WIFI定位系统原理和应用

WIFI实时定位是利用现有的无线网络，配合WIFI标签和相关的移动终端设备比如WIFI手机，PDA,笔记本电脑等，再结合相应的定位算法，来确定相关人员和物品位置的一种定位技术. WIFI实时定位系统系统构成分为硬件部分和软件部分，其中硬件部分包含AP和标签。

本文介绍如下内容：

1、WIFI定位和其他定位技术对比

2、WIFI定位简介

3、WIFI定位系统架构和算法

4、WIFI定位系统的应用实例

11   WIFI定位和其他定位技术对比

到目前为止应用最广泛的还是“全球卫星定位系统（GNSS），用户需要手持接收器或者是在汽车上、轮船上、飞机上等安装接收器接受卫星信号，从卫星接收信号后从而来计算出位置。GNSS定位如果想计算出位置，必须要在空旷范围且没有什么阻挡的地方，满足至少从3颗卫星中获取信号。

现在的公共场所越来越大，现代化程度越来越高，GNSS定位的不足之处已经逐渐显现出来，已经不能满足这些场所。比如说商场内不能进行定位，客户找商品比较麻烦。地下车库不能进行定位，车主不知道哪里有空的车位，停车难等。到这个时候，WIFI精准定位就派上用场了，WIFI网络能像GNSS一样发出信号，客户的电脑、手机、IPAD等移动终端都能接受信号，WIFI精准定位就是解决现在的公共场所出现的定位问题，应用范围广、门槛低。

自从儿童定位电话手表的问世以来，越来越多人问什么是WIFI定位，WIFI定位跟其他定位的区别在哪儿？

 1.以往定位设备一般支持：GNSS+LBS定位。GNSS就是用“全球卫星定位系统（GPS）进行定位。卫星定位是最[敏感词]的，差错5-30米，但缺陷也很明显，耗电。LBS是基站定位，通过设备里边装置的SIM卡进行定位，定位到这个SIM卡所搜索到的邻近基站塔，不管是单基站定位，还是多基站定位，都会有差错，差错大小取决于邻近基站掩盖密度。在一些乡村基站定位常常差错1-2公里，城市中大约200-500米。

    2.WIFI定位：是通过扫描到设备邻近的WIFI MAC地址进行定位，设备上传WIFI MAC地址到服务器。服务器解分出这个WIFI MAC地址对应的经纬度，数据来自于第三方平台或程序本身数据采集。WIFI定位差错或许30-500米，但WIFI定位需要程序过滤许多判断，过滤一些随身WIFI，车载WIFI等。

  3.WIFI精准定位与GNSS定位的比较:

1）GNSS定位主要应用于室外，比较空旷的地方。WIFI精准定位应用于室内，公共场所的定位不受影响。

2）GNSS定位设备成本相对较高，而wifi精准定位价格便宜。

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

无线定位技术性能对照表：

4.GNSS定位，基站LBS定位，WIFI定位耗电量怎么样呢？

GPS耗电量最大，其次是WIFI(定位速度快)，最后是LBS基站。所以许多产品为了电池能用的更久又想定位比基站[敏感词]，就使用WIFI定位。

12   WIFI定位简介

手机是怎么通过Wifi定位的？

关闭GPS定位功能后，发现自己的位置信息还可以被获取。手机可以通过WiFi来定位吗,是如何实现的？

WiFi能够对用户进行定位。因为在Android、iOS和Windows Phone这些手机操作系统中内置了位置服务，由于每一个WiFi热点都有一个[敏感词]的Mac地址，智能手机开启WiFi后就会自动扫描附近热点并上传其位置信息，这样就建立了一个庞大的热点位置数据库。这个数据库是对用户进行定位的关键。

如果你的智能手机连接上了某个Wi-Fi热点，那么就可以调用数据库中附近所有热点的地理位置信息，而服务器会参考每个热点的信号强弱计算出设备的大致地理位置。

一、WiFi定位的原理

具体来说，WiFi能够定位，原理是这样的:

