基于Android平臺的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)_李煒

1、第41卷增刊2013年10月華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版J .Huazhon g Uni v .of Sci .&Tech .(Nat ural Science Editi on Vol .41Su p .Oct .2011收稿日期2013-07-10.作者簡介李煒(1975-,女,副教授,E-mail :li vei0828hust .edu .cn .基于Andr oi d 平臺的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)李煒金亮陳曦(華中科技大學(xué)自動化學(xué)院,湖北武漢430074摘要在Andr oi d 平臺上設(shè)計并實現(xiàn)了室內(nèi)W i Fi 定位系統(tǒng).該系統(tǒng)采用Andr oi d 系統(tǒng)的移動終端收集W

2、i Fi信號強(qiáng)度信號,利用W i ndo ws 平臺電腦終端計算位置指紋生成數(shù)據(jù)庫,通過移動客戶端和服務(wù)器端的交互實現(xiàn)定位.當(dāng)用戶有定位需求時,向底層W i Fi 模塊發(fā)出請求,讀取不同無線路由器的信號強(qiáng)度信息,并發(fā)送到服務(wù)器端.服務(wù)器端采用基于k 近鄰法的室內(nèi)位置匹配算法進(jìn)行位置定位,并將位置信息返回給移動端.測試結(jié)果表明:系統(tǒng)3m 內(nèi)定位精度達(dá)到90%以上,5m 內(nèi)定位精度達(dá)到95%以上,單次定位時間在5s 以內(nèi).關(guān)鍵詞通信技術(shù);室內(nèi)定位系統(tǒng);模型;k 近鄰法;Andr oi d 平臺中圖分類號TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼A文章編號1671-4512(2013S1-0422-03I ndoor p

3、 ositi oni n g s y st e m desi g n and i m p le m ent ati onbased on Andr oi d p l atfor mLi W eiJ i n Li an gChen Xi(Colle g e of Aut o mati on ,Huazhon g Uni versit y of Science and Technol o gy ,W uhan 430074,Chi na Abst r actW i Fi i ndoor p ositi oni n g s y st e m was desi g ned and i m p l e

4、ment ed based on t he Andr oi d p l at-f or m.The Andr oi d s y st e m mobil e t er m i nals wer e a pp lied t o coll ect W i Fi st r en g t h si g nals ,and t hen ori g i nal sa m p li n g dat a wer e calcul at ed t o obt ai n t he l ocati on fi n g er p ri nt dat abase usi n g t he W i ndo wsp l a

5、tf or m co m p ut er t er mi nal ,and fi nall y p ositi oni n g was i m p l e ment ed t hr ou g h t he i nt er acti on of mo-bil e client and ser ver .W hen users have p ositi oni n g de mands ,mobil e client p ut s f or war d r e q uest t o t he underl y i n g W i Fi modul e ,achieves si g nal st r

6、 en g t hs of differ ent w ir el ess r out ers and send t o t he ser ver .The i ndoor l ocati on mat chi n g al g orit h m was a pp lied based on k near est nei g hbor met hod ,and l ocati on i nf or mati on was r et ur ned t o t he mobil e client .The r es ult s ill ust r at e t hat t he accur ac y

7、 is above 90%w it hi n 3met ers ,above 95%w it hi n 5met ers and si n g l e p ositi oni n g ti me is l ess t han 5seconds .Ke y wor dsco mmunicati ons t echnol o gy ;i ndoor p ositi oni n g s y st e m ;modeli n g ;k near est nei g hbor met hod ;Andr oi d p l atf or m目前常用的室內(nèi)定位技術(shù)有超聲波、射頻、Z i g bee 和w i

8、r el ess fi delit y (W i Fi 等技術(shù)1.超聲波定位具有定位精度較高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,但超聲波易受多徑效應(yīng)和非視距傳播的影響,并且需要大量的硬件設(shè)施投資,成本高.射頻識別(RFI D 定位的作用距離短、不具備通信能力,因此不便于整合到其他系統(tǒng)之中2.Z i g bee 技術(shù)的優(yōu)點是室內(nèi)定位精度高、應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境能力強(qiáng)、信號穿透力好,缺點則是技術(shù)成熟度低、成本高.基于W i Fi 的室內(nèi)定位技術(shù)無需額外的硬件裝置,具備高精度、低成本和低功耗等優(yōu)點3.本研究在分析信號傳播模型和室內(nèi)位置匹配算法的基礎(chǔ)上,提出了基于Andr oi d 平臺的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計方案,并通過試驗驗證了

