基于WiFi的室內(nèi)定位研究與實(shí)現(xiàn)

1、西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 1前言 近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和全面普及，各種新業(yè)務(wù)與新需求層出不窮，其中位置感知計(jì)算(Location-aware Computing)和基于位置的服務(wù)LBS 在人們的生產(chǎn)生活中起到了至關(guān)重要的作用，如何確定用戶位置是實(shí)施前述應(yīng)用的首要問(wèn)題，因此定位技術(shù)是位置感知計(jì)算和基于位置的服務(wù)的核心問(wèn)題。 根據(jù)應(yīng)用環(huán)境與場(chǎng)景的不同，定位技術(shù)可分為室內(nèi)定位技術(shù)和室外定位技術(shù)。室外定位系統(tǒng)主要有蜂窩定位和全球定位系統(tǒng) GPS。 蜂窩無(wú)線定位即手機(jī)定位，是基于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)的基站定位，其定位精度依賴于基站的 分 布 和基站 信號(hào)覆 蓋范圍 的大小 。1996 年，美

2、國(guó) FCC 頒布了E-911(Emergency call 911)條例提出了相關(guān)的技術(shù)要求，要求移動(dòng)通信提供商必須為用戶提供定位準(zhǔn)確度在 125m 以內(nèi)的室外定位服務(wù)，2001 年以后，美國(guó) FCC 提出了更嚴(yán)格的準(zhǔn)確度和三維空間定位的需求。在政府的要求和市場(chǎng)利潤(rùn)的驅(qū)動(dòng)下，使基于蜂窩移動(dòng)網(wǎng)的定位技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。 美國(guó)的 GPS 系統(tǒng)是目前使用最廣泛、用戶人數(shù)量最多的全球性定位系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)由 24 顆衛(wèi)星組成，在任何時(shí)間任何地點(diǎn)地面接收終端都可以同時(shí)接受到 4 顆以上的衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)。根據(jù)電磁波的傳播原理，通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差來(lái)計(jì)算出搜索到的衛(wèi)星和終端用戶之間的距離，采用三邊定位

3、法計(jì)算出終端用戶的具體位置，其民用定位精度可以達(dá)到 15m 以內(nèi)。同時(shí)，其他國(guó)家也陸續(xù)研究開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定位系統(tǒng)，包括和中國(guó)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、俄羅斯的Glonass 定位系統(tǒng)和歐盟的 Galileo 定位系統(tǒng)。 但是在城市環(huán)境中，由于 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的電磁信號(hào)太微弱，樓宇等建筑物阻礙了衛(wèi)星信號(hào)的傳播，所以導(dǎo)致了所謂的“都市峽谷”（Urban Canyon）效應(yīng)，使得 GPS 系統(tǒng)無(wú)法正確定位。因此，雖然 GPS 系統(tǒng)在室外環(huán)境能夠有效地定位，但是在室內(nèi)環(huán)境卻無(wú)法進(jìn)行有效的定位。 以上兩種定位系統(tǒng)是應(yīng)用比較廣泛的室外定位系統(tǒng)，但應(yīng)用于室內(nèi)的時(shí)候，這兩種定位系統(tǒng)并不能提供很好的定位

4、服務(wù)。首先，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)在室內(nèi)傳播的情況要復(fù)雜于室外傳播的情況。其次，室外定位應(yīng)用大都是開闊環(huán)境中，幾十米的定位誤差并不影響用戶的使用感受；但對(duì)于室內(nèi)定位應(yīng)用而言，需要將定位精度控制在若干米以內(nèi)，才能為用戶提供達(dá)可具使用性的室內(nèi)定位系統(tǒng)。針對(duì)室內(nèi)定位的難點(diǎn)，即克服信號(hào)受到環(huán)境噪聲的干擾，對(duì)移動(dòng)用戶的快速定位，對(duì)定位精度的高要求，國(guó)內(nèi)外研究人員都進(jìn)行了有針對(duì)性的研究，這些研究涉及到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、傳感器技術(shù)、隨機(jī)信號(hào)處理等眾多交叉領(lǐng)域。2總體方案設(shè)計(jì)2.1WiFi室內(nèi)定位技術(shù)的分類2.1.1 幾何法 幾何法是利用幾何學(xué)原理估計(jì)用戶位置的定位方法，幾何法包括三邊定位法和三角定位法，其中前者使用

