WIFI的室内定位系统应用于图书馆的研究

　　1 室内定位系统 （IPS） 应用于图书馆的背景

　　现在，GPS 芯片、蓝牙模块已经成为智能手机默认必配组件。基于此组件的百度、谷歌地图服务，凯立德导航系统等已经得到广泛应用，移动位置服务（Loeation Based Serviee,简称 LBS） 将成为移动互联网标准配置。然而，虽然从这些十分普及的便携式导航设备到备受推崇的自动驾驶汽车，甚至是巡航导弹的制导，所有这些应用技术的实现，都是基于全球定位系统 （GPS） 以及格洛纳斯全球卫星导航系统（GLONASS）。显然，它们都有美中不足的两个地方：① 只能在空旷的地表工作；② 只能定位二维世界的设备。[1]

　　现代图书馆建筑面临两个问题：① 馆舍面积庞大结构复杂；② 服务功能逐渐增多。据教育部高等学校图书情报工作指导委员会公布的 《2012 年高校图书馆发展报告》[2]显示，2006~2012 年，高校图书馆的馆均建筑面积呈持续增长趋势，新建单体建筑面积逐渐扩大。2012 年，高校图书馆已建和在建馆舍均建面积都达到 2.2 万平方米。如中山大学图书馆 10.7万平方米，厦门大学在建6.8万平方米的巨无霸馆舍。

　　图书馆除了面积在不断增大，也正在朝着多功能、综合化的方向发展。现代图书馆不仅是文献信息中心，同时也是集文化交流、学习科研、休闲场所为一体的多功能综合服务体。

　　庞大的建筑面积和结构功能的复杂性，加大了读者利用图书馆的难度，疏离了图书馆与读者之间的联系。对于这些复杂的“水泥森林”,GPS设备一旦进入，就会因为建筑物的遮挡，无法与“天上的星星”说话了。在此背景下，人们把定位功能转向了室内。

　　因此，室内定位系统 （Indoor Posi-tioning System,IPS） 应运而生。IPS 主要有两种功能：①准确定位移动设备在室内的具体位置；② 提供与位置相关的各种信息服务。

　　2 WIFI.的室内定位系统应用于图书馆的原理及实现

　　目前实现无线室内定位技术主要有射频识别技术 （RFID）、蓝牙技术、ZigBee 技术、红外线室内定位技术、超声波定位技术以及 WIFI 技术。

　　2.1 图书馆选择 WIFI 室内定位技术的理由

　　首先，基于 WIFI 网络的无线定位技术，由于其设备体积小、成本低廉、使用广泛、稳定性好、能高速高质量传输数据。从表可以看出，WIFI 定位技术在众多 IPS 技术中优势明显。其次，IPS 技术要求能提供针对位置的信息服务，也就是需要在服务器与终端之间传输数据，WIFI 带宽最高，数据流量产生的费用最低廉。再次，因为 WIFI 布局成本低廉 （单个 AP 价格最低几十元），很多图书馆已经WIFI 全覆盖，为WIFI 室内定位技术提供了必要条件，不需要再在全馆布局设备。最后，由上述 CNNIC 的统计数据来看，终端设备普及率已经非常高，尤其是在高校，拥有智能手机的青年学生读者已接近 100%,图书馆不需要投入购买终端设备。由此可见，WIFI 室内定位技术的优点，加上现在图书馆的现有环境和读者对象的现有条件，是最适合作为图书馆 IPS 系统的。

　　2.2 WIFI 室内定位系统的原理

　　WIFI 室内定位技术，是基于计算机 802.11b/g/n/ac无线标准，在不需要额外添加硬件设备 （如芯片、天线等），就可以实现建筑物室内定位系统。基于 WIFI的室内定位系统，主要有终端侧定位和AP侧定位两种方式。AP 侧定位方式由建筑物内分布的基站，采集移动终端上传的信号，通过定位算法计算接收到的终端信号强度，进而获得终端位置信息；移动终端侧定位方式，是由移动终端采集各个基站下传的信号作定位运算，从而获得位置信息。最早基于 WiFi 室内定位系统是微软开发的 RADAR 系统，它采用射频指纹匹配方法，从指纹库中查找最接近的 K 个邻居，取它们之间坐标的平均值作为坐标估值。

　　RADAR系统基于 RSSI 信号的统计特性，采用贝叶斯公式，通过计算目标位置的后验概率分布进行定位。WIFI 定位过程一般由以下几个步骤完成。

　　（1） RSSI 测距。接收信号强度指示 （ReceivedSignal Strength Indicator,RSSI） 测距是利用已知位置的接收机来测量目标发射机的信号强度，根据已知信道衰减模型及发射信号值来估算收发射机之间的距离而实现定位。首先，无线信号衰减和传播距离之间是有一定关系的。WIFI 所用频段为微波频段，因此，可以利用微波工程技术分析 WIFI 信号与距离的关系。

　　WIFI 无线信号传输衰减和距离的关系公式如下：

　　Los=32.44+20lgd （Km） +20lgf （MHz） （1）

　　由公式 （1） 可以得知，自由空间同一 AP 的电波，其电波信号衰减只与工作频率 （）f 和传播距离（d） 有关。当频率或距离增大一倍时，电波传输衰减（Lfs） 将增加 6dB.因此，根据此原理，可以测算出移动 WIFI 设备与无线 AP 之间的距离。

　　在实际应用环境中，由于障碍物、反射、多径等环境因素，无线电波传输路径损耗与理论值相比有些变化。所以在应用中，一般会采用对数 - 常态分布模型（公式 （2）），计算 AP 收到移动端设备路径的信号衰减。

　　PI（d） =PI （d0） +10nlg （d/d0） +X6 （2）

　　公式 （2） 中，PL（d） 为WIFI信号经过距离d后的路径损耗 （dB） ; d0 为参考距离 （单位为 m）；X6为平均值为0的高斯分布随机变数，其标准差范围为4~10;n为路径损耗指数，是一个与环境相关的值，其范围在 2 到 5 之间。这样，根据公式 （2）可以得出未知移动设备接受AP信号时的信号强度为：

　　RSSI=发射功率+天线增益-路径损耗 （PL（d））。

　　图 1 是一份研究人员用 RSSI 测距模型试验测试结果曲线图。由图 3 可以看出，实际应用中的实测结果与RSSI模型非常接近，移动设备与 AP 越近，误差越小，定位越准确。

　　（2） 三角质心算法定位。RSSI 测距能够测算出未知 WIFI 移动设备离每个 AP 的距离。3 个固定的 AP能够确定一个面，如果能够依据 RSSI 测距原理，分别算出未知 WIFI 设备离这三个 AP 的距离，就能够依据几何原理，推算出未知 WIFI 设备的具体坐标。这就是目前被广泛引用于GPS 等各类定位系统的三角定位原理（原理图 2 如下）。[4]

　　假设已知三个 WIFI 的坐标为 A （Xa,Ya）、B（Xb,Yb）、C （Xc,Yc），与未知节点的距离分别为ra,rb,rc ,可通过数学公式求出 Moble 的坐标，从而实现定位。

　　（3） 定位算法优化进一步提高精确度。目前，研究 WIFI 室内定位技术机构有很多，但大体上都是先依据 RSSI 测距原理，测算 AP 与移动设备间的距离，然后用三角质心算法定位。

　　为了进一步提高精度，很多研究机构都在思考用不同的数学建模算法，在此基础上进一步提高精确度。常见的有贝叶斯滤波优化算法，GDGC- TCL算法等。[5]