CN102791025A - 基于WiFi的分层定位系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于WiFi的分层定位系统及实现方法，该系统包括：Receive接口、判断模块、定位模块、显示模块；其实现方法包括：1)获取无线信号强度和AP的MAC地址；2)移动终端用户的所在楼层判断；3)移动终端用户的定位；4)显示移动终端用户所在楼层中的具体位置。本发明可对室内分层移动终端用户进行及时的较为准确的定位，并通过用户的参与来扩大参考点，在节省成本的同时，为定位的精确性提供了又一有力保证。
Description
技术领域
本发明涉及一种定位系统及实现方法，特别是涉及一种基于WiFi的分层定位系统及实现方法。
背景技术
目标的位置信息在各种场合中发挥着重要作用，如车辆导航、矿井井下人员定位、建筑工地管理等。GPS(Global Positioning System，全球定位系统)作为全球最广泛使用的卫星导航定位技术，在许多领域得到了推广应用。然而，其信号却极易受到障碍物的干扰和阻断，在密集的城市地带、隧道、室内等环境定位不可靠甚至于失效。随着IEEE802.11(无线局域网标准)技术的成熟，WiFi(Wireless Fidelity，无线保真)在世界各地普及，其覆盖面越来越广。WiFi主要依靠接入点(Access Point，AP)或基站定期发送的信标信号中所含的接收信息强度(RSS)信息作为定位移动计算。
较之其他的定位技术，基于WiFi的定位具有以下优势：可工作于室内、室外等不同场合，为实现无处不在的定位提供了可能性；仅依赖于现有的WiFi网络，无需对其进行任何改动，使用成本低；WiFi信号受非视距影响小，即使在有障碍物阻挡的情况下也能使用。
绝大多数基于WiFi的定位系统都是利用RSS，其主要方法分为两类：三角形算法和位置指纹识别算法。三角形算法利用待测目标到至少三个参考点之间的距离信息估计目标位置，在实际实现时依照无线信号的传输损耗模型将其转换成待测目标到相应AP的距离。而位置指纹识别则通过比较定位所需的信号特征指纹信息获取目标位置。由于接收信号强度易受到天线高度、线性方向和环境的影响，使得基于三角形算法的WiFi定位的性能并不高。而基于位置指纹识别的无线定位并不需要知道AP的位置及准确的信道模型，因此，不管在具体实施上还是定位性能上，较之于基于三角形算法的定位都具有较大的优越性。
另外，虽然目前有很多基于WiFi的室内和室外定位系统，但对用户在商场或多层办公室的情况下，需要获取自己所在具体楼层的定位信息时，目前存在的定位系统仍无法满足这个需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于WiFi的分层定位系统及实现方法。通过该定位系统，可以将室内各层无线接入点(AP)的无线信号强度的采集，将采集到的信号特征发送给本发明的定位系统服务器端进行楼层判断和指纹的查询比对进而进行定位计算，从而最终获得移动终端用户所在具体楼层的位置，因此，可以在建筑物内，对每一楼层的物体进行及时的较为准确的定位。
为解决上述技术问题，本发明的基于WiFi的分层定位系统，包括：
Receive接口，用于获取移动终端用户传送的无线信号强度和AP的MAC(Media Access Control，介质访问控制)地址信息；
判断模块，用于根据Receive接口所获得的信息，判断出移动终端用户所在楼层；其中，移动终端包括：手机、笔记本电脑、平板电脑、掌上上网设备、POS(Point of sales)机、车载电脑；
定位模块，用于根据移动终端用户所在楼层，并利用基于位置指纹识别定位方法，最终确定移动终端用户所在楼层中的具体位置；其中，基于位置指纹识别定位方法，包括：在线训练阶段和在线定位阶段。其中，在线训练阶段的目标在于建立一个位置指纹识别数据库；
