定位装置运用指纹识别以实现提取室内某一位置信号强度、空间谱及图像等不同信息流，借助寻找与其关联的室内位置后，整合信息成为一个独特的指纹信息，以此识别对应的定位指纹据库。依照可穿戴定位装置基于局域网定位的实际需求查找数据信息以实现室内定位。

3 基于无线局域网的室内可穿戴定位装置的应用

基于无线局域网的室内可穿戴定位装置应用旨在为用户提供一种可以实时以各种室内环境为切入点，对用户的身体、疾病等信息进行监控，或是预防室内有情况突发而对室内目标人物开展更准确、更及时的定位。此类可穿戴定位装置在各类公共室内空间如展厅、商场、图书馆、仓库或超市等场所中也可确保实现精确定位。这种先进的、基于无线局域网的可穿戴室内定位装置主要三个模块构成，即前端、数据传输处理及终端三个主要模块，如图1。

图1：系统结构框图

3.1 前端模块

前端模块涵盖有室内定位与心率检测两个子模块。就室内精确定位而言，该装置通常选取的核心处理系统为MTK2503，以此为前端系统的搭建提供保障。借助局域网和数据传送处理来实现和终端交换相关信息。该模块对心率的测量而言，通常借助基于光电容积脉搏波（PPG）的作业机理创建的心率传感器完成采集与分析心率信息。该原理上从理论而言即与皮肤直接接触的光电传感器产生一束打在人体皮肤上的光，由基于血液可吸收特定波长的光线这一原理，每当心脏泵血之时，则血液则会大量吸收对应波长，借助测评反射/透射的光以明确当次对应的心跳频率，随后把波动信号借助接口传输到中央处理器中来获得心率数值。

心率检测这一子模块由传感器、信号采集与处理模块、电源模块及局域网牙传送模块等共同构成。这之中，光电心率传感器主要用于感应相关人体脉搏发生的信号，信号采集与处理模块则重点采集传感信号并加以放大、滤波及整合，局域网传送模块主要作用为以脉冲信号为对象开展处理、保存及转发。

3.2 数据传输处理模块

该可穿戴定位设备系统完成数据处理主要依靠专属的传输处理模块，其涵盖有搭建无线局域网的组网，为该设备前端及终端完善通信桥梁，同时明确信息的传送模型，降低或消除多径效应对定位信号产生的干扰。无线局域网的构成主要是多个AP。基于局域网信号指纹的可穿戴定位设备装置，能在复杂且狭小的室内形成独特的信号覆盖图。室内多个热点同时将无线电磁信号对外发送时，由于信号本身存在多径效应，其会依照室内环境形成各类反射、折射、绕射等不同的信息传播效果，在室内不同位置形成一种独特的以信号为对象的分布规律，这就是“特征指纹”。基于局域网信号指纹的可穿戴定位设备装置即预先构建基于“特征指纹”的数据信息库，并绑定于真实的室内位置，当操作基于局域网的可穿戴定位设备进行定位操作时，其采集到的信号则必然对应原数据信息库中的某条具体的“指纹特征”，借助对数据库记录的匹配性查找出得到对应的定位。

该项定位主要由两步构成，即指纹定位数据信息库的离线建立及利用局域网定位时的数据库查找匹配。就前者来说，数据库离线构建立要先行在需要定位的室内均匀确立一系列信号采集点，每个点均可采集或感知多个 热点 的 BSSID 及RSSI 信息样本值，随后在后台处理与其坐标信息存放于指纹数据库内；而后者则是用户使用的移动终端在采集其位置的全部可感知热点信号的强弱程度，随后将室内信号指纹与数据库加以匹配，借助相应算法得到最终定位。

3.3 终端模块

终端模块的主体本身即为APP，其借助JAVA 语言进行设计且可以完成包括室内室外定位信息的计算，随后获得手机终端及可穿戴设备装置的定位及心率等不同信息等。该APP 由算法定位估算、历史轨迹及显示屏等组成，主要功能即显示使用可穿戴定位装置者所在建筑内的详细地图、手机对应的定位信息及可穿戴定位器的位置信息。随后可穿戴设备把接收到的各位置信息发送至局域网后则获得可穿戴定位器对应的具体定位数据。同理再借助测量本身与无线局域网内多个AP 的信号强弱程度进一步获得精准度更高的定位。