5、距離作為幾何參數(shù)，后者使用角度作為幾何參數(shù)，以下將簡(jiǎn)述三邊定位法的定位原理。 三邊定位法是一種基于測(cè)距的定位算法，GPS 全球定位系統(tǒng)是典型的使用三邊定位法進(jìn)行位置估計(jì)的定位系統(tǒng)，根據(jù)定位目標(biāo)與各個(gè)參考點(diǎn)的距離使用幾何方法得到估計(jì)坐標(biāo)。在二維空間坐標(biāo)系中，選取三個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，這三個(gè)點(diǎn)必須是不共線的，在得知它們與定位目標(biāo)之間距離的情況下即可以計(jì)算出定位目標(biāo)的位置。 如圖 2.1.1 所示，已知參考節(jié)點(diǎn) A 、 B 、C 的坐標(biāo)分別為 ( Xa,Ya )、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），測(cè)得它們到待定位節(jié)點(diǎn) D 的距離分別為Da 、Db 、Dc，假設(shè)節(jié)點(diǎn) D 的坐標(biāo)為 (x, y) 。 圖2-1

6、-1三邊定位法示意圖 當(dāng)測(cè)得未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離為 d 時(shí)，在理想情況下，可認(rèn)為未知節(jié)點(diǎn)在以參考節(jié)點(diǎn)為圓心半徑為 d 的圓上，三個(gè)相交的圓可唯一確定一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)區(qū)域，這個(gè)點(diǎn)或者這個(gè)區(qū)域的中心即為未知節(jié)點(diǎn)的位置。根據(jù)已知參數(shù)，可建立如下一組方程：2.1.2近似法 近似法的原理為在某一范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)附近用戶，若感知到用戶在接近某錨節(jié)點(diǎn)時(shí)，即可以使用錨節(jié)點(diǎn)位置近似計(jì)算用戶的位置。如圖 2-4 所示。 在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)接入點(diǎn)都有一定的覆蓋范圍，它是連接用戶從無(wú)線通信到有線通信的紐帶，為無(wú)用戶提供通信服務(wù)，所有進(jìn)入這一信號(hào)區(qū)域的無(wú)線用戶都可以通過(guò)與它的關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。此定位方法是通過(guò) AP 接入點(diǎn)的

7、位置來(lái)估計(jì)用戶的位置，其最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，易于實(shí)施使用，無(wú)需在終端安裝任何額外的硬件設(shè)備和軟件程序，可以使用服務(wù)器進(jìn)行集中監(jiān)控，常用的服務(wù)器接入監(jiān)控程序可以基于 RADIUS(Remote Authentication Dial-In User Service)協(xié)議或者基于SNMP(Simple Network Management Protocol)協(xié)議。近似法的定位精度主要依賴于AP 接入點(diǎn)的接入距離，IEEE 802.11 的理論接入距離是室內(nèi)100米和室外300 米，但在實(shí)際使用中有各種障礙物，如混凝土墻壁和鐵對(duì)射頻信號(hào)的屏蔽最大，玻璃、木板、石膏墻等對(duì)無(wú)線信號(hào)的影響最小，所有AP 接入

8、點(diǎn)的有效接入距離是室內(nèi)3米、室外100米。 圖2-1-2 近似法位置估計(jì)示意圖2.1.3場(chǎng)景分析法 該方法首先將觀察到的環(huán)境信息簡(jiǎn)化成易于量化與計(jì)算的信息量，使用相關(guān)的信息量描述物理位置，將所有位置的位置信息量匯總構(gòu)成環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。在位置匹配階段，利用在某一地點(diǎn)觀察到的場(chǎng)景特征信息量，使用特定的匹配算法進(jìn)行位置匹配，從而分析推斷用戶的估計(jì)位置。 場(chǎng)景分析法的優(yōu)點(diǎn)在于不用依賴于幾何量就可以通過(guò)非幾何的角度或距離這些的特征估計(jì)出物體的位置。測(cè)量角度或距離需要添加額外的設(shè)備，實(shí)施復(fù)雜度高，也不利于實(shí)際實(shí)施。但是，場(chǎng)景分析法也有其不足之處，系統(tǒng)需要獲得具體定位環(huán)境的特征集，從而與其實(shí)時(shí)場(chǎng)景特征量進(jìn)行匹配

9、和定位。而且，環(huán)境中的某些環(huán)境參數(shù)的改變可能會(huì)導(dǎo)致先期的環(huán)境特征量不再適用，從而可能要重新構(gòu)建新的特征集。2.2方案的選擇比較2.2.1定位方法的選取 基于WIFI的室內(nèi)定位 有三種基本定位思路，包括幾何法、近似法和場(chǎng)景分析法，表2-2為幾種定位方法的對(duì)比情況。表2-2室內(nèi)定位方法的比較 與基于傳播模型的幾何法相比，基于位置指紋的定位模型可以提供更高精度的定位要求，而且具有良好的魯棒性，可以有效避免由于傳播模型不準(zhǔn)確所帶來(lái)的定位誤差，所以基于位置指紋的定位方法成為目前室內(nèi)定位的主流方向。因此將基于 Wi Fi和位置指紋的室內(nèi)定位方法作為本課題的研究對(duì)象。2.2.2定位算法的選取 基于WIFI的