显示模块，用于显示移动终端用户所在楼层中的具体位置。
另外，本发明还提供一种基于WiFi的分层定位系统的实现方法，包括：
(1)调用Receive接口，获得无线信号的强度和AP的MAC地址；
(2)根据Receive接口所获得的信息，利用判断模块，判断出移动终端用户所在楼层；
(3)利用定位模块，在位置指纹识别数据库中查找该楼层的指纹库，再使用相应的指纹匹配方法，获取参考点的位置坐标，最终确定移动终端用户在楼层中的具体位置；
(4)利用显示模块，调用移动终端用户所在楼层的地图，显示移动终端用户所在楼层中的位置。
本发明利用WiFi定位的优点，设计出了一种基于WiFi的室内分层定位系统，并使用改进的基于位置指纹识别方法对移动终端用户进行较为精确的定位。
本发明的定位系统的处理过程，首先根据得到的多个无线信号的强度和AP所在楼层，判断移动终端用户所在楼层，再使用指纹识别方法得到移动终端用户的最终位置信息，同时指纹识别方法中的参考点可通过用户的参与不断的进行添加和校正，达到多个终端用户共享的目的。
因此，本发明可以满足移动终端用户获取自己所在具体楼层的定位信息，而且本发明的定位系统针对多层共用同一AP的情况也可给出判断，识别稳定性好。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明移动终端用户位置定位框架图；
图2是本发明新参考点添加框架图；
图3是本发明基于位置指纹识别的WiFi定位；
图4是本发明同一楼层参考点、AP和移动终端位置示意图。
具体实施方式
本发明的基于WiFi的室内分层定位系统，包括：
Receive接口，用于获取移动终端用户传送的AP的无线信号强度和AP的MAC地址信息；
判断模块，用于根据Receive接口所获得的信息，判断出移动终端用户所在楼层；
定位模块，用于根据移动终端用户所在楼层，并利用基于位置指纹识别定位方法，最终确定移动终端用户在楼层中的位置；
显示模块，用于显示移动终端用户在楼层中的具体位置。
对于上述基于WiFi的室内分层定位系统，其具体的实现方法，见图1、图2和图3所示，包括：
第一阶段为多个无线信号强度和AP的MAC地址获取阶段。当显示移动终端用户在建筑物内进行定位时，会自动通过web服务器将AP的MAC地址和无信号强度信息传给定位系统的Receive接口，通过调用Receive接口，获得无线信号的强度和AP的MAC地址。
第二阶段为移动终端用户所在楼层判断阶段。在实际应用中，可能存在多个楼层共用同一个AP的情况，但由于楼板等障碍物的影响，其他层的WiFi强度会减弱。因此，在实际判断移动终端用户所在楼层时，需要获取周围多个AP的无线信号强度，在根据这些AP所在的楼层分布，得到当前移动终端用户所在楼层的定位。其具体的处理过程如下：
1)如果没有搜索到AP，退出；
2)按照接收到的无线信号从强到弱的顺序进行等级排序；
3)如果排在第一级(无线信号最强级)的AP分别位于楼层N和N+n，则判断移动终端用户所在楼层为N+n/2；
否则转到步骤4)；
4)如果所有搜索到AP都在第一级AP的上层或下层，则移动终端用户所在楼层和第一级AP所在楼层相同；
否则转到5)；
5)如果前几级的AP分部在同一层，则移动终端用户所在楼层和第一级AP所在楼层相同；
否则转6)；
6)如果第一级AP所在楼层为N，其他级AP所在楼层分布两端，则移动终端用户所在楼层为N，判断结束。
第三阶段为移动终端用户定位阶段。由于楼层环境复杂，WiFi无线信号具有较强的时变特性。无线信号传播衰减模型在表征距离与信号强度间的映射关系时不是特别准确，因此，在基于WiFi的室内分层定位系统实现时采用基于位置指纹识别定位方法，该方法的稳定性较强。
