室內(nèi)Wi-Fi定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組合算法研究

劉業(yè)輝

室內(nèi)Wi-Fi定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組合算法研究

劉業(yè)輝

北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，北京 100042

隨著無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線定位服務(wù)的需求量也日益激增。如何基于新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確可靠的室內(nèi)定位是各方人員的研究熱點(diǎn)。在搭載Wi-Fi技術(shù)的基礎(chǔ)之上，提出了一種面向Android操作平臺(tái)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)配套提出了Wi-Fi技術(shù)背景下室內(nèi)定位算法優(yōu)化方式。在利用指紋定位方法初步篩選定位區(qū)域后，經(jīng)信號(hào)損耗確定測(cè)距模型，最后通過(guò)鄰近算法匹配指紋參考點(diǎn)，使室內(nèi)定位結(jié)果更為精確與可靠。

室內(nèi)Wi-Fi；定位系統(tǒng)；組合算法

室內(nèi)定位作為當(dāng)前無(wú)線領(lǐng)域中的一大研究熱點(diǎn)，如何縮短定位時(shí)間，提高定位精度是各方人員高度關(guān)注的一項(xiàng)課題。雖然目前GPS定位技術(shù)已經(jīng)發(fā)展至成熟穩(wěn)定階段，但也僅適用于室外定位，對(duì)室內(nèi)定位適用性不足。為解決這一問(wèn)題，在Wi-Fi技術(shù)支持下構(gòu)建一套適用于室內(nèi)定位系統(tǒng)方案已成為業(yè)內(nèi)人士高度重視的課題。

1 室內(nèi)定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

當(dāng)前，Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，搭載Wi-Fi技術(shù)下能夠最大限度剔除室內(nèi)環(huán)境多變性因素對(duì)室內(nèi)定位精度的影響，且在Wi-Fi技術(shù)下生成的無(wú)線電信號(hào)對(duì)室內(nèi)各類(lèi)障礙物有良好的穿透性。同時(shí)，相較于GPS定位系統(tǒng)而言，基于Wi-Fi技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備的要求不高，具有更廣泛的適應(yīng)性[1]。室內(nèi)定位系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。考慮移動(dòng)手持終端在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用價(jià)值以及普及性，本文提出一種建議在Android操作平臺(tái)下室內(nèi)Wi-Fi定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并提出優(yōu)化室內(nèi)定位精度的組合算法。

2 室內(nèi)定位模塊設(shè)計(jì)

以Android系統(tǒng)為例，開(kāi)發(fā)基于Linux的開(kāi)源操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有軟件層疊特征。為實(shí)現(xiàn)基于Wi-Fi技術(shù)的室內(nèi)定位功能，整體架構(gòu)中關(guān)鍵模塊應(yīng)涵蓋客戶端登錄模塊以及手機(jī)端數(shù)據(jù)庫(kù)模塊這兩大部分，以下就關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)展開(kāi)分析：

圖1 室內(nèi)定位系統(tǒng)

針對(duì)客戶端登錄模塊而言，該模塊下需要支持實(shí)現(xiàn)的功能包括基于Wi-Fi技術(shù)的系統(tǒng)登錄。在系統(tǒng)登錄操作界面中，提供登錄賬號(hào)、密碼輸入框以及登錄按鈕。為確保用戶系統(tǒng)操作中的安全性與隱私性，登錄密碼輸入框所輸入?yún)?shù)信息以隱碼方式呈現(xiàn)，通過(guò)如下語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)該操作“android： input Type = " text Password"”。虛擬機(jī)上運(yùn)行測(cè)試功能中，考慮到圍繞整個(gè)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的工作量較大，故采取分部分的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)運(yùn)行軟件程序進(jìn)行隨時(shí)模擬并動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)bug，基于API版本插件以及系統(tǒng)鏡像創(chuàng)建虛擬機(jī)，定義為“Capital”。在Wi-Fi嵌入式登錄模塊中，可實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)環(huán)境下登錄模塊的主動(dòng)運(yùn)行，操作界面定義編程語(yǔ)句為“activity_main.xml”。

針對(duì)手機(jī)端數(shù)據(jù)庫(kù)模塊而言，為支持基于Wi-Fi技術(shù)室內(nèi)定位功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)考慮到在手機(jī)端數(shù)據(jù)庫(kù)模塊與服務(wù)器端進(jìn)行連接過(guò)程中存在失敗風(fēng)險(xiǎn)，且可能因服務(wù)器端故障而無(wú)法運(yùn)行，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊是非常重要的。以Android系統(tǒng)操作平臺(tái)為開(kāi)發(fā)工具，該系統(tǒng)可直接對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行調(diào)用與編輯，數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建以及數(shù)據(jù)信息的插入可以通過(guò)Eclipse的方式實(shí)現(xiàn)，程序運(yùn)行后將workspace所生成文件直接安裝于客戶手機(jī)終端中，以確保功能流暢運(yùn)行[2]。

3 室內(nèi)Wi-Fi定位系統(tǒng)組合算法

當(dāng)前室內(nèi)定位領(lǐng)域采取的算法方式邏輯簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)單一，直接應(yīng)用常規(guī)算法難以保證同一空間中不同環(huán)境、不同位置影響下的定位精度。為解決這一問(wèn)題，本文提出一種組合算法，以改進(jìn)常規(guī)算法并加以融合，從而確保室內(nèi)定位的精確性。現(xiàn)將基本步驟概述如下：

