CN102802259A - 基于定向Wi-Fi的无线定位系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于定向Wi-Fi的定位系统。将两个带有旋转定向天线的Wi-Fi AP放置在定位区域的两侧用来发射无线信号。客户机在定位区域进行移动，同时接收来自定向AP的无线信号，再把与信号相关的数据提供给计算装置。计算装置对这些数据进行分析处理，计算出客户机的位置并将其位置信息返回给客户机，从而对客户机进行实时定位跟踪。该系统可随时、随地进行现场布设，而不需要事先进入现场或室内进行施工。而且避免了大规模的前期数据采集工作，满足了应急场合的即时性需求。

Description

基于定向Wi-Fi的无线定位系统与方法

技术领域

本发明涉及无线定位系统，尤其涉及基于Wi-Fi的无线定位系统

背景技术

在很多应急的室内场合，例如火灾现场，都需要一种能及时布设、相对安全且方便使用的人员跟踪定位系统。现有的定位方法和系统在应急场合中均存在各自的局限性。例如，基于卫星通信的GPS定位系统需要与卫星保持视线可视的条件，在室内或建筑物环境中无法定位。基于移动基站的定位系统依赖于移动通信基础设施，其定位精度取决于基站塔台的分布密度，目前还无法满足室内房间级别的定位精度要求。采用红外线和超声波的定位方式易受现场中建筑物介质的遮挡。基于蓝牙的定位方式可探测的距离较近，也容易受介质遮挡。而且，红外、超声波以及蓝牙定位方式都需要不同程度在室内布设相应的环境硬件设施，无法满足及时布设的需求。相对而言，基于Wi-Fi的定位方式比较适合室内场合。

但是现有的Wi-Fi定位系统，如参考文献1中所述技术方案（参考文献1：Q.Yang,S.J.Pan,and V.W.Zheng,Estimating location using Wi-Fi，IEEE Intelligent Systems,vol.23,no.1,pp.8-13,2008.），基本上都是采用基于机器学习的方法，通常分为两个阶段：离线训练阶段和在线定位阶段。在离线训练阶段采集所需定位区域中各参考节点（Reference Point,RP）的信号特征参数（也可以称为指纹信息），其中一组指纹信息对应一个特定的位置，由此形成位置指纹数据库。在线定位阶段利用接收机测定接收信号的参数，采用匹配算法与指纹数据库中的数据相匹配，估计用户的实际位置。可见，此类系统都需要在第一阶段事先采集大量训练数据，形成训练数据库，进而获得定位模型。因此，现有的Wi-Fi定位方法系统无法满足应急的室内场合环境中的及时布设、方便使用等即时性需求。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于定向Wi-Fi的无线定位系统，能及时布设、方便使用并且相对安全。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种基于定向Wi-Fi的无线定位系统，该系统包括：

放置在定位区域的两侧的两个定向Wi-Fi访问接入点设备，所述定向Wi-Fi访问接入点设备由Wi-Fi访问接入点设备、定向天线和旋转台构成，用于发射无线信号;

在定位区域进行移动的客户机，用于接收来自两个定向Wi-Fi访问接入点设备的无线信号，并将与信号相关的数据提供给计算装置；

计算装置，用于根据所述与信号相关的数据计算客户机的位置，以对客户机进行实时定位跟踪。

在上述技术方案中，所述客户机为具有Wi-Fi通信功能的移动终端设备。

在上述技术方案中，所述客户机接收来自两个定向Wi-Fi访问接入点设备的无线信号，记录所接收的信号的信号强度，并将所记录的数据提供给计算装置。

在上述技术方案中，所述计算装置可以根据这些信号强度信息来找出最大信号强度对应的时刻t，并确定t所对应的当时的客户机与两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的角度，以及基于客户机与两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的角度和两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间距离，计算出客户机所在位置。

在上述技术方案中，所述角度可以以两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的连线方向为零刻度方向。