10、室內(nèi)定位有兩種基本的定位算法，分別是最近鄰法和樸素貝葉斯法。最近鄰法： 樸素貝葉斯法：樸素貝葉斯法是一種源于統(tǒng)計(jì)學(xué)的分類方法，是貝葉斯分類的一種基于貝葉斯定理的實(shí)現(xiàn)。它通過(guò)計(jì)算目標(biāo)的后驗(yàn)概率來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。 位置指紋識(shí)別的兩種基本匹配算法(K 近鄰法和樸素貝葉斯法)中，樸素貝葉斯法的定位精度要高于 K 近鄰法，因此本文所實(shí)現(xiàn)的定位系統(tǒng)選擇基于概率性的貝葉斯匹配算法作為基本定位方法。3WiFi定位系統(tǒng)的概述 目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)基于位置指紋的無(wú)線室內(nèi)定位系統(tǒng)，旨在向用戶提供所在區(qū)域的實(shí)時(shí)位置信息，并提供相對(duì)應(yīng)的指引幫助。定位系統(tǒng)的主要目標(biāo)如下：l 為用戶提供高精度和高可靠性的室內(nèi)定位服務(wù)； 使用戶可以在系統(tǒng)覆

11、蓋區(qū)域無(wú)縫地使用定位服務(wù)，獲取其所在位置的實(shí)時(shí)位置信息； 定位系統(tǒng)可以迅速地處理來(lái)自用戶的定位請(qǐng)求，并對(duì)并發(fā)訪問(wèn)提供良好的應(yīng)答機(jī)制。圖3無(wú)線室內(nèi)定位系統(tǒng)整體架構(gòu) 定位系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 3所示，本室內(nèi)定位系統(tǒng)是由定位服務(wù)器、Wi Fi 網(wǎng)絡(luò)(含 AP)和定位終端三部分組成。 定位服務(wù)器的主要功能：(1)解析離線階段采集的 RSSI 信息，建立 WLAN 地圖數(shù)據(jù)庫(kù)和信號(hào)覆蓋圖數(shù)據(jù)庫(kù)；(2)響應(yīng)移動(dòng)終端的定位請(qǐng)求，根據(jù)指定的定位匹配算法結(jié)合位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行位置估計(jì)，并將定位結(jié)果返回給移動(dòng)終端。 終端系統(tǒng)的主要功能：(1)離線階段自動(dòng)連續(xù)測(cè)量 RSSI 特征數(shù)據(jù)；(2)定位階段掃描發(fā)送定位請(qǐng)求和顯

12、示由服務(wù)器返回的位置信息等。 WiFi網(wǎng)絡(luò)的主要功能：(1)構(gòu)建射頻信號(hào)空間分布，為定位算法提供 RSSI 指紋數(shù)據(jù)支撐；(2)為移動(dòng)終端與定位服務(wù)器提供通信支撐。3.1系統(tǒng)功能模塊需求3.1.1服務(wù)器程序 服務(wù)器程序主要由以下功能模塊組成：網(wǎng)絡(luò)通信模塊、定位算法模塊、RSSI指紋數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和地圖信息模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3-1-1所示。圖3-1-1服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其中網(wǎng)絡(luò)通信模塊與移動(dòng)終端進(jìn)行通訊，需要接收來(lái)自多個(gè)移動(dòng)終端的定位請(qǐng)求，并能將定位結(jié)果和位置應(yīng)用等相關(guān)信息返回給相應(yīng)的移動(dòng)終端。RSSI 位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)模塊在服務(wù)器啟動(dòng)之初，需要對(duì)離線階段所采集的位置指紋信息進(jìn)行解析，結(jié)合實(shí)際環(huán)境中的建

13、筑布局進(jìn)行定位空間建模，將位置指紋信息和定位環(huán)境相關(guān)聯(lián)。并根據(jù)定位算法的要求，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的位置指紋進(jìn)行濾波處理，保證指紋信息的準(zhǔn)確性，以提高定位系統(tǒng)的定位精度。 定位算法模塊是整個(gè)系統(tǒng)中最核心的功能模塊，對(duì)室內(nèi)定位結(jié)果有著極大的影響。由于目前有很多種基于位置指紋的定位算法，且各算法對(duì)系統(tǒng)要求各異，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，應(yīng)選擇合適的設(shè)計(jì)模式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以保證能定位系統(tǒng)可以兼容多種定位算法，為以后的系統(tǒng)拓展和改進(jìn)提供必要的基礎(chǔ)。3.1.2終端程序 終端程序主要由以下功能模塊組成：RSSI 測(cè)量模塊、UI 界面和網(wǎng)絡(luò)通信模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3-1-2所示。圖3-1-2終端系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖 網(wǎng)絡(luò)通信模塊與服務(wù)器

