基于WiFi的室内定位研究与实现.docx

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1、1前言近年来，随着无线通信技术与网络技术的不断开展和全面普及，各种新业务与新需求层出不穷，其中位置感知计算(1OCation-awareComPUting)和基于位置的效劳1BS在人们的生产生活中起到了至关重要的作用，如何确定用户位置是实施前述应用的首要问题，因此定位技术是位置感知计算和基于位置的效劳的核心问题。根据应用环境与场景的不同，定位技术可分为室内定位技术和室外定位技术。室外定位系统主要有蜂窝定位和全球定位系统GPSo蜂窝无线定位即定位，是基于移动蜂窝网的基站定位，其定位精度依赖于基站的分布和基站信号覆盖范围的大小。1996年，美国FCC公布了E-9(Emergencycab911，)

2、条例提出了相关的技术要求，要求移动通信提供商必须为用户提供定位准确度在125m以内的室外定位效劳，2001年以后，美国FCC提出了更严格的准确度和三维空间定位的需求。在政府的要求和市场利润的驱动下，使基于蜂窝移动网的定位技术得到了广泛的应用。美国的GPS系统是目前使用最广泛、用户人数量最多的全球性定位系统。GPS系统由24颗卫星组成，在任何时间任何地点地面接收终端都可以同时接受到4颗以上的卫星发出的信号。根据电磁波的传播原理，通过卫星信号的到达时间差来计算出搜索到的卫星和终端用户之间的距离，采用三边定位法计算出终端用户的具体位置，其民用定位精度可以到达15m以内。同时，其他国家也陆续研究开发出

3、了具有自主知识产权的定位系统，包括和中国的北斗卫星定位系统、俄罗斯的G1OnaSS定位系统和欧盟的Ga1i1eo定位系统。但是在城市环境中，由于GPS卫星发射的电磁信号太微弱，楼宇等建筑物阻碍了卫星信号的传播，所以导致了所谓的“都市峡谷fUrbanCanyon)效应，使得GPS系统无法正确定位。因此，虽然GPS系统在室外环境能够有效地定位，但是在室内环境却无法进行有效的定位。以上两种定位系统是应用比拟广泛的室外定位系统，但应用于室内的时候，这两种定位系统并不能提供很好的定位效劳。首先，由于室内环境复杂，信号在室内传播的情况要复杂于室外传播的情况。其次，室外定位应用大都是开阔环境中，几十米的定位

4、误差并不影响用户的使用感受；但对于室内定位应用而言，需要将定位精度控制在假设千米以内，才能为用户提供达可具使用性的室内定位系统。针对室内定位的难点，即克服信号受到环境噪声的干扰，对移动用户的快速定位，对定位精度的高要求，国内外研究人员都进行了有针对性的研究，这些研究涉及到无线网络、传感器技术、随机信号处理等众多交叉领域。2总体方案设计2/IWiFi室内定位技术的分类几何法几何法是利用几何学原理估计用户位置的定位方法，几何法包括三边定位法和三角定位法，其中前者使用距离作为几何参数，后者使用角度作为几何参数，以下将简述三边定位法的定位原理。三边定位法是一种基于测距的定位算法，GPS全球定位系统是典

5、型的使用三边定位法进行位置估计的定位系统，根据定位目标与各个参考点的距离使用几何方法得到估计坐标。在二维空间坐标系中，选取三个点作为参考点，这三个点必须是不共线的，在得知它们与定位目标之间距离的情况下即可以计算出定位目标的位置。如图2.1.1所示，参考节点A、B、C的坐标分别为(Xa,Ya)、fXb,Ybh(Xe,Yc),测得它们到待定位节点D的距离分别为Da、Db、De,假设节点D的坐标为(x,y)。图2-1-1三边定位法示意图当测得未知节点与信标节点的距离为d时，在理想情况下，可认为未知节点在以参考节点为圆心半径为d的圆上，三个相交的圆可唯一确定一个点或一个区域，这个点或者这个区域的中心即