在上述技术方案中，所述计算装置可以通过下面的步骤来确定所述角度：

若t*<T/2，则当前时刻t对应的角度为c×t*，其中c表示旋转台的匀速旋转速率为c度/秒，T=360/c，t*=MOD（（t-t0），T），t0表示启动时间；

若t≥*T/2，则当前时刻t对应的角度为180-c×t*。

在上述技术方案中，所述系统还可以包括位于定位区域之外的服务器，所述计算装置可以在服务器上运行。

又一方面，本发明提供了一种采用上述系统的无线定位方法，该方法包括：

步骤1）由在定位区域进行移动的客户机接收来自两个定向Wi-Fi访问接入点设备的无线信号，并将与信号相关的数据发送到计算装置；

步骤2)由计算装置根据所述与信号相关的数据计算客户机的位置，以实现对客户机的定位跟踪。

在上述方法中，在步骤1）由所述客户机接收来自两个定向Wi-Fi访问接入点设备的无线信号，记录所接收的信号的信号强度，并将所记录的数据提供给计算装置。

在上述方法中，所述步骤2）包括以下步骤：

步骤2-1）由计算装置根据这些信号强度信息来找出最大信号强度对应的时刻t，确定t所对应的当时的客户机与两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的角度；

步骤2-2）基于客户机与两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的角度和两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间距离，计算出客户机所在位置。

其中，所述角度以两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的连线方向为零刻度方向。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

该系统仅需要一台服务器，一个客户端以及2个定向Wi-Fi AP即可，因此，可随时、随地进行现场布设，而不需要事先进入现场或室内进行施工。同时，避免了大规模的前期数据采集工作，满足了应急场合的即时性需求。此外，不仅成本较低，而且不受遮挡限制，例如温度，湿度，障碍物等等都不会影响到定位精度，对建筑物内部的移动人员也可进行跟踪定位。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明实施例的基于定向Wi-Fi的定位系统结构示意图；

图2为根据本发明实施例的基于定向Wi-Fi的定位系统的定位原理示意图；

图3为根据本发明实施例的基于定向Wi-Fi的定位系统工作流程示意图；

图4为移动终端在某个位置处接收到的来自其中一个可旋转定向AP的信号强度值的实际的和模拟的波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明实施例的基于定向Wi-Fi的定位系统的结构示意图。该系统包括客户机、计算装置以及两个定向Wi-Fi访问接入点设备。定向Wi-Fi访问接入点设备也可简称为定向Wi-Fi AP（Access point）。在本实施例中，定向Wi-Fi AP由普通的WiFi访问接入点设备加上可旋转的定向接收天线组成。在该定位系统中，两个带有旋转定向天线的Wi-Fi AP被放置在定位区域的两侧用来发射无线信号，例如在建筑物外的两侧。客户机在定位区域进行移动，同时接收来自定向AP的无线信号，再把与信号相关的数据提供给计算装置。计算装置用于对这些数据进行分析处理，计算出客户机的位置并将其位置信息返回给客户机，从而对客户机进行实时定位跟踪。计算装置可以位于在客户机上或由客户机来提供计算装置的功能。

优选地，计算装置也可以位于单独的服务器上或者由单独的服务器来充当计算装置，这样可以保证计算效率。如图1所示，AP与服务器采用WLAN方式连接，客户机通过其中一个AP与服务器进行通信（基于WLAN通信协议），同时，客户机采集所有AP的信号强度并且将采集到的两个AP的信号强度的信息发送给服务器。客户机与服务器之间通信是双向的，其中一个AP与服务器是双向，例如为客户机提供连接服务器的通道，另外一个AP可以是单向，例如仅仅只需发送无线信号即可。而AP之间的距离是根据实际的现场场景来设定的。也就是说在将这两个AP放置在定位区域的两侧之后，通过测量获得。AP上的旋转定向天线的旋转速度可以由旋转云台来控制实现，这是很通用的方法。两个旋转天线的速度可以相同，也可以不同。

