基于WiFi技術(shù)室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計

摘要：隨著手機、可穿戴設(shè)備等新型移動設(shè)備的流行，位置感知發(fā)揮了越來越重要的作用，GPS定位技術(shù)在室外能夠起到比較良好定位效果，但無法在室內(nèi)進行準確定位，難以滿足人民日常生活需求。該文設(shè)計一種室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過WiFi定位技術(shù)，就可對室內(nèi)物體進行準確定位，彌補了GPS技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境下的弊端[1]。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以較為準確定位主機位置，誤差范圍可以接受。

關(guān)鍵詞：單片機;WIFI;ESP8266;室內(nèi)定位

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）35-0249-02

1 背景

現(xiàn)如今許多地圖軟件都具有定位導航的功能，大部分采用的是GPS技術(shù)，其在室外可以提供良好的定位服務(wù)，但并沒提供室內(nèi)定位服務(wù)，究其原因在于GPS信號在傳輸過程受到墻體的阻礙，從而無法對室內(nèi)物體進行準確定位。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對室內(nèi)定位數(shù)據(jù)的需求急劇增加，尤其是倉庫貨物定位、大型場所人員跟蹤等。

近幾年無線技術(shù)迅速發(fā)展，WiFi網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率越來越高，在眾多室內(nèi)定位技術(shù)中，WiFi室內(nèi)定位技術(shù)[2]能夠彌補在室內(nèi)環(huán)境下GPS技術(shù)無法定位或定位不準確的缺點，采用AP接入點的方式，改變了傳統(tǒng)的依賴基站來獲取WiFi位置信息，使得資源的獲取變得更加方便而且不受限制，同時在利用WiFi網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，大大減少了室內(nèi)定位所需的成本和建設(shè)，提高了定位精度。

2 設(shè)計原理

由主機向三角[3]的從機發(fā)送AT指令，如圖1所示，實時獲取三個從機的信號能量大小，然后將信號能量通過公式（1）（2）轉(zhuǎn)化為距離，從而達到定位的效果。

上圖中的S1，S2，S3可通過下式予以計算：

其中：S表示計算算距離

RSSI表示接收信號強度

A表示發(fā)射端與接收端的信號強度

n表示環(huán)境衰減因子

L表示兩個從機之間的距離

以其中一個頂點建立直角坐標系，由勾股定理可得：

其中x1，y1為定位坐標，通過以上算法可實現(xiàn)室內(nèi)定位。

3 硬件設(shè)計

此定位系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、WiFI模塊、顯示模塊、按鍵模塊、蜂鳴器模塊等組成。如圖1所示將三個WIFI模塊分別放置三角形區(qū)域的頂點處，控制系統(tǒng)放置在區(qū)域中心，控制系統(tǒng)向WI-Fl模塊發(fā)送AT指令，獲取信號能量，通過公式（3）計算出控制系統(tǒng)的實時位置，通過顯示模塊進行顯示，可通過按鍵模塊設(shè)置預期位置區(qū)域，當控制系統(tǒng)到達指定位置區(qū)域時，蜂鳴器進行報警。[4]

3.1主機

控制模塊采用8051單片機[5]怍為主控芯片，其IO口與獨立按鍵、LCD1602、蜂鳴器鏈接，通信串口與ESP8266相連接。通過按壓設(shè)置、加、減等獨立按鍵輸入預定測量區(qū)域，當主機移動到區(qū)域內(nèi)蜂鳴器報警，LCD1602顯示屏實時顯示主機所在位置的坐標。

3.2從機

WiFi模塊由ESP8266最小系統(tǒng)構(gòu)成，集成了超低功耗32位微型處理器，內(nèi)配閃存，具有強大的片上處理和存儲能力。片內(nèi)集成了Wi-Fi MAC，板載天線，可以接收和發(fā)送WIFI信號，通訊距離73到337米，極大地滿足了室內(nèi)定位的需求。單片機與ESP8266進行串口通信，通過WiFi方式向遠處三個ESP8266模塊發(fā)送AT指令，就可以得到當前可加入wifi信號的信息，其中包括RSSI信號強度[6]，由此就可以計算主機從機之間的距離S。

4 軟件設(shè)計

在keil和Arduino環(huán)境下，使用C語言編寫控制程序，程序流程圖如圖5所示，軟件系統(tǒng)首先對各模塊進行初始化，包括LCD顯示屏、WiFi模塊、51單片機串口通信等，初始化完成后，讀取獨立按鍵輸入的參數(shù)和WiFi模塊返回的信號強度，然后進無限循環(huán)，在LCD顯示屏上實時顯示定位信息，直到主機到達預定區(qū)域位置。[7]

5 實驗測試

在室內(nèi)選擇一塊邊長為一米的等邊三角形區(qū)域，以10厘米為間隔，用粉筆畫出坐標系。首先設(shè)置主機預定軌跡，將三個從機分別放置在三角形頂點處，之后將主機依次放置在預設(shè)軌跡與坐標格的交點上，記錄每次定位的坐標在MATLAB中做出對比圖。從對比圖與分析數(shù)據(jù)上可看出，測試的軌跡大致與預定軌跡相符，誤差大約在6.5%左右，達到預期精度。

6 結(jié)束語

本文基于WiFi技術(shù)設(shè)計了室內(nèi)定位系統(tǒng)，基本完成了預期設(shè)定的功能，可以較為準確地定位主機位置，解決了GPS在室內(nèi)無法定位的弊端，可以滿足人民日常生活預期。但當室內(nèi)物體較多或者通信質(zhì)量不穩(wěn)定時，還會產(chǎn)生較大的誤差，所以還需進行更多的測試和改進，提高算法或者增加硬件，不斷積累經(jīng)驗，已達到更好質(zhì)量的室內(nèi)定位服務(wù)。

參考文獻：

[1]董偉梁.室內(nèi)定位技術(shù)的比較與問題探討[J].計算機產(chǎn)品與流通，2019（7）：171.

[2]李佳.基于GPS/WiFi/蜂窩的室內(nèi)外無縫定位技術(shù)研究及定位系統(tǒng)設(shè)計[D].成都：西南交通大學，2016.

[3]陸霞.WiFi定位技術(shù)——基于質(zhì)心定位的三邊定位算法的研究[J].電腦知識與技術(shù)，2013，9（25）：5765-5767.

[4]陸音，繆輝輝.復雜室內(nèi)環(huán)境下的WiFi定位技術(shù)研究[J].計算機科學，2016，43（11）：152-154.

[5]趙燕，李煒.基于STC單片機的GPS定位顯示系統(tǒng)設(shè)計[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報，2014，14（4）：25-28.

[6]姚碧超.室內(nèi)WiFi定位技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學，2017.

[7]李李漫絲.基于ESP8266的無線定位室內(nèi)尋物系統(tǒng)設(shè)計[J].電子質(zhì)量，2019（6）：42-45.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2019-10-19

作者簡介：楊釗（1998-），男，黑龍江哈爾濱人，本科，研究方向為電子信息工程。