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基于WIFI技术的防丢器的研究与设计

陈悦　夏佳宁
摘 要：蓝牙防丢和GPS防丢技术已经取得较大成功，但现行的大多数防丢器仍无法应对较为复杂的室内环境。本文提出将WIFI控制技术与防丢器相结合，使用户能够远程监控防丢器，并且基于RSSI定位技术的楼层识别算法（K近邻法）以及GPRS与WIFI的网络融合技术 ，解决了之前防丢器室内定位不准确，容易中断的难题。并使其监控范围在空间的横向和纵向都进行了较大延展。
关键词：WIFI室内定位；多楼层定位；防丢器；惯性传感器；网络融合
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.20.110
0 引言
现行的防丢器大体分为蓝牙防丢器与GPS防丢器两种。蓝牙防丢器成本低，但有效距离较短，理论上是10M左右，并且距离信号受限，超出一定距离蓝牙就会断开[1-3]。GPS（Global Positioning System）防丢器在室内几乎无法使用。GPRS（General Packet Radio Services）技术能提供大覆盖范围的稳定数据服务，但是速度较低，并且无法在室内精确定位 。而WIFI（Wireless Fidelity）技术是一种能够提供高数据速率的无线接入技术，主要用于局域网 。其速度很快，可以做到精确室内定位，大功率路由器覆盖范围可穿墙覆盖百米。
由于大型酒店，商场，学校等都在高密度的建筑物内，人流密集，更是物品遗失，孩子走丢的高发地带。因此，将速度快而且覆盖范围大，距离远的WIFI技术应用在防丢器的设计上十分必要。 本文对GPRS与WIFI技术进行了网络融合研究。并采用楼层识别算法，使得多楼层环境下，也能做到精确定位。
1 防丢器的原理介绍
1.1 防丢器结构
WIFI防丢器需要两个设备，其中传感器与防丢物品或老人孩子在一起，与智能手机之间通过WIFI通信。惯性定位技术在短时间内，定位精确度高，然而在较长时间后会出现误差累积。所以将WIFI无线定位技术与惯性定位技术相结合，即可以做到在进一步提高定位精确度的同时，又较大程度降低成本。
1.2 防丢器室内定位方法
该防丢器的室内定位主要基于惯性传感器和WIFI辅助定位。室内定位方法主要应用了惯性传感器定位模块以及WIFI辅助定位模块。包括步态检测算法，航向纠正算法，以及WIFI位置矫正算法，WIFI动态调整步长算法。
行人航迹推算运用加速度计和磁力计读出的数值进行步态与方向的检测，以及自学习步长估计，推算出防丢器的位置，在WIFI信号稳定时，使用位置指纹法定位，并对行人航迹推算所累积的误差进行纠正。在WIFI信号不稳定时，采用上一时刻的定位结果与行人航迹推算法联合定位。
2 混合多楼层室内定位
2.1 定位技术的选择
室内定位技术中的基于接收信号强弱的测量定位（Received Signal Strength Indication， RSSI）。可分為信号传输消耗法以及位置指纹定位法。显然，在基于Android的WIFI室内定位的情况下，RSSI定位技术[8]没有硬件添加的需要，并且位置指纹法的主要原理是建立信号强度与位置关系的数据库，在室内环境下更容易实现，也具有更高的精确度。因此采用位置指纹定位方法。
2.2 基于RSSI定位技术的楼层识别算法
K近邻法（K- NN）核心思想是依据K个距离最近的K点的主要归属分类来对测试对象进行分类。直观来看K个最临近的样本对输入实例x属于哪个类别是最有发言权的，这也是k近邻法简单却没放弃准确度的原因。
而类K近邻法（K- NN）为了减少大量的训练样本数据，对每个无线AP，只维护最大的一个RSS。其中的楼层号是扫描到最大RSS时所处的楼层号。在随后的在线识别阶段如果扫描到更大的RSS则会更新样本数据。
3 GPRS与WIFI网络融合及其方案的选择
3.1 网络融合技术介绍
基于众多无线网络的传输方式，选用大覆盖面积的2.5G蜂窝数据技术GPRS与高接入速率的WIFI进行网络融合。由于MS平台具有GPRS，WIFI两种模式，所以可以在GPRS和WIFI两种模式之间切换。这种无缝的性能由RAU（Routing Area Update）来实现。目前主要的两种融合方案是紧耦合方式和松耦合方式。
3.2 两种网络融合方案的介绍与比较
在松耦合方式下，WIFI被看作是与GPRS网络互补的接入网络，WIFI可以使用GPRS网络的用户数据，但WIFI是绕过GPRS的核心网而直接与外部分组数据网进行通信。
在紧耦合方式下，WIFI与其他GPRS RAN（GPRS Radio Access Network）用相同的方式接入GPRS的核心网。WIFI的数据业务通过GPRS核心网传送到外部分组数据网。MS平台可以在WAF（WLAN Adaptation Function）这一WIFI适配功能的辅助下在GPRS和WIFI的无线接入之间实现自由的移动。并应用传统的GPRS来实现移动管理。
结合上述分析可以看出紧耦合方式和松耦合方式在应用方向上各有侧重：松耦合更适用于无线网络中包含大量WIFI运营商，蜂窝运营商的环境。而紧耦合更适用于无线网络中WIFI和蜂窝网同属于一个运营商的环境。因此对于本文所涉及的WIFI防丢器，无疑紧耦合方式将是一个不错的选择。
4 前景与展望
本文将WIFI控制技术与防丢器相结合，并基于RSSI定位技术的楼层识别算法（K近邻法）算法以及GPRS与WIFI的网络融合技术对WIFI防丢器进行了改进，对大面积WIFI覆盖的室内环境结合更多算法和技术，从数据传输和定位空间两个方面提升了定位的稳定性，适用的生活场景更广。对于不同网络运营环境，网络结合的方法可以进一步改进，结合两种融合方案的计费制度，移动性管理，新增开发，以及应用市场的不同特点，在不同环境下灵活采用不同的网络融合方法。在研究以及考察的过程中发现在不同的Android系统中定位误差波动较大，并且WIFI位置指纹定位技术还需做进一步改进，以减小复杂结构的环境对定位精确的影响。
参考文献：
[1]钱志鸿.刘丹蓝牙技术数据传输综述[J].通信学报，2012，33（04） ：143-151.
[2]冯永亮，李立，雷伟军.低功耗蓝牙技术在Android平台的应用开发研究[J].通讯世界，2016（01）：192.
[3]王磊.基于蓝牙4.0技术的防丢器的研究与设计[J].太原理工大学，2013
*为通讯作者endprint
山东工业技术2017年20期
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