1、每一个无线AP(路由器)都有一个全球唯一的MAC地址,并且一般来说无线AP在一段时间内不会移动;

2、设备在开启Wi-Fi的情况下,即可扫描并收集周围的AP信号，无论是否加密,是否已连接，甚至信号强度不足以显示在无线信号列表中，都可以获取到AP广播出来的MAC地址;

3、设备将这些能够标示AP的数据发送到位置服务器,服务器检索出每一个AP的地理位置,并结合每个信号的强弱程度,计算出设备的地理位置并返回到用户设备;

4、位置服务商要不断更新、补充自己的数据库，以保证数据的准确性。

二、位置服务数据库的搭建

数据库中的数据主要来自于两个方面，一是用户提交的数据。Android手机用户在开启“使用无线网络定位”时会提示是否允许使用Google的定位服务，如果允许，用户的位置信息就被谷歌(微博)收集到。iPhone则会自动收集WiFi的MAC地址、GPS位置信息、运营商基站编码等，并发送给苹果公司的服务器。

同时谷歌、Skyhook两家位置服务提供商也在主动搜集WiFi等热点的位置信息。Google的街景拍摄车有一个重要的功能就是采集沿途的无线信号,并打上通过GPS定位出的坐标回传至服务器。Skyhook在美国及欧洲一些国家也是直接开着信号采集车采集AP和基站的信号数据。

23   WIFI定位系统架构和算法

1、系统结构

定位系统的架构如图1所示，服务器端主要负责 存储地图、指纹信息。有些系统定位计算都在服务 器端进行，移动终端只需将收集到的Wi-Fi信息发送 给服务器，服务器将定位结果返回客户端。客户端 需要运行客户端软件。

                                                         图1 定位系统架构

2.系统流程

具体的Wi-Fi定位方法有很多，但主要的过程都 大同小异。Wi-Fi室内定位系统的流程如图2所示。算法定位主要分为两个过程：采样过程和定位过程。

采样过程:系统在环境中均匀的选取若干个点 作为参考点，在这些参考点上采样能收集到的AP的 RSSI(信号强度)值，一般将这些RSSI值的分布特征连 同参考点的坐标一同存入指纹数据库。

定位过程：移动终端打开Wi-Fi扫描，将扫描得 到的结果放入指纹库进行匹配，选出一定数量的点 来估算终端当前所在的位置。

3. WIFI定位算法

1）接收信号强度指示（RSSI）

基于RSSI定位算法，是通过测量发送功率与接收功率，计算传播损耗。利用理论和经验模型，将传播损耗转化为发送器与接收器的距离。该方法易于实现，无需在节点上安装辅助定位设备。当遇到非均匀传播环境，有障碍物造成多径反射或信号传播模型过于粗糙时，RSSI测距精度和可靠性降低，有时测距误差可达到50%。一般将RSSI和其他测量方法综合运用来进行定位。

2）位置指纹定位算法是当前最被广泛使用的算法，它的原理是通过离线阶段，设置很多个定位参考点，记录此时的射频信号强度RSSI（Received Signal Strength Indication）以及物理地址，进而将所有的数据集合建成一个位置指纹数据库。在线定位时，根据接收到的定位点的RSSI以及物理地址（Mac地址）在指纹数据库进行匹配，找到与之最接近的几个参考点，然后再根据相应的匹配算法估算出定位点的位置。由于位置指纹定位算法具有较高[敏感词]度、不需要硬件添加、算法效率高、抗环境干扰强、成本低等优点而成为学者研究的重点。

3）位置指纹点算法

正如上文中所述，位置指纹定位技术分为两个阶段：离线训练阶段和在线定位阶段。第一个阶段的主要任务是在定位范围内设置若干个参考点，而参考点的分布一般为网格分布，然后在每个定位参考点测量不同的接入点（AP）的RSSI强度，将此参考点的RSSI以及它的位置信息（Mac地址）全部记录下来，进而构成指纹数据库。第二个阶段是在线定位阶段，在线定位阶段是利用定位移动终端在定位点接收到的RSSI以及此时的Mac地址，接着根据相应的匹配算法来判断指纹数据库中哪些定位参考点的数据跟它相似，接着利用一组或者几组相似的数据的定位参考点来估算出实际的定位点。