常规的基于位置指纹识别定位方法主要包括：离线训练和在线定位两个阶段。其中，训练阶段的目标在于建立一个位置指纹识别数据库(即指纹库)。
在本发明中，对基于位置指纹识别定位方法进行了改进。其中的训练阶段改为在线训练阶段，其处理过程是：移动终端用户将搜索得到的各AP的信号强度和所在的具体位置发送给本发明的定位系统，定位系统首先判断位置指纹识别数据库中是否有移动终端所在位置的记录，如果有则更新该参考点的信息，即用新获得的各AP信息强度替换原来的该参考点的AP信息。否则直接将移动终端用户所在位置作为参考点存入指纹库中。
指纹库中的参考点在开始的时候可以是空白的，通过移动终端用户的不断参与，来逐渐增加参考点的数目，从而可以为更多的移动终端用户进行定位时提供服务。当然商家也可以手动添加一些参考点，为移动终端用户添加新的参考点时提供参考依据。
在线定位阶段，通过使用获得的无线信号强度去匹配构建的指纹库，从而获得移动终端用户的位置定位。其中，移动终端用户定位的具体步骤如下：
步骤1：根据移动终端用户所在的楼层查找同一楼层的指纹库。如图4所示，同一楼层中有多个接入点AP，参考点不同，在位置指纹识别数据库中对应于该参考点的各AP信号强度不同。
步骤2：根据接收到的不同AP的RSS值计算得到移动终端用户的位置信息。假设待测点接收的RSS观测值为s＝[rss1，rss2，...，rssn]，同一楼层的指纹库中已有的记录为Si＝[rSS1，rSS2，...，rSSNi]。其中n代表待测点上检测到的不同AP数；i∈[1，NT]，NT为当前楼层所在表中的记录数；Ni代表第i条记录中存储的不同AP数。对每个扫描到的AP的rssi值，设定一个选择区间[rssi-σ，rssi+σ]，在指纹库中查找满足此范围内的Si，若有m个记录落在此区间范围，则这些记录中的参考点分别取权值为1/m。对所有AP做如此处理后，选出权值最大的位置点为定位位置。若有多个位置点权值一样，则比较信号强度距离，取信号强度距离最小者。
因而，在第三阶段中，根据移动终端用户所在楼层，在位置指纹识别数据库中查找该楼层的指纹库，再使用相应的指纹匹配方法获取参考点的位置坐标，进而最终确定移动终端用户在楼层中的位置。
第四阶段为移动终端用户所在楼层中具体位置显示阶段。通过调用移动终端用户所在楼层的地图，将移动终端用户在楼层中的位置呈现出来。
因此，本发明的基于WiFi的室内分层定位系统是一个根据移动终端用户传送到定位系统的AP的MAC地址、信号强度信息，使用基于位置指纹识别定位方法计算得到移动终端用户位置信息，并通过用户在不断添加新的参考点，达到多个终端用户共享分层定位系统。利用本发明的定位系统，可对室内分层移动终端用户进行及时的较为准确的定位。
综上所述，本发明通过以基于位置指纹识别定位方法为基础，使用相应的匹配方法在指纹库中查找离移动终端用户所在的观测点最近的参考点，进而获得移动终端用户在楼层中的位置。同时将参考点添加的权限开放给用户，通过用户的参与来扩大参考点的数目，从而达到越来越精确定位的目的，因此，在这过程中，不仅节省了成本，也为定位的精确性提供了又一有力保证因此。另外，本发明的定位系统针对多层共用同一AP的情况也可给出判断，识别稳定性好。
Claims (9)
1.一种基于WiFi的分层定位系统，其特征在于，包括：
Receive接口，用于获取移动终端用户传送的AP的无线信号强度和AP的MAC地址信息；
判断模块，用于根据Receive接口所获得的信息，判断出移动终端用户所在楼层；
定位模块，用于根据移动终端用户所在楼层，并利用基于位置指纹识别定位方法，确定移动终端用户所在楼层中的具体位置；
显示模块，用于显示移动终端用户所在楼层中的具体位置。