14、端通信模塊為通信對(duì)等實(shí)體，不再詳述。 RSSI 測(cè)量模塊使用無(wú)線網(wǎng)卡底層驅(qū)動(dòng)，讀取接收自各個(gè)AP 的 Beacons 幀信息，得到所需要的 RSSI 信息，并將位置指紋與位置信息相關(guān)聯(lián)。 位置信息顯示模塊即為 UI 界面，由于終端界面需要使用在離線階段和定位階段，并且兩個(gè)階段的功能作用不同，因此需要有兩種 UI 界面。一種為系統(tǒng)維護(hù)人員所使用的位置信息采集界面，需要輸入位置信息，并可設(shè)置時(shí)間間隔在某一參考點(diǎn)處連續(xù)采集一組 RSSI 數(shù)據(jù)；另一種為用戶使用的定位查詢界面，將由服務(wù)器返回的位置信息顯示在 UI 界面中。4 WiFi定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 定位系統(tǒng)的服務(wù)流程如圖4所示。(1)離線訓(xùn)練階

15、段，在定位區(qū)域使用移動(dòng)終端測(cè)量收集各個(gè)AP的 RSSI 信息，并將RSSI信息存儲(chǔ)在位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中供服務(wù)器程序進(jìn)行定位使用。(2)在線定位階段，啟動(dòng)定位服務(wù)器中的程序，完成系統(tǒng)初始化工作，并做好監(jiān)聽定位請(qǐng)求的準(zhǔn)備。(3)開啟移動(dòng)終端上的終端程序，根據(jù) Wi Fi 網(wǎng)絡(luò)初始化通信網(wǎng)絡(luò)，關(guān)聯(lián)通信AP，圖4定位系統(tǒng)服務(wù)流程圖并讀取配置文件進(jìn)行UI界面初始化。(4)移動(dòng)終端掃描無(wú)線信號(hào)，將對(duì)應(yīng)AP的MAC和RSSI列表發(fā)送給定位服務(wù)器。(5)服務(wù)器程序接收到用戶的定位請(qǐng)求后，使用指定的位置匹配算法計(jì)算出用戶的當(dāng)前位置，并結(jié)合當(dāng)前位置的其他應(yīng)用信息，一同返回給移動(dòng)終端。(6)終端程序收到服務(wù)器程序返回

16、的位置結(jié)果后，將用戶位置顯示在地圖顯示模塊中，為用戶提供直觀的顯示效果。4.1硬件平臺(tái)4.1.1無(wú)線AP系統(tǒng)中使用的無(wú)線 AP 是Linksys WRT54G，有很多種開源無(wú)線路由固件都支持此款 AP，如 Tomato Dual WAN，DD-WRT，Way OS和Open WRT，因此，可以提供給用戶多于默認(rèn)固件的功能，有助于提升用戶的使用感受。WRT54GZ 的詳細(xì)配置參數(shù)如表4-1-1示。表4-1-1WRT54G參數(shù)4.1.2移動(dòng)終端在本系統(tǒng)中采用的移動(dòng)終端是Lenovo的LePad A1，這是一款基于android系統(tǒng)的平板電腦，其中CPU主頻1GHz，并擁有7英寸,1024*600的

17、大屏幕，A1的詳細(xì)配置參數(shù)如表4-1-2所示：表4-1-2 LePad參數(shù)4.2服務(wù)器系統(tǒng) 服務(wù)器系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)主要包括網(wǎng)絡(luò)通信模塊、定位算法模塊和RSSI指紋數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，服務(wù)器系統(tǒng)的邏輯關(guān)系如圖4-2所示，箭頭方向代表數(shù)據(jù)流向。服務(wù)器程序在VS2010下實(shí)現(xiàn)，各個(gè)功能模塊在同一主機(jī)中，后期可以考慮將服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫(kù)分離在不同的機(jī)器中。圖4-2服務(wù)器系統(tǒng)邏輯圖4.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)模塊 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中首要功能是保存位置指紋數(shù)據(jù)，需要對(duì)離線階段所采集的位置指紋信息進(jìn)行解析，結(jié)合實(shí)際環(huán)境中的建筑布局進(jìn)行定位空間建模，將位置指紋信息和定位環(huán)境相關(guān)聯(lián)。本系統(tǒng)將定位區(qū)域劃分成大小為 1*1m的柵格，定位算法最終