继续参考图1，更具体地，所述客户机可以是具有Wi-Fi通信功能的各种移动终端设备（下文中简称为移动终端或终端），例如手机等。所述服务器例如可以由具有普通的PC机功能的计算机来充当。可以是由服务器或在服务器上运行的计算装置来根据来自客户机的数据，计算出客户机的位置。可旋转定向AP主要由三部分组成：无线接入设备Wi-Fi AP、定向天线以及旋转台。定向天线控制Wi-Fi AP发射信号的方向，旋转台带动天线旋转。而这些单元部件都比较常见，并且价格非常便宜，另外架设起来也很方便。之所以采用旋转台带动天线旋转是为了更好的得到角度信息。

其中，定向天线就是指向某一个扇形区域发射及接收电磁波特别强，而在其他的方向上发射及接收电磁波则为零或极小的一种天线。它有两个性能参数影响着定位精度，首先是天线的增益，增益越大，传输的距离越远，覆盖的范围也就越广。其次就是波瓣宽度，波瓣宽度和信号辐射区域大小乘成正比，波瓣宽度越小，其辐射的扇形区域就越小，定位就越准确。

图2给出了根据本发明实施例的基于定向Wi-Fi的定位系统的定位原理示意图。如图2所示，将两个定向AP放置在定位区域的两侧，移动终端则在定位区域进行移动，同时接收来自两个定向AP的信号。如果定向天线的波瓣宽度足够小的话，扇形的角度也会随之缩小，那么将两个定向AP的位置和终端连接在一起就可以基本上构成一个三角形了，而待估计的位置的候选区域就是这两个AP信号辐射的叠加部分。从而，可以将定位问题转化成了已知三角形的两角以及两点的坐标，怎样求第三点的坐标问题。如图2所示，（x1，y1）点和（x2，y2）点处放置的是两个旋转的定向AP，粗黑色线围成的扇形区域是两定向AP正对着移动终端时信号的辐射范围，由ABCD四个点构成的就是待估计的位置的候选区域(可称为区域ABCD)。可以使用波瓣宽度很小的定向天线（例如，水平10°等），这样，区域ABCD就是一块非常小的区域。因此，可近似地把扇形区域的角平分线和两定向AP的连线一起构成三角形，两个定向AP和移动终端之间的角度也可以近似地认为是角度α和角度β，则所需要定位的终端的位置即（x，y）的坐标。当然把终端的位置估计从一个小四方形区域缩小到一点，难免会引起一定的误差，但经过实验分析，影响的程度不是很明显，在接受范围内。这样，在本发明的实施例中，定位问题实际上就是根据两个定向AP的位置（即（x1，y1）、（x2，y2））、这两个定向AP之间的直线距离m、以及这两个定向AP和移动终端的位置所构成的角度（即角度α和β），来计算坐标（x，y）并将其作为最终定位的终端的位置。其中，（x1，y1）、（x2，y2）为已知的，m是可以直接测量得到的，那么只要得到角度α和β就可以计算出坐标（x，y）。

图3给出了根据本发明实施例的定位系统的工作流程图。其中，被放置在定位区域外的两侧的两个定向AP不停地旋转并发射信号；在定位区域的移动终端接收来自两个定向AP的信号，记录所接收的信号的信号强度，并将所记录的信息提供给服务器；服务器根据这些信号强度信息来找出最大信号强度对应的时刻t，并根据t计算当时的移动终端与两AP之间的角度关系，并最终计算出移动终端所在位置。

图4展示的是终端在某个位置处接收到的来自其中一个可旋转定向AP的信号强度值波形图，图4的上面部分是原始数据波形分布，横坐标代表时间T，纵坐标代表信号强度值。当信号强度值位于波峰位置处时，也就是该定向AP正好旋转到正对着终端位置时，服务器就提取此时的时间t，进而计算此时对应的角度值α或β。角度通常都是相对于零刻度方向而言，为简单起见，通常选择两个定向AP的连线方向为零刻度方向，这样所记录的角度值就是如图2所示的角度α或β。