2.如权利要求1所述的分层定位系统，其特征在于：所述Receive接口，用于获取移动终端用户传送的多个AP的无线信号强度和多个AP的MAC地址信息。
3.如权利要求1所述的分层定位系统，其特征在于：所述移动终端包括：手机、笔记本电脑、平板电脑、掌上上网设备、POS机、车载电脑。
4.如权利要求1所述的分层定位系统，其特征在于：所述定位模块中，基于位置指纹识别定位方法，包括：在线训练阶段和在线定位阶段；
其中，在线训练阶段的目标在于建立一个位置指纹识别数据库；
在线定位阶段，通过使用获得的AP的无线信号强度去匹配构建的位置指纹识别数据库，从而获得移动终端用户的位置定位。
5.如权利要求4所述的分层定位系统，其特征在于：所述建立位置指纹识别数据库的方法，包括：移动终端用户将搜索得到的各AP的无线信号强度和所在的具体位置发送给基于WiFi的分层定位系统，该定位系统首先判断位置指纹识别数据库中是否有移动终端所在位置的记录，如果有则更新该参考点的信息，否则直接将移动终端用户所在位置作为参考点存入位置指纹识别数据库中。
6.如权利要求5所述的分层定位系统，其特征在于：所述位置指纹识别数据库中，参考点还包括商家添加的参考点。
7.一种如权利要求1所述的基于WiFi的分层定位系统的实现方法，包括：
(1)调用Receive接口，获得无线信号的强度和AP的MAC地址；
(2)根据Receive接口所获得的信息，利用判断模块，判断出移动终端用户所在楼层；
(3)利用定位模块，在位置指纹识别数据库中查找该楼层的指纹库，再使用相应的指纹匹配方法，获取参考点的位置坐标，最终确定移动终端用户所在楼层中的具体位置；
(4)利用显示模块，调用移动终端用户所在楼层的地图，显示移动终端用户所在楼层中的位置。
8.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于：所述步骤(2)中，判断出移动终端用户所在楼层的具体的处理方法，包括：
1)如果没有搜索到AP，退出；
2)按照接收到的无线信号从强到弱的顺序进行等级排序；
3)如果排在第一级的AP分别位于楼层N和N+n，则判断移动终端用户所在楼层为N+n/2；
否则转到步骤4)；
4)如果所有搜索到AP都在第一级AP的上层或下层，则移动终端用户所在楼层和第一级AP所在楼层相同；
否则转到5)；
5)如果前几级的AP分部在同一层，则移动终端用户所在楼层和第一级AP所在楼层相同；
否则转6)；
6)如果第一级AP所在楼层为N，其他级AP所在楼层分布两端，则移动终端用户所在楼层为N，判断结束。
9.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于：所述步骤(3)中，确定移动终端用户所在楼层中的具体位置的方法，包括：
步骤1：根据移动终端用户所在的楼层，查找同一楼层的指纹库；
步骤2：根据接收到的不同AP的RSS值计算得到移动终端用户的位置信息，其计算方法如下：
假设待测点接收的RSS观测值为s＝[rss1，rss2，...，rssn]，同一楼层的指纹库中已有的记录为Si＝[rSS1，rSS2，...，rSSNi]，其中n代表待测点上检测到的不同AP数；i∈[1，NT]，NT为当前楼层所在表中的记录数；Ni代表第i条记录中存储的不同AP数；
对每个扫描到的AP的rssi值，设定一个选择区间[rssi-σ，rssi+σ]，在指纹库中查找满足此范围内的Si，若有m个记录落在此区间范围，则这些记录中的参考点分别取权值为1/m，对所有AP做如此处理后，选出权值最大的位置点为定位位置；若有多个位置点权值一样，则比较信号强度距离，取信号强度距离最小者。
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