离线定位阶段的任务是建立一个指纹数据库，而这个指纹数据库的数据的数量和准确度决定在线定位时的精度，然而为了提高定位的准确度，必须有足够多的数据量作为支撑，但是为了有足够多的数据，就必须设置足够多的参考点，这样的话就需要耗费大量的人力，因此离线定位阶段一个重要的难题就是如何在保证精度的前提下最大限度的减少离线阶段的工作量。

在线阶段的任务是当定位点测量得到相应的RSSI以及Mac地址后，根据一定的匹配算法从而匹配出数据相似的定位参考点，然后根据这些参考点估算出定位点的位置。因此提高定位的准确度的关键就是找到一个[敏感词]的匹配算法，当前存在的确定性定位算法主要有NN、KNN、WKNN、支持向量机算法等。

  基于Wi-Fi的无线局域网实时定位系统（Wi-Fi RTLS）结合无线局域网络(WLAN)、射频识别(RFID)和实时定位等多种技术，广泛地应用在有无线局域网覆盖的区域，实现复杂的人员定位、监测和追踪任务，并准确搜寻到目标对象，实现对人员和物品的实时定位和监控管理。

34   WIFI定位系统的应用实例

无线局域网（WLAN）介绍

 无线局域网（WLAN，又称Wi-Fi）是在不采用传统电缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不再埋在地下或隐藏在墙里，网络却能够随着你的需要移动或变化。与有线网络相比，WLAN最主要的优势在于不需布线，不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要。目前它已经从传统的医疗保健、库存控制和管理服务等特殊行业向更多行业拓展，甚至开始进入家庭以及教育机构等领域。

 无线局域网是基于国际IEEE 802.11标准。标准规定无线网络发射功率不可超过100毫瓦，实际发射功率约60~70毫瓦，手机的发射功率约200毫瓦至1瓦间，手持式对讲机高达5瓦。无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，对人体是安全的。

 一般WLAN能覆盖的范围应视环境的开放与否而定。若不加外接天线，在视野所及之处约250米；若属半开放性空间，有间隔的区域，则约35~50米左右。加上外接天线，则距离可达更远，这与天线增益值相关，需视用户需求而定。

  AP为Access Point简称，一般翻译为“无线访问节点”，或“桥接器”。它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。

工作原理

  在覆盖无线局域网的地方，佩戴在人员身上的定位卡或腕带周期性地发出信号，无线局域网访问点（AP）接收到信号后，将信号传送给定位服务器。定位服务器根据信号的强弱或信号到达时差判断出人员的位置，并通过电子地图显示具体位置。

                 图1. 基于无线局域网（Wi-Fi）的实时定位系统工作原理示意图

系统组成

无线局域网实时定位系统构架如下图所示：

                                                                                                        图2. RTLS系统架构图

  如上图所示，无线局域网实时定位监控系统（Wi-Fi RTLS）主要由定位卡或腕带（Wi-Fi Tag）、无线局域网接入点(AP：Access Point）)和后端监控管理中心（（Locating Server定位服务器）三部分组成。无线局域网接入点可以使用任何支持802.11b的产品。

   1)定位卡或腕带作为无线数据采集模块佩戴在人员身上或物品上，系统通过对标签的跟踪实现对人员和资产的跟踪定位。可以根据需要设计不同的外形，腕带、胸卡等以适应不同需求。

   2)AP采用2.4GHz频段，支持802.11b/g模式，及时采集卡或腕带的信息，传输到后端的监控中心，对定位卡或腕带进行控制管理。

   3)安装了定位服务器软件系统的监控管理中心，主要实现实时数据分析处理。分析管理定位卡或腕带数据，通过控制中心的电子地图监视并及时显示各现场定位卡或腕带的位置，数据可同时存入存储数据库，监控人员可以通过计算机访问存储服务器查询人员或物品的实时位置信息，报警信息，及某段时间内的移动轨迹等。