例如，服务器可以通过下面方法来计算角度：

假设旋转台的匀速旋转速率为c度/秒，其旋转范围是0~180度，在此范围内进行往返周期扫描，因此来回一个周期的时间是：T=360/c。而半个周期时间为T/2。服务器根据旋转台的启动时间t0（也就是该系统启动后，旋转台从0度开始旋转的时间t0）和当前时间t，可以计算当前的旋转角度，：

1）t*=MOD（（t-t0），T），MOD是整除取余计算，即将（t-t0）整除T后剩下的余数赋值给t*；

2）若t*<T/2，表示旋转台从0度位置开始向180度位置旋转，则当前时刻t对应的角度angle=c×t*；

3）若t≥*T/2，表示旋转台从180度位置返回0度位置，则当前时刻t对应的角度angle=180-c×t*。

从图4的上面部分还可以看出，随着定向AP的旋转，信号强度呈现不太明显的周期性变化。在又一个实施例中，还可以对原始数据进行一定的校正处理，模拟出理想波形图即图4下面部分的余弦曲线。由于采集次数可以控制，所以尽量多采集几个周期，就可以多得到几个波峰的值，当然也就可以多得到几个角度信息，然后根据求得的一批角度信息来确定最终的角度值(即角度α或角度β)。例如，周期间出现频率最多的那个角，或者每周期信号强度值最大时对应的角加一起求均值等等，以确保定位的准确性。

最后，基于根据上述方法计算的这两个定向AP和移动终端的位置所构成的角度值(即角度α和β)、这两个定向AP的位置(即(x1，y1)、(x2，y2))以及这两个定向AP之间的直线距离m，来计算坐标(x，y)并将其作为最终定位的终端的位置。其中，(x1，y1)、(x2，y2)为已知的，m是可以直接测量得到的，则根据余弦定理公式就可以计算出(x，y)的坐标，最后再把(x，y)的坐标信息返回给终端，终端界面上就可以显示其所在位置了。具体的计算过程如下：

首先，计算另外两条边a，b的长度(如图2所示)；根据公式(1)(2)：

$\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\&alpha;}=(a^2+m^2-b^2)/2\mathrm{am}---\left(1\right)\\ \frac{a}{\sin \mathrm{\&beta;}}=\frac{b}{\sin \mathrm{\&alpha;}}---\left(2\right)\end{array}\right.$

对这两条边a和b的计算可以转换成一元二次方程的求解问题。在一个实施例中，当α＝β，可以根据下述公式(3)和(4)计算边a和b：

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{m}{2\&times;\cos \mathrm{\&alpha;}}(0<\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&beta;}<\mathrm{\&pi;})---\left(3\right)\\ b=a=\frac{m}{2\&times;\cos \mathrm{\&alpha;}}(0<\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&beta;}<\mathrm{\&pi;})---\left(4\right)\end{array}\right.$

在又一个实施例中，当α与β不相等时，可以根据下述公式(5)和(6)来计算边a和b：

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{m\&times;\cos \mathrm{\&alpha;}-\frac{m\&times;\sin \mathrm{\&alpha;}}{\sin \mathrm{\&beta;}}\&times;\left|\cos \mathrm{\&beta;}\right|}{1-\frac{{\sin }^2\mathrm{\&alpha;}}{{\sin }^2\mathrm{\&beta;}}}(0<\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&beta;}<\mathrm{\&pi;})---\left(5\right)\\ b=a\&times;\frac{\sin \mathrm{\&alpha;}}{\sin \mathrm{\&beta;}}(0<\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&beta;}<\mathrm{\&pi;})---\left(6\right)\end{array}\right.$

其次，设(x1，y1)坐标为(0，0)那么(x2，y2)的坐标就是(m，0)。再根据公式(7)、(8)(9)、(10)就可求出(x，y)的坐标了。

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}=a---\left(7\right)\\ \sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}=b---\left(8\right)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{a^2+m^2-b^2}{2\&times;m}---\left(9\right)\\ y=\sqrt{a^2-x^2}---\left(10\right)\end{array}\right.$