6、为未知节点的位置。根据参数，可建立如下一组方程：近似法近似法的原理为在某一范围内监测附近用户，假设感知到用户在接近某锚节点时，即可以使用锚节点位置近似计算用户的位置。如图2-4所示。在无线网络中，每个接入点都有一定的覆盖范围，它是连接用户从无线通信到有线通信的纽带，为无用户提供通信效劳，所有进入这一信号区域的无线用户都可以通过与它的关联实现网络通信。此定位方法是通过AP接入点的位置来估计用户的位置，其最大优点是简单，易于实施使用，无需在终端安装任何额外的硬件设备和软件程序，可以使用效劳器进行集中监控，常用的效劳器接入监控程序可以基于RADIUS(RemoteAuthenticationDia1

7、-InUserService)协议或者基于SNMP(Simp1eNetworkManagementPrOtOeO1)协议。近似法的定位精度主要依赖于AP接入点的接入距离，IEEE802.11的理论接入距离是室内100米和室外300米，但在实际使用中有各种障碍物，如混凝土墙壁和铁对射频信号的屏蔽最大，玻璃、木板、石膏墙等对无线信号的影响最小，所有AP接入点的有效接入距离是室内3米、室外100米。图2-1-2近似法位置估计示意图场景分析法该方法首先将观察到的环境信息简化成易于量化与计算的信息量，使用相关的信息量描述物理位置，将所有位置的位置信息量汇总构成环境数据库。在位置匹配阶段，利用在某一地点观

8、察到的场景特征信息量，使用特定的匹配算法进行位置匹配，从而分析推断用户的估计位置。场景分析法的优点在于不用依赖于几何量就可以通过非几何的角度或距离这些的特征估计出物体的位置。测量角度或距离需要添加额外的设备，实施复杂度高，也不利于实际实施。但是，场景分析法也有其缺乏之处，系统需要获得具体定位环境的特征集，从而与其实时场景特征量进行匹配和定位。而且，环境中的某些环境参数的改变可能会导致先期的环境特征量不再适用，从而可能要重新构建新的特征集。2.2方案的选择比拟定位方法的选取基于WIFI的室内定位有三种根本定位思路，包括几何法、近似法和场景分析法，表2-2为几种定位方法的比照情况。表2-2室内定位

9、方法的比拟与基于传播模型的几何法相比，基于位置指纹的定位模型可以提供更高精度的定位要求，而且具有良好的鲁棒性，可以有效防止由于传播模型不准确所带来的定位误差，所以基于位置指纹的定位方法成为目前室内定位的主流方向。因此将基于WiFi和位置指纹的室内定位方法作为本课题的研究对象。定位算法的选取基于W1F1的室内定位有两种根本的定位算法，分别是最近邻法和朴素贝叶斯法。最近邻法：朴素贝叶斯法：朴素贝叶斯法是一种源于统计学的分类方法，是贝叶斯分类的一种基于贝叶斯定理的实现。它通过计算目标的后验概率来实现定位。位置指纹识别的两种根本匹配算法（K近邻法和朴素贝叶斯法）中，朴素贝叶斯法的定位精度要高于K近邻法

10、，因此本文所实现的定位系统选择基于概率性的贝叶斯匹配算法作为根本定位方法。3WiFi定位系统的概述目标是实现基于位置指纹的无线室内定位系统，旨在向用户提供所在区域的实时位置信息,并提供相对应的指引帮助。定位系统的主要目标如下：为用户提供高精度和高可靠性的室内定位效劳；使用户可以在系统覆盖区域无缝地使用定位效劳，获取其所在位置的实时位置信息；定位系统可以迅速地处理来自用户的定位请求，并对并发访问提供良好的应答机制。图3无线室内定位系统整体架构定位系统整体架构如图3所示，本室内定位系统是由定位效劳器、WiFi网络（含AP）和定位终端三局部组成。定位效劳器的主要功能：（1）解析离线阶段采集的RSSI

11、信息，建立W1AN地图数据库和信号覆盖图数据库；（2）响应移动终端的定位请求，根据指定的定位匹配算法结合位置指纹数据库进行位置估计，并将定位结果返回给移动终端。终端系统的主要功能：（1）离线阶段自动连续测量RSSI特征数据；（2）定位阶段扫描发送定位请求和显示由效劳器返回的位置信息等。WiFi网络的主要功能：构建射频信号空间分布，为定位算法提供RSS1指纹数据支撑；（2）为移动终端与定位效劳器提供通信支撑。3.1 系统功能模块需求效劳器程序效劳器程序主要由以下功能模块组成：网络通信模块、定位算法模块、RSSI指纹数据库模块和地图信息模块，其结构如图3-1-1所示。图3-1-1效劳器系统结构图其