网络结构

 基于定位的无线局域网络有别于一般的通讯网络，要求在任一位置点，均可以收到3个以上的AP信号。AP主要分为主通讯AP与定位AP，主通讯AP负责服务器与通讯AP之间的数据交换和传输，所有主通讯AP必须通过网线进行连接。定位AP，主要负责收集标签信息，并将结果发送给指定服务器，

                                                                                     图3. 无线局域网实时定位系统（Wi-Fi RTLS）网络拓扑结构图

功能特点

> 定位系统基于Wi-Fi对无线局域网非常普及，价格便宜，容易搭建和管理；同时定位网络还可用于上网、语音、视频等其他用途；

> 实时的人员或物品跟踪，随时查找人员或物品所在位置，和在某时间段内所经过的路径，并显示线路轨迹；

> 区域监控：可以设定区域范围，监控次区域内人员或物品出入等情况，非许可人员或物品出入时，报警提示；

> 定位精度高，可达3-5M（视具体环境而定），准确掌握人员或物品所处位置；

> 超低功耗，标签可以更换电池或充电，且对人体安全、无辐射损害；

> 可视化终端平台，以电子地图形式显示人员或物品的位置和移动轨迹，

> 能通过传感器监测其周围环境的温度等信息，便于环境监测和安全防范。

定位算法介绍

 Wi-Fi定位系统是基于标准的IEEE 802.11无线局域网（WLAN）。定位算法是基于接收到Wi-Fi信号的强度（RSSI）。在覆盖无线局域网的地方，定位标签周期性地发出信号，无线局域网访问点（AP）接收到信号后，将信号传送给定位服务器。定位服务器根据信号的强弱判断出标签距离AP的位置，通过标签到至少3个AP的距离可以算出标签的位置，并通过电子地图显示具体位置。这是传统的三角定位原理。

 Wi-Fi无线信号经过反射后才到达接收器，而不是一条径直的路径，这样就给定位计算带来了很大的误差，这种现象叫多路径。因为室内空间的障碍物会造成多路径干扰,导致讯号变化较大,所以传统的三角定位法不适用於室内环境。采用基于RF指纹识别（FINGERPRINTING）的定位方法。在定位区域内设置多个采样点，将定位终端放在给个采样点。场景规划工具可以把定位终端发射的信号特征记录下来，根据这些特征和不同位置的信号建立信号纹来指示定位终端的位置。利用信号纹和相对应的位置信息建立起数据库后，定位系统根据实时收集到的信号特征，就能计算位置了。人体对标签是有干扰的，定位系统采用历史移动轨迹、增加AP定位器、修正信号突变等方法尽量在算法上降低干扰带来的定位误差。 

 定位精度与定位目标、环境和定位器铺设密度有关，定物可以达到3米甚至更好，定位人时由于人体干扰，精度在5-10米的半径范围。定位精度是和定位器分布密度、环境、定位对象的干扰有关的，所以无线定位的精度不是一个[敏感词]的数字。一般说，精度能达到3米－5米，有时会10米甚至更差。我们也有应用能做到1.5米。定位器部署密度越高，定位精度越高。任何无线定位的技术，都会有定位误差及不确定因素存在。我们建议实际应用中，考虑到无线定位的特性，通过软件解决精度的不确定因素。定位中会出现跳动，这是由于定位位置处于几个定位点中间。

  定位频率可以设置为1秒或以上。网页刷新时间为１秒。网络传输也会耗费一定的时间，定位算法上为了避免人体对定位精度的干扰，在算法上做了特别调整，所以可能出现3-6秒的延时。 AP定位器 数量虽然会多，但是AP定位器的成本低，可以集中管理，可以通过POE方式供电。AP定位器无线发射功能可以禁止，所以大量AP定位器并没有产生任何无线信号，这和普通AP是不同的，不会造成无线干扰。