18、實(shí)際定位目標(biāo)為柵格的標(biāo)號(hào)，因此，即使定位在同一標(biāo)號(hào)的柵格中，也存在由于柵格劃分而產(chǎn)生的定位誤差，即位置指紋識(shí)別法的定位精度存在理論下限。所以，需要根據(jù)實(shí)際定位范圍和訓(xùn)練階段的采樣間隔距離來(lái)決定柵格大小的劃分。RSSI數(shù)據(jù)庫(kù)的定義如表 4-2-1所示。表4-2-1RSSI數(shù)據(jù)庫(kù)表4.2.2定位算法模塊 定位算法模塊是整個(gè)定位系統(tǒng)的核心模塊，模塊的運(yùn)行由位置查詢報(bào)文的到達(dá)事件觸發(fā)，定位匹配流程如圖4-2-2所示。圖4-2-2-1匹配算法流程圖本定位系統(tǒng)所在的定位區(qū)域大小在500平方米左右，定位區(qū)域?qū)⒈粍澐?00多個(gè)柵格標(biāo)號(hào)，因此建立以柵格標(biāo)號(hào)為鍵值的靜態(tài)數(shù)組作為主數(shù)據(jù)索引，并將屬于同一個(gè)標(biāo)號(hào)的所有

19、指紋數(shù)據(jù)串聯(lián)起來(lái)，方便匹配算法使用，因?yàn)槊總€(gè)位置指紋包含的 AP 可能不同，使用MAC為鍵和RSSI為值組成鍵值對(duì)保存在結(jié)構(gòu)map中。定位匹配算法的指紋數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖4-2-2-2所示。由于本系統(tǒng)所采用的基礎(chǔ)匹配算法為基于概率性的樸素貝葉斯法，在位置匹配過(guò)程中，每個(gè)柵格位置都會(huì)計(jì)算出相應(yīng)的后驗(yàn)匹配概率，根據(jù)前文所提出的聯(lián)合定位方法，初定位階段需要保存 M 個(gè)概率最高的柵格標(biāo)號(hào)，因此，匹配模塊采用大小為M 的最小堆保存柵格標(biāo)號(hào)與其相對(duì)應(yīng)的概率，以便聯(lián)合定位階段不需要重新計(jì)算系統(tǒng)布置AP的RSSI 的匹配概率，降低匹配算法的時(shí)間復(fù)雜度。圖4-2-2-2數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)圖4.2.3通信模塊 定位系統(tǒng)的

20、基礎(chǔ)設(shè)施是Wi Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榫钟蚓W(wǎng)中通信過(guò)程中的丟包率很低，而且系統(tǒng)的主要服務(wù)是定位服務(wù)，定位階段正常的數(shù)據(jù)交互僅進(jìn)行一次往返通信過(guò)程即可完成服務(wù)，因此，本系統(tǒng)在傳輸層采用無(wú)連接的UDP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議，考慮到少概率丟包情況，在應(yīng)用層增加重傳機(jī)制，當(dāng)終端發(fā)送定位請(qǐng)求之后，如果1s之后沒有收到回復(fù)，則重傳上次的報(bào)文請(qǐng)求。本小節(jié)將詳細(xì)說(shuō)明終端系統(tǒng)與服務(wù)器系統(tǒng)之間的通信協(xié)議格式。 應(yīng)用層的通信協(xié)議采用擴(kuò)展方便的 TLV(Type-Length-Value)協(xié)議格式。其中，Type域是signed short 類型，長(zhǎng)度為 2個(gè)字節(jié)；Length 域是unsigned int類型，長(zhǎng)度為4個(gè)字

21、節(jié)；Value域是可變長(zhǎng)度，其中存儲(chǔ)應(yīng)用層載荷數(shù)據(jù)。以下為通信功能中的幾種典型應(yīng)用分析數(shù)據(jù)包的類型，包括：定位請(qǐng)求、位置響應(yīng)和RSSI指紋更新。 定位請(qǐng)求的數(shù)據(jù)定義如表4-2-3-1和表4-2-3-2所示：表4-2-3-1定位請(qǐng)求格式表4-2-3-2定位請(qǐng)求載荷數(shù)據(jù)格式 位置響應(yīng)的數(shù)據(jù)定義如表4-2-3-3和表4-2-3-4所示：表4-2-3-3位置響應(yīng)格式表4-2-3-4位置響應(yīng)載荷數(shù)據(jù)格式 RSSI 指紋更新的數(shù)據(jù)定義如表4-2-3-5和4-2-3-6所示：表4-2-3-5 RSSI指紋更新格式表4-2-3-6 定位請(qǐng)求載荷數(shù)據(jù)格式4.3終端系統(tǒng)終端系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)主要包括RSSI測(cè)量模塊U