12、中网络通信模块与移动终端进行通讯，需要接收来自多个移动终端的定位请求，并能将定位结果和位置应用等相关信息返回给相应的移动终端。RSSI位置指纹数据库模块在效劳器启动之初，需要对离线阶段所采集的位置指纹信息进行解析，结合实际环境中的建筑布局进行定位空间建模，将位置指纹信息和定位环境相关联。并根据定位算法的要求，对数据库中的位置指纹进行滤波处理，保证指纹信息的准确性，以提高定位系统的定位精度。定位算法模块是整个系统中最核心的功能模块，对室内定位结果有着极大的影响。由于目前有很多种基于位置指纹的定位算法，且各算法对系统要求各异，因此在系统设计之初，应选择适宜的设计模式和数据结构以保证能定位系统可以兼

13、容多种定位算法，为以后的系统拓展和改良提供必要的根底。终端程序终端程序主要由以下功能模块组成：RSSI测量模块、UI界面和网络通信模块，其结构如图3-1-2所示。图3-1-2终端系统功能结构图网络通信模块与效劳器端通信模块为通信对等实体，不再详述。RSSI测量模块使用无线网卡底层驱动，读取接收自各个AP的Beacons帧信息，得到所需要的RSSI信息，并将位置指纹与位置信息相关联。位置信息显示模块即为UI界面，由于终端界面需要使用在离线阶段和定位阶段，并且两个阶段的功能作用不同，因此需要有两种UI界面。一种为系统维护人员所使用的位置信息采集界面，需要输入位置信息，并可设置时间间隔在某一参考点处

14、连续采集一组RSSI数据；另一种为用户使用的定位查询界面，将由效劳器返回的位置信息显示在UI界面中。4WiFi定位系统的设计与实现定位系统的效劳流程如图4所示。离线训练阶段，在定位区域使用移动终端测量收集各个AP的RSSI信息，并将RSSI信息存储在位置指纹数据库中供效劳器程序进行定位使用。在线定位阶段，启动定位效劳器中的程序，完成系统初始化工作，并做好监听定位请求的准备。开启移动终端上的终端程序，根据WiFi网络初始化通信网络，关联通信AP,图4定位系统效劳流程图并读取配置文件进行UI界面初始化。移动终端扫描无线信号，将对应AP的MAC和RSSI列表发送给定位效劳器。效劳器程序接收到用户的定

15、位请求后，使用指定的位置匹配算法计算出用户的当前位置，并结合当前位置的其他应用信息，一同返回给移动终端。终端程序收到效劳器程序返回的位置结果后，将用户位置显示在地图显示模块中，为用户提供直观的显示效果。4.1 硬件平台无线AP系统中使用的无线AP是1inkSySWRT54G,有很多种开源无线路由固件都支持此款AP,如TomatoDua1WAN,DD-WRT,WayoS和OPenWRT,因此，可以提供应用户多于默认固件的功能，有助于提升用户的使用感受。WRT54GZ的详细配置参数如表4-1-1示。表4-1-1WRT54G参数移动终端在本系统中采用的移动终端是1enOVO的1ePadA1,这是一款

16、基于android系统的平板电脑,其中CPU主频IGHz,并拥有7英寸,1024*600的大屏幕，A1的详细配置参数如表4-1-2所示：表4-1-21ePad参数4.2 效劳器系统效劳器系统的功能结构主要包括网络通信模块、定位算法模块和RSSI指纹数据库模块，效劳器系统的逻辑关系如图4-2所示,箭头方向代表数据流向。效劳器程序在VS2023下实现,各个功能模块在同一主机中，后期可以考虑将效劳程序和数据库别离在不同的机器中。图4-2效劳器系统逻辑图数据库模块数据库模块中首要功能是保存位置指纹数据，需要对离线阶段所采集的位置指纹信息进行解析，结合实际环境中的建筑布局进行定位空间建模，将位置指纹信息和定位环境相关联