基于WiFi三角定位原理的语音寻物探测方法研究

《物联网技术》杂志
2021-10-14 18:42
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引 言

随着电子产品设备的普及,手持设备(手机、平板电脑等) 的人均拥有数量增多,设备日趋微型化,经常发生急于寻找某种设备却不能快速准确找到的情况,影响了人们生活或工作的效率。虽然这些设备使用方便,但丢失之后难以寻找。特别是盲人人群,由于无法直接看到,因此寻找东西对于他们来说更为困难。为解决这一问题,目前成熟的产品可将定位的RFID 标签以贴片形式置于设备上,但该做法并不安全,被人捡到后易被撕下,在使用过程中也有可能被磨损或丢失。还有一种是蓝牙追踪器,采用黏胶或夹扣的形式附加在设备上,但使用和携带不便,容易损坏,且受蓝牙无线传输距离的限制,使得上述装置具有一定的局性限。也有一些无线寻物装置,可以方便寻找物品,通过智能终端发送命令来控制装置发声或发光, 但缺少反馈设备所在位置信息以及语音播报功能。

1 语音寻物探测方法的具体实现

WiFi 语音寻物探测基于RSSI 三角定位算法,将处于同一个WLAN 的无线路由器、探测节点与被测节点(文章中三个节点的编号分别为 1、3、2)定义为三角形的三个顶点,分别测量出探测节点与路由器间的距离、被测节点与路由器间的距离,进行位置定位。继而可根据这一算法编制软件,嵌入到硬件模块中,制成WiFi 语音寻物探测装置。该产品定位准确、搜索速度快,又有语音提示,势必会成为一款具有广阔市场前景的新产品。

三角定位原理的实现思想是无线路由器与被测节点位置固定,探测节点处于移动状态。根据RSSI技术,首先分别计算出被测节点、探测节点与无线路由器间的距离 d21和 d31。如果要使三点构成一个三角形,那么被测节点与探测结点间的距离 d23 应满足公式(1):

|d21 - d31|< d23< d21+d31(1) 

先给 d23选出一个最大值,根据三边关系,计算出边 21与边 31 的夹角 α。接下来,假设边 21 与边 31 的夹角成 90 , 与推算出的 d23 进行比较。如果结果大于 d23,此时再引入一个方位传感器,在它的帮助下适当调小夹角 α 的值。循环计算与比较,直至逐步接近目标为止。

三角定位原理示意图如图 1 所示。

探测方法主要包括以下步骤:

将探测装置置于可移动物体(类似遥控小车)上, 由探测装置根据设备的MAC 地址,确定要搜索的目标,开启定位请求。

测出被测节点与探测节点接收信号强度 RSSI的值。

分别计算出无线路由器节点与被测节点之间的距离以及无线路由器节点与探测节点之间的距离。

在公式(2)中,d 表示无线路由器节点与被测节点或探测节点之间的距离;n 表示信号传播系数;A 表示被测节点或探测节点与无线路由器节点相距 1 m 时的信号强度。其中,A 的值通过测量距离路由器 1 m 处的RSSI 值得到。


若未知节点和无线路由器节点相连构成的边与无线路由器节点和探测节点相连构成的边的夹角为钝角,则说明探测节点与被测节点的距离还很远,钝角的情况不考虑 ;否则计算出探测节点和被测节点之间的距离,并通过语音播报。根据步骤(4)的结果不断缩小被测节点和无线路由器节点相连构成的边与无线路由器节点和探测节点相连构成的边之间的夹角,重复进行步骤(2)~(4),逐步计算出新的探测节点和被测节点之间的距离,不断进行语音提示,直至最终接近目标为止。
语音寻物探测流程如下所示:
(1)搜索装置开始工作,电源开关开启 ;
(2)打开模块上的 WiFi 开关,开始搜索附近的 WiFi 设备,并返回该设备的 MAC 地址。循环执行搜索程序,把设置的 MAC 地址显示在设备列表清单中;
(3)选择被测设备 ;
(4)计算距离,并语音播放距离 ;
(5)判定距离是否大于设定值,如果是,则调整夹角及距离。循环重复这一过程,直至找到设备 ;

(6)进行声、光报告,结束搜索过程。

寻物探测流程如图 2 所示。



2 方法的改进 

在不同的环境下,可能存在不同的信号干扰,采用节点之 间的 RSSI 值估算距离必定存在一定的误差,可以根据特定的 环境对步骤(3)中测量到的距离采用传统最小二乘法进行修正, 得到修正后的距离 d :



其中,n 表示信号传播系数。设无线路由器节点坐标为(X1, Y1),探测节点坐标为(X3,Y3);以无线路由器节点为圆心,以 无线路由器节点和探测节点相连构成的边为半径,以(X3,Y3) 为焦点,在其附近取 m 个取样点,坐标分别为(X31,Y31),(X32, Y32),…,(X3m,Y3m),可分别得到 a、b 的值。



3 该探测方法的优点分析 

该方法利用接入在生活区域或工作区域里无处不在的 WiFi 信号,开启搜索设备的 WiFi 功能,该装置可利用无线信 号的空间传递性,将被寻物信息向四面八方发送,自动扫描 附近热点设备。搜索原理是利用每一个 WiFi 热点独一无二的 MAC 地址,在搜索到目标设备后,立即上传设备位置信息给 装置。同时,通过语音播报功能把位置和距离通知给搜寻者。 根据语音提示,不断调整搜索方位,缩小距离,直至最终找 到目标。 

4 结 语

随着无线通信技术的快速发展与普及渗透,现在家庭生 活或工作领域中越来越多的智能设备都具有开启 WiFi 信号, 连入附近无线局域网 WLAN 的功能。为此,设计一种快速寻 物方法,利用 WiFi 信号穿透性强,传输距离能够达到 150 m, 远超蓝牙或红外传输的优势,再借助传感器及时感应位置信 息,显示寻物路径,进行实时、准确的语音播报,带给人们(尤 其是盲人群体)寻物的便利。


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