9、其有效性.1信號傳播模型由于建筑物內(nèi)部的遮擋存在嚴(yán)重的多徑干網(wǎng)絡(luò)出版時間:2014-01-10 22:22網(wǎng)絡(luò)出版地址:涉、反射、衍射等現(xiàn)象,傳統(tǒng)的路徑損耗模型4不能精確的描述室內(nèi)環(huán)境下的傳播損耗.主導(dǎo)路徑損耗模型如下5p r (L =p r (d 010n l g (L /d 0,(1式中:L 表示無線電波沿主導(dǎo)傳播路徑所經(jīng)過的路徑總長度;p r (L 為接收點距離發(fā)射點距離為L 時的接收信號強(qiáng)度;d 0為接收點的參考距離;n 為路徑損耗指數(shù),由環(huán)境因素決定.在傳統(tǒng)路徑損耗模型中, 并不是采用路徑總長度,而是接收點到發(fā)射點的直線距離,在室內(nèi)環(huán)境下直線距離往往誤差很大,因為建筑物里面的電梯、鐵

10、門、鋼筋混泥土墻壁會阻擋電波的傳播,所以電波的主要傳播路徑并不是兩點間的直線,而是由幾條避開障礙物的直線組成的.由于不同室內(nèi)環(huán)境的路徑損耗系數(shù)不同,比如鋼筋混泥土墻壁的損耗系數(shù)較大,玻璃墻次之.損耗系數(shù)的不同造成了傳播損耗模型的不同,因此本研究在主導(dǎo)路徑信號傳播損耗模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了子空間劃分,根據(jù)室內(nèi)環(huán)境分析信號的主導(dǎo)傳播路徑,根據(jù)不同路徑上的不同障礙物計算得到定位子空間的信號覆蓋圖,以提高定位精度.2室內(nèi)位置匹配算法2.1算法思想本文將k 近鄰法應(yīng)用到室內(nèi)定位算法中.根據(jù)子空間劃分和基于主導(dǎo)路徑的信號傳播損耗模型,對待定位的室內(nèi)空間各個離散點進(jìn)行采樣得到一組周圍無線接入點(AP 的RSSI

11、值,然后進(jìn)行濾波降噪處理、特征提取處理后形成指紋數(shù)據(jù)庫,指紋數(shù)據(jù)庫是存放在服務(wù)器端的.客戶端在定位時通過采集位置處一組AP 的RSSI 值,然后通過k 近鄰(k -near est nei g hbour ,KNN 分類算法找出與待定位位置處歐式距離最小的k 個參考點,然后計算出這k 個參考位置點的幾何中心得到待定位點的初始估算位置,再通過用戶位置濾波和子空間輔助定位模塊進(jìn)行修正,完成定位.2.2位置匹配算法描述步驟1采樣.在待定位區(qū)域每隔1m 選取一個采樣點,每個采樣點對一組AP 的RSSI 值讀取多次,采樣完成后進(jìn)行最大值濾波降噪處理,形成指紋數(shù)據(jù)庫.步驟2測試.同采樣的操作相似,對待定位

12、區(qū)域的所有采樣點上再進(jìn)行一次讀取AP 的RSSI 值的工作,然后計算定位精度.步驟3定位.Andr oi d 客戶端讀取所在位置處的各個AP 的RSSI 值,進(jìn)行濾波降噪處理后與服務(wù)器端通信,將客戶端損耗值傳輸給服務(wù)器端,服務(wù)器端對客戶端的損耗數(shù)組進(jìn)行k 近鄰算法處理,算出與指紋數(shù)據(jù)庫中歐式距離最近的k 個參考位置點,再計算這k 個參考點的幾何中心得到初始估計位置.步驟4調(diào)用子空間輔助定位模塊進(jìn)行修正,將最終得到的位置信息傳輸給客戶端.3系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示為基于Andr oi d 平臺的室內(nèi)定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖.系統(tǒng)移動終端采用基于An-dr oi d 系統(tǒng)的手機(jī)或掌上電腦(P

13、 DA ,電腦終端采用W i ndo ws 平臺,服務(wù)器端存儲了指紋數(shù)據(jù)庫并與電腦終端交互.整個定位過程由客戶端和服務(wù)器端共同完成,用戶有定位需求時,向底層W i Fi 模塊發(fā)出請求,啟動讀取來自各個AP 的RSSI 值的程序,并將讀取得到的損耗值發(fā)送給服務(wù)器端.服務(wù)器端調(diào)用定位算法進(jìn)行定位,并將位置信息返回給移動客戶端.圖1基于Andr oi d 平臺的室內(nèi)定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)3.2客戶端設(shè)計Andr oi d 客戶端系統(tǒng)主要功能包括AP 損耗值RSSI 的測量、位置信息顯示以及與服務(wù)器端的交互.測AP 損耗值的這個模塊主要調(diào)用了W ifi M ana g er 和W ifiI nf o 這兩個

14、類,W ifi M ana g er 中的Scan Res ult 字段記錄了掃描到的AP 的各種信息:掃描W i Fi 接入點的地址(BSSI D 、掃描W i Fi 接入點的網(wǎng)絡(luò)名稱(SSI D 、掃描W i Fi 信號點的強(qiáng)弱(l evel 等,此處需要用到的是l evel 值即RSSI 值,W ifiI nf o 中要用到的是g et M ac Addr ess 方法來獲取AP 的M edia Access Cont r ol (MAC 地址.位置信息顯示模塊是將客戶端收到的當(dāng)前位置信息在地圖上直觀地顯示出來,地圖是事先繪制好并導(dǎo)入到移動端的的待定位的區(qū)域圖,地圖上會建立一個坐標(biāo),并有