22、I界面及終端通信模塊三個(gè)子模塊，終端系統(tǒng)的邏輯關(guān)系如圖4-3所示，箭頭方向代表數(shù)據(jù)流向。圖4-3終端系統(tǒng)邏輯圖 終端系統(tǒng)在平板電腦Le Pad中實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)為Android，開發(fā)軟件使用Eclipse?，F(xiàn)如今基于Android系統(tǒng)的手持終端的數(shù)量急速增長(zhǎng)，并且由于手持終端體積小巧，便于攜帶，相比于筆記本電腦，更能滿足用戶對(duì)于實(shí)時(shí)定位的要求。Android 系統(tǒng)提供豐富的類庫(kù)和控件，便于開發(fā)者使用，大大提高了軟件的開發(fā)效率，縮短了項(xiàng)目開發(fā)周期，使開發(fā)者可以把更多的時(shí)間花費(fèi)在業(yè)務(wù)邏輯中。因此，本系統(tǒng)采用 Android平臺(tái)作為開發(fā)環(huán)境，有助于不同終端接入使用本定位系統(tǒng)，提高本定位系統(tǒng)的實(shí)用性。4

23、.3.1RSSI測(cè)量模塊 RSSI測(cè)量模塊的功能是測(cè)量終端所能掃描到的所有AP的RSSI值，RSSI 測(cè)量模塊的工作流程如圖4-3-1所示。 Google公司發(fā)布的基于Android 操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)的開源SDK工具包，包含了功能豐富的WiFi Manager類庫(kù)，不僅可以使應(yīng)程序方便地實(shí)現(xiàn)Wi Fi連接，而且其中封裝好的Wi Fi 掃描函數(shù)可輕松掃描設(shè)備通信范圍內(nèi)的AP 熱點(diǎn)，同時(shí)可顯示接入點(diǎn)的SSID、MAC地址、IP 和經(jīng)量化處理的RSSI。Wi Fi Manager提供了一個(gè)面向底層硬件驅(qū)動(dòng)程序的抽象接口，使上層應(yīng)用軟件不必知道下層硬件的具體實(shí)現(xiàn)方式，直接從驅(qū)動(dòng)程序所更新的參數(shù)

24、數(shù)據(jù)中得到各個(gè)AP的RSSI信息。程序中主要使用了該類的兩個(gè)方法startScan和getScanResults。圖4-3-1 RSSI測(cè)量模塊流程圖4.3.2UI界面UI界面的主要功能是顯示地圖信息，并與用戶進(jìn)行交互，如圖4-3-2所示為離線訓(xùn)練階段所用的UI界面。其中界面主題顯示為本系統(tǒng)所在的定位區(qū)域，定位區(qū)域以實(shí)驗(yàn)室120B左下角作為起始坐標(biāo)(0，0)的參考點(diǎn)的二維相對(duì)坐標(biāo)，橫向?yàn)?X 軸，縱向?yàn)?Y 軸，坐標(biāo)軸單位為 cm。因?yàn)槠桨咫娔X帶有觸摸屏，所以可以直接觸摸用戶所在位置，由程序計(jì)算得出離線階段的相對(duì)坐標(biāo)，便于訓(xùn)練階段使用。由于訓(xùn)練階段的位置指紋數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)對(duì)定位系統(tǒng)的定位精度產(chǎn)

25、生巨大的影響，因此增加以每個(gè)房間的左下角為參考點(diǎn)的局部相對(duì)坐標(biāo)系。訓(xùn)練階段使用激光測(cè)距儀測(cè)量出局部相對(duì)坐標(biāo)，填入文本框中，由程序算出全局相對(duì)坐標(biāo)。UI界面中左上角區(qū)域顯示位置坐標(biāo)，第一列為室內(nèi)相對(duì)局部相對(duì)坐標(biāo)，第二列為全局相對(duì)坐標(biāo)。如圖4-3-2所示，實(shí)驗(yàn)室 125 中的紅點(diǎn)的位置即為用戶位置，局部相對(duì)坐標(biāo)為(200,300)，全局相對(duì)坐標(biāo)為(1201cm，1392)。定位階段所用的 UI界面與訓(xùn)練階段的相似，只是位置坐標(biāo)由定位服務(wù)器返回所得，所以此節(jié)不再做描述。圖4-3-2 UI界面4.3.3終端通信程序 終端通信模塊的主要功能是接收和發(fā)送通信數(shù)據(jù)，終端通信程序由RSSI測(cè)量模塊觸發(fā)。終端通

