苏州中材建设有限公司 黄松涛

随着人们的安全意识不断提升，工厂作业时对人员的安全工作变得愈发的重要。而靠人力去监督员工们的安全，在高开销的同时，即存在不可靠性，也不能实现对每个员工实时的进行监控。因此急需要一套电子系统来对人员位置的实时监测并发出警告。同时也在WiFi技术不断提升，WiFi使用不断普及，其精度、覆盖范围等性能不断提升的情况下，我们选择了基于WiFi技术的人员定位安全系统。该系统主要利用与WiFi连接的智能手机进行定位，在客户端上有可导入修改的工厂3D模型，通过定位的人员也会反映在模型上，管理员能只管检测到员工的位置。当施工人员被定位到危险区时，系统会自动报警，提醒人员远离危险区。

1 WiFi定位方案

整个人员定位安全系统是在WiFi环境下进行的，每个人员都需要携带一部智能手机与WiFi相连接。无线局域网（WLAN，又称WiFi）WiFi是一种短程无线网络传输技术，具有覆盖范围广、传输速度快、危害小、成本低、容易搭建和管理等优点。WiFi定位与ZigBee定位以及RFID定位相比，在成本低的同时更具有传输速度快、精度高、抗干扰能力强、可管理性强多个优点，如表1所示。

表1 无线网络定位技术的对比

2 定位原理

WiFi定位方法按照是否基于RSSI（信号强度）分为两大类。不基于信号强度RSSI的方法有根据TOA（time ofarrival，到达时间）、TDOA（time difference of arrival，时差）、AOA（angle of arrival，到达角）这些参数进行的定位，但这些参数既需要特殊的WiFi模块，智能手机上又不易获取，因此不采用这类方法。

为了使用RSSI方法，该系统需要让整个监控区域都覆盖在自己搭建的WiFi环境下进行，并合理的设置多个AP(Access Point，一般翻译为“无线访问节点”，或桥接器)节点。本系统采用的是在工厂两侧边，直线分布地每隔五米布置一台AP节点。在覆盖WiFi的空间中，员工携带的智能手机接受最近的多个 AP发出的信号，通过手机系统SDK获取各个AP节点发送信号的强度RSSI以及AP地址。 再通过IEEE802.11n协议把获取到的数据传给数据库服务器。服务器中存有每个AP节点的地理位置数据，根据手机传输过来的信息匹配上AP节点的位置以及每个AP节点到手机的信号强度RSSI，经过人员定位算法计算出每个人员的位置。

3 人员定位算法

基于WiFi信号强度RSSI的定位算法有两种：三角定位算法和指纹算法。三角定位算法是根据信号衰减模型估算出手机与周围至少三个AP节点的距离，以AP节点为圆心估算的距离为半径画圆，由三个圆形的交点确定设备的位置。三角定位的前提是已知所有AP节点的所在位置。三角定位算法分为两个步骤，分为测距和定位。

3.1 RSSI算法测距

无线信号的发送功率与收发单元之间的距离关系如式(1)所示。

其中，PR表示无线信号的接受功率、A为信号传输1m远时接收信号的功率、r是收发单元的间距，n为传播因子。再现场应用智能手机与AP节点进行多次测试，最终得到RSSI与收发单元间距n的具体公式，如公式(2)所示。

3.2 三角定位法

根据RSSI算法计算出智能手机与最近的三个AP节点的距离dA，dB，dC后，再从数据库中找到每个AP节点的坐标位置{(xA,yA),(xB,yB),(xC,yC)}，以AP节点的坐标位置为圆心，节点到手机的距离为半径画圆。三个圆形交于一点，即为定位结果。

图1 三角定位法的实际情况

但只有在理想情况下三个圆才会交于一点，及方程有唯一解。实际在工厂定位时，WiFi信号会因为障碍物、噪声等因素带来偏差，三圆一般是不会交于一点的。因为障碍物通常对电磁波信号有吸收作用，测量的信号强度RSSI会比实际值偏小，计算后的距离及圆的半径会偏大，所以实际绘制出的模型如图1所示。

三个圆两两相交有六个交点，取中心的三组解，设为P1(x1,y1),P2(x2,y2),P3(x3,y3)。为了求得人员的位置，通常质心定位算法如式(3)所示。

dA,dB,dC,为P到节点ABC的距离。加权质心定位优化算法提高了计算精度但误差依旧比较大。为了反应出距离越小权值越高的特点，同时考虑到三个节点的局限性，之后按照具体情况合理选用多个节点进行计算。当节点数量N>3时可以计算出节点i的权值为：

再根据节点距离调节权重，得到权值ωk为：

得人员的位置坐标为：

4 测试结果与分析

为了对该系统的wifi定位功能的精度进行测试，我们安排人员来到了工厂进行了测试， 经过多次重复测试可以得出一下结果，如表2所示。

表2 无线wifi定位算法的测试数据

由上表2可得出，虽然wifi定位存在误差，改进定位算法有效的提高了定位精度。

结束语：近年来，安全问题越来越得到人们的重视，在工厂作业时安全问题尤为突出。基于WiFi技术的人员定位系统能实现对员工位置的实时监控，能够弥补人力监控的局部性、不可靠性，在保证员工们安全的同时也减小了管理成本。本文提出的基于WiFi技术的人员定位系统是根据手机与邻近多个AP节点的接收信号强度RSSI进行测距，并用三角定位算法计算出具体位置。该系统已经投入到具体水泥工厂开始使用，使用过程总验证了其定位效果精确有效，能够做到当人员进入危险区时发出警报。