15、一定的比例尺,接收到服務(wù)器端由定位算法計算出來的坐標(biāo)信息后將其在地圖上相應(yīng)的位置出動態(tài)的顯示出來.與服務(wù)器端的交互模塊功能是接收和發(fā)送通信數(shù)據(jù),觸動掃描W i Fi 信號完成這個事件,在發(fā)324增刊李煒,等:基于Andr oi d 平臺的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)送數(shù)據(jù)之前需要進(jìn)行一些處理:先過濾掉不相關(guān)的AP信息,留下已布置好AP的信息,再進(jìn)行最大值濾波或卡爾曼濾波,處理完成后的是平滑的既定的AP的MAC地址和RSSI值的鍵值對.與服務(wù)器端的通信通過Socket(套接字技術(shù)完成,這是一種較為底層的網(wǎng)絡(luò)連接編程技術(shù),Socket 接口定義了許多方法供開發(fā)人員調(diào)用.Socket中包含了用于創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)連

16、接時所必需的數(shù)據(jù),如本地或遠(yuǎn)程主機(jī)的I P地址及其端口號、連接時使用的協(xié)議等.創(chuàng)建通信服務(wù)端的步驟:a.調(diào)用Ser-ver Socket構(gòu)造方法,并傳入指定的端口號創(chuàng)建服務(wù)器Socket;b.調(diào)用Ser ver Socket的acce p t方法,監(jiān)聽等待客戶端的連接;c.與通信客戶端傳輸數(shù)據(jù),讀取通信客戶端的數(shù)據(jù)流;d.關(guān)閉打開的數(shù)據(jù)流.創(chuàng)建通信客戶端的步驟:a.傳入通信服務(wù)器端的I P地址和端口號,連接通信服務(wù)器,并調(diào)用Socket的構(gòu)造方法創(chuàng)立連接;b.向通信服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)流;c.關(guān)閉打開的數(shù)據(jù)流.客戶端流程描述:進(jìn)入系統(tǒng)歡迎界面,初始化各種參數(shù),監(jiān)聽用戶是否有定位請求,若有則將W I

17、FI打開,調(diào)用st art Scan進(jìn)行熱點掃描,掃描完成后將獲得的RSSI值進(jìn)行降噪濾波處理,然后與服務(wù)器端建立Socket連接并傳送損耗信息,服務(wù)器端計算得到位置信息發(fā)送給客戶端,最終客戶端將坐標(biāo)顯示在M a p V ie w中.3.3服務(wù)器端設(shè)計服務(wù)器端存儲了位置指紋數(shù)據(jù)庫,并完成定位算法的功能.本系統(tǒng)使用m y s q l數(shù)據(jù)庫保存位置參考點信息.包含的數(shù)據(jù)表有:AP信息表、采樣信息表、濾波后的采樣信息表、定位信息表.AP信息表包含了AP的MAC地址、名稱(SSI D和頻道,主鍵是MAC地址,如表1所示.表1AP信息表MAC SSI D channel 1C:F A:68:24:33:

18、A0i otL111C:F A:68:4E:B0:94i otL231C:F A:68:24:A6:1C i otL208采樣信息表包含了采樣點坐標(biāo)、采樣AP的MAC地址、采樣AP的RSSI和采樣時間,如表2所示.定位信息表包括在定位點的測到的AP的MAC地址、AP的RSSI和定位時間.由于這兩張表和前面的比較類似,這里就不列出來了.表2采樣信息表x/m y/m SSI D RSSI Scan Ti me11533i otL16103-16-15:1211533i otL24503-16-15:1311533i otL208903-16-15:544實驗結(jié)果本文在Andr oi d平臺上設(shè)計并

19、實現(xiàn)了基于k 近鄰法的定位算法的室內(nèi)W i Fi定位系統(tǒng),實驗地點選擇華中科技大學(xué)I OT實驗中心,定位的結(jié)果如表3所示.由表3可知:概率法和k近鄰法均表現(xiàn)較好,能夠在3m內(nèi)精度達(dá)到90%,5m內(nèi)定位精度達(dá)到95%以上,單次定位時間在5s以內(nèi).表3定位結(jié)果定位技術(shù)概率法k NN平均誤差/m2.22.13m內(nèi)精度/%90915m內(nèi)精度/%9697本實驗可以利用現(xiàn)有的無線AP,無須額外的硬件設(shè)備投入,在移動端上也僅僅只須安裝好一個定位軟件,并且計算過程不復(fù)雜,易于實現(xiàn),具有很高的實用價值.參考文獻(xiàn)1張世哲.基于慣性傳感器和W i Fi的定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)D.北京:北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院, 2012.2Li onel M N,Li u Y H,Lau Y C,et al.L A