26、信模塊的工作流程圖如圖4-3-3所示，具體通信協(xié)議前文已經(jīng)進(jìn)行介紹。圖4-3-3 終端系統(tǒng)通信流程圖5實(shí)驗(yàn)平臺(tái)5.1軟件環(huán)境 在研究射頻無(wú)線信號(hào)的空間傳播特性之前，首要任務(wù)是使用終端在指定位置測(cè)量實(shí)時(shí) RSSI。本節(jié)將介紹后續(xù)實(shí)驗(yàn)中所用到的Wi Fi 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以及測(cè)量射頻無(wú)線信號(hào)等相關(guān)信息的方法。 由前文的介紹可知，WiFi無(wú)線局域網(wǎng)中的終端通過(guò)與AP 接入點(diǎn)通過(guò)通信連接進(jìn)行信息交互。在某時(shí)刻，如果不指定 AP 接入點(diǎn)的SSID，無(wú)線網(wǎng)卡將以附近AP 接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，選取信號(hào)強(qiáng)度最高的AP建立連接請(qǐng)求。同終端與AP 進(jìn)行關(guān)聯(lián)從而通信的方式不同，定位系統(tǒng)需要終端探測(cè)感知所在區(qū)域內(nèi)所

27、有AP 接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度。在 IEEE802.11 協(xié)議中，終端可以使用兩種方式獲取各個(gè)AP 的 RSSI 信息，即被動(dòng)掃描(Passive Scanning)模式和主動(dòng)掃描(Active Scanning)模式。 被動(dòng)掃描模式的優(yōu)點(diǎn)是可以降低功耗，但由于 AP 接入點(diǎn)可以被設(shè)置為不發(fā)送Beacons 幀，終端可能無(wú)法獲得所有AP接入點(diǎn)的RSSI 信息，所以本文選擇使用主動(dòng)掃描模式實(shí)現(xiàn)RSSI 的獲取功能。在主動(dòng)掃描過(guò)程如圖5-1所示，終端將掃描所有的802.11信道，在每個(gè)信道中，終端將以廣播的方式發(fā)送 Probe Request幀，當(dāng)AP收到此廣播幀后，就會(huì)選擇合適的時(shí)序發(fā)送Probe R

28、esponse 幀。隨著終端接收到工作在各個(gè)信道上的AP返回的Probe Response幀，主動(dòng)掃描過(guò)程結(jié)束，終端將會(huì)獲取到所有可以觀察到的AP列表，其中包括定位所需要的各個(gè)AP的MA地址和RSSI信息。圖5-1 802.11協(xié)議中的主動(dòng)掃描過(guò)程 目前雖然有很多種網(wǎng)絡(luò)嗅探工具可以收集Wi Fi局域網(wǎng)中的各個(gè)AP的RSSI，如Net Stumbler，但此工具只支持windows平臺(tái)，并且不可以得到開源代碼。為了提高訓(xùn)練階段的效率，更符合系統(tǒng)實(shí)際的定位需求，本文采用較為輕薄的平板電腦LePad作為終端，并在此終端上開發(fā)了RSSI采集程序。5.2實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景5.2.1AP的搭建 本文的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)是電子

29、科技大學(xué)清水河校區(qū)科研B座，由實(shí)驗(yàn)室B120B127以及走廊所組成的區(qū)域，即圖5-2-1中虛線所包圍的區(qū)域，總面積為 17m*34m，整個(gè)區(qū)域已經(jīng)被 Wi Fi 無(wú)線局域網(wǎng)覆蓋，其中5個(gè)AP 接入點(diǎn)是為定位系統(tǒng)所布置，AP1部署在實(shí)驗(yàn)室125的(10m，5m)位置，AP2部署在實(shí)驗(yàn)室127 的(10m，5m)位置，AP3部署在實(shí)驗(yàn)室125A 的(3.5m，6m)位置，AP4部署在實(shí)驗(yàn)室122B 的(1m，6m)位置，AP5部署在實(shí)驗(yàn)室120B 的(3m，6m)位置，同時(shí)實(shí)驗(yàn)區(qū)域還可以搜索到其它8個(gè)無(wú)線 AP 接入點(diǎn)。本系統(tǒng)訓(xùn)練階的主要工作為采集 RSSI 訓(xùn)練數(shù)據(jù)，建立位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，在整個(gè)實(shí)