第一步，通過(guò)指紋定位方式初步篩選定位區(qū)域。指紋定位是指通過(guò)對(duì)實(shí)際地理信息以及所采集信號(hào)強(qiáng)度參數(shù)的綜合分析，在一定算法支持下實(shí)現(xiàn)定位，包括離線訓(xùn)練以及在線實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)環(huán)節(jié)。基本思路：將整個(gè)需定位室內(nèi)空間劃分為多個(gè)區(qū)域，如圖2所示，整個(gè)室內(nèi)定位空間共劃分為8個(gè)區(qū)域，投票初選。假定在離線訓(xùn)練階段中，對(duì)于任意i區(qū)而言，該分區(qū)中第j個(gè)采集信號(hào)強(qiáng)度參數(shù)的取值范圍為（riss-最小值，riss-最大值），同時(shí)在線上實(shí)現(xiàn)過(guò)程中移動(dòng)終端所采集到的第j個(gè)采集信號(hào)強(qiáng)度參數(shù)同樣位于i區(qū)內(nèi)，則投票給i區(qū)。但在具體室內(nèi)定位算法實(shí)踐中，多個(gè)區(qū)域可能投票結(jié)構(gòu)一致。因此必須改進(jìn)投票方法，以提高生成的定位結(jié)果的精確性。主要改進(jìn)依據(jù)是在投票過(guò)程中引入對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的分析，并通過(guò)概率模式加權(quán)改進(jìn)投票原則。如以信號(hào)強(qiáng)度為依據(jù)，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度取值在0～-45.0dBm的情況下時(shí)，加權(quán)投票數(shù)為3票；當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度取值在-46.0dBm～-59.0dBm的情況下，加權(quán)投票數(shù)為2票；當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度取值在-60.0dBm～-76.0dBm的情況下，加權(quán)投票數(shù)為1票；當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度取值在-77.0dBm～-∞dBm的情況下，加權(quán)投票數(shù)為0票。以加權(quán)投票的方式初步篩選定位區(qū)域具有更為突出的優(yōu)勢(shì)，如加權(quán)處理后仍然有部分區(qū)域投票數(shù)一致，則應(yīng)進(jìn)一步通過(guò)判斷臨近采集信號(hào)強(qiáng)度值的方式確定定位區(qū)域[3]。

圖2 室內(nèi)定位空間劃分

第二步，通過(guò)信號(hào)損耗的方式確定測(cè)距模型。通過(guò)指紋定位方式篩選定位區(qū)域的核心是對(duì)無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度信息的采集。在Wi-Fi技術(shù)覆蓋背景下，測(cè)距距離會(huì)直接對(duì)Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，兩者之間主要呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[4]。為提高定位精確性，必須綜合考慮人員活動(dòng)、電磁設(shè)備以及復(fù)雜布局等諸多因素對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響，并在信號(hào)損耗的輔助下明確信號(hào)源與定位點(diǎn)之間的距離關(guān)系，具體關(guān)系如下式所示：

根據(jù)上式計(jì)算所的接收信號(hào)強(qiáng)度后，用測(cè)距模型得到定位點(diǎn)與室內(nèi)定位區(qū)域中某特定采集信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)源之間的距離，以該距離為半徑做圓，所作圓與前一步周指紋定位所鎖定目標(biāo)區(qū)域的參考點(diǎn)則可作為定位依據(jù)。在此基礎(chǔ)之上可通過(guò)鄰近算法的方式最終匹配得到強(qiáng)度誤差最小情況下的指紋參考點(diǎn)，作為室內(nèi)定位的最終結(jié)果[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在搭載Wi-Fi技術(shù)的基礎(chǔ)之上，提出了一種面向Android操作平臺(tái)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)配套提出了Wi-Fi技術(shù)背景下室內(nèi)定位算法優(yōu)化方式。整套設(shè)計(jì)方案能夠彌補(bǔ)單一定位算法存在的局限性，克服傳統(tǒng)意義上GPS定位技術(shù)對(duì)復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境以及諸多障礙物的局限性，完全可以滿足當(dāng)前無(wú)線領(lǐng)域?qū)κ覂?nèi)定位的基本要求，對(duì)提高整套Wi-Fi室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位性能而言也非常重要，值得在室內(nèi)定位研究領(lǐng)域中深入探索與實(shí)踐。

[1]齊雁飛，蔣新華，吳赟，等.基于Wi-Fi的便攜式室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（1）：129-133.

[2]陳偉森，裴海龍，夏睿燦.基于超寬帶技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2017（11）：179-182.

[3]劉毅，李瑞祥，施偉斌，等.基于ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)據(jù)通信，2017（5）：16-18，34.

[4] 徐盛良，魯照權(quán)，周永燕，等.基于超聲波測(cè)距的室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2017（11）：112-116.

[5]藍(lán)威濤，張衛(wèi)強(qiáng)，羅健宇，等.基于相位差測(cè)距的RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017（10）：85-88，91.

Research on Design and Combination Algorithm of Indoor Wi-Fi Positioning System

Liu Yehui

School of Electrical and Information Engineering, Beijing Polytechnic College, Beijing 100042

With the rapid development of wireless technology, the demand for wireless positioning services is increasing. How to achieve accurate and reliable indoor positioning based on the new generation of information technology is a hot topic for all the researchers. On the basis of carrying the Wi-Fi technology, the paper proposes an Android oriented operating platform of indoor positioning system design, while supporting the optimization methods of indoor positioning algorithm based on Wi-Fi technology background. After the preliminary screening location using fingerprint positioning method, indoor Wi-Fi positioning system determines measuring model by signal loss, and finally through the adjacent matching fingerprint reference point, make indoor positioning result more accurate and reliable.

indoor Wi-Fi; positioning system; combination algorithm

TN92

A

1009-6434（2017）11-0001-03

劉業(yè)輝（1969—），男，北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院教授，從事移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)工程、移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用系統(tǒng)研究等。