30、驗(yàn)場(chǎng)景中以1m 為采樣間隔，一共在271個(gè)位置參考點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，每個(gè)訓(xùn)練點(diǎn)連續(xù)采集一定數(shù)量的位置指紋，訓(xùn)練階段共花費(fèi)兩個(gè)工作日的時(shí)間。圖5-2-1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖5.2.2RSSI的測(cè)量5.2.2.1RSSI的與位置的關(guān)系 從實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的走廊最左側(cè)處開始，每隔1 米進(jìn)行一次采樣，沿直線向右方向移動(dòng)，如圖 5-2-2-1 所示接收自兩個(gè) AP 的 RSSI，它們分別是左側(cè)的 AP5和右側(cè)的 AP2，其中 X 軸為與走廊最左側(cè)的距離?？梢钥闯觯?dāng)終端越靠近 AP 時(shí)，網(wǎng)卡所接收到的RSSI值越強(qiáng)，但由于其它干擾因素，相鄰的采樣點(diǎn)間的RSSI可能會(huì)發(fā)生波動(dòng)。圖5-2-2-1眼走廊行走時(shí)的RSSI情況5

31、.2.2.2RSSI的概率分布 在實(shí)際環(huán)境中200多個(gè)采樣點(diǎn)所采集的位置指紋數(shù)據(jù)，它們的正規(guī)化直方圖都符合或近似符合正態(tài)分布，實(shí)際測(cè)量值在一個(gè)穩(wěn)定值附近變動(dòng)，是一個(gè)取決于均值的正態(tài)隨機(jī)變量。圖5-2-2-2 概率分布直方圖 如圖5-2-2-2所示，雖然信號(hào)強(qiáng)度的概率分布符合正態(tài)分布，但有很嚴(yán)重的拖尾現(xiàn)象。和室內(nèi)環(huán)境中的家具、墻壁、電器設(shè)備及門窗位置等固定的干擾源不同，人員是位置時(shí)常改變的干擾因素，由于802.11的通信頻率為2.4GHz，而人體內(nèi)水分子所占的比例超過(guò)70%，其共振頻率同樣是2.4GHz，所以人體是干擾射頻無(wú)線信號(hào)傳播的一個(gè)重要因素。而且由于不同的時(shí)間段內(nèi)，人員的密集程度和流動(dòng)程

32、度都有很大的區(qū)別，因此，有必要選取合適的時(shí)間進(jìn)行離線訓(xùn)練階段的位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)采集工作。5.2.2.3RSSI的收斂速度 位置指紋是否可以正確反映信號(hào)強(qiáng)度的實(shí)際情況將極大地影響定位階段位置估計(jì)的可信性。構(gòu)建位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)需要保存大量的位置指紋，尤其是使用概率性定位算法的定位系統(tǒng)，為了得到比平均值更多的信號(hào)分布信息，需要在每個(gè)位置點(diǎn)采集一定數(shù)量的瞬時(shí)RSSI樣本，用以得到在此位置點(diǎn)的RSSI的概率分布情況。顯然在同一參考點(diǎn)采集的RSSI樣本值越多，獲得關(guān)于信號(hào)分布的信息越詳細(xì)準(zhǔn)確，但是在系統(tǒng)訓(xùn)練階段將會(huì)花費(fèi)更多的訓(xùn)練時(shí)間。為了得到可信的信號(hào)強(qiáng)度概率分布情況，需要在位置指紋的完整性和訓(xùn)練時(shí)間成本之間

33、找到一個(gè)平衡點(diǎn)。 為了研究信號(hào)強(qiáng)度均值的收斂情況，本文連續(xù)采集5分鐘的樣本數(shù)據(jù)，采樣點(diǎn)距離AP3為5米，與AP4中間相隔兩堵墻距離5米，與AP2中間相隔一堵墻距離15米。隨著時(shí)間的推移，計(jì)算了不同時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度的平均值，結(jié)果如圖 3-5所示?？梢钥闯觯?AP 的RSSI都滿足一個(gè)趨勢(shì)，即平均值經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的波動(dòng)后，RSSI的均值趨于穩(wěn)定。信號(hào)的平均強(qiáng)度在30秒時(shí)都已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此，本系統(tǒng)在訓(xùn)練階段的每個(gè)位置點(diǎn)的采樣時(shí)間為30秒，采樣頻率為每秒鐘1個(gè)樣本。圖5-2-2-3 RSSI平均值的變化趨勢(shì)6性能評(píng)估l 對(duì)于定位系統(tǒng)而言，最重要的衡量指標(biāo)就是系統(tǒng)的定位精度，定位精度可以從定位的準(zhǔn)確性和精確性兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，本文采用以下的各項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量定位系統(tǒng)的性能。 平均均方根定位誤差 本文采用平均均方根定位誤差(Average Root Mean Square Error ,ARMSE)作為評(píng)估定位算法準(zhǔn)確性的參數(shù)指標(biāo)，該指標(biāo)從