当然，基于角度α，β和m，可以对上述公式进行适当变形或可以使用其它数学计算方法来计算(x，y)。

为了更好地说明本发明的效果，发明人在实验室做了模拟跟踪试验，试验场地15米宽，24米长。定向天线的增益是24DBI，水平波瓣宽度是10°，旋转速度是每秒5°，旋转周期180°。两定向AP被放置在实验室外面两侧，相距10米。用户手持终端设备在实验室内走动，服务器端的定位程序对其进行定位跟踪。

在整个定位过程中，只有角度影响定位精度，而影响角度的因素有两个。一个是波瓣宽度，由于波瓣宽度和强辐射区域大小成正比，即波瓣宽度越小，强辐射区域越小，图2中的四边形ABCD的面积也就越小，定位越准确。在提取α，β角度时，是以强辐射区域的角平分线为基准，使用的波瓣宽度为水平10°，四边形ABCD范围内信号强度变化不是很明显，所以可能会导致α，β各自±5°的误差。第二个因素产生在通信模块中，记录角度值时，由于角度值是根据时间以及旋转台的转速和周期来计算的，而采用的旋转台转速为5°每秒，终端采集信号的频率是每秒一次。这样可能会导致5°以内的误差。简言之：在整个过程中α，β各自会产生±10°的误差。当然，设备不同角度误差程度不同。根据公式(9)(10)，就可以计算出最大可能产生的误差为2.133米。试验过程中，跟踪终端位置的准确率为92.9％。

在又一个实施例中，提供了基于定向Wi-Fi的无线定位方法。该方法主要包括以下步骤：

步骤1)将两个定向Wi-Fi访问接入点设备放置在定位区域的两侧，所述定向Wi-Fi访问接入点设备由Wi-Fi访问接入点设备、定向天线和旋转台构成，用于发射无线信号。

步骤2)由在定位区域进行移动的客户机接收来自两个定向Wi-Fi访问接入点设备的无线信号，并将如上文所述的与信号相关的数据发送到计算装置。

步骤3)由计算装置根据这些与信号相关的数据采用上文所述的方法来计算客户机的位置，以实现对客户机的定位跟踪。

综上所述，与现有技术相比，本发明实施例中的定位系统简单易行。只需要一台服务器，一个客户机以及2个定向Wi-Fi AP即可，因此可以随时、随地的进行现场布设，而不需要事先进入现场或室内进行施工。同时，该系统避免了大规模的前期数据采集工作，满足了应急场合即时性需求，而且不受遮挡限制，可以对建筑物内部的移动人员进行跟踪定位。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (11)

1.一种基于定向Wi-Fi的无线定位系统，该系统包括：

放置在定位区域的两侧的两个定向Wi-Fi访问接入点设备，所述定向Wi-Fi访问接入点设备由Wi-Fi访问接入点设备、定向天线和旋转台构成，用于发射无线信号;

在定位区域进行移动的客户机，用于接收来自两个定向Wi-Fi访问接入点设备的无线信号，并将与信号相关的数据提供给计算装置；

计算装置，用于根据所述与信号相关的数据计算客户机的位置，以对客户机进行实时定位跟踪。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述客户机为具有Wi-Fi通信功能的移动终端设备

3.根据权利要求1所述的系统，所述客户机接收来自两个定向Wi-Fi访问接入点设备的无线信号，记录所接收的信号的信号强度，并将所记录的数据提供给计算装置。

4.根据权利要求3所述的系统，所述计算装置根据这些信号强度信息来找出最大信号强度对应的时刻t，并确定t所对应的当时的客户机与两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的角度，以及基于客户机与两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的角度和两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间距离，计算出客户机所在位置。

5.根据权利要求4所述的系统，所述角度以两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的连线方向为零刻度方向。

6.根据权利要求5所述的系统，所述计算装置通过下面的步骤来确定所述角度：

若t*<T/2，则当前时刻t对应的角度为c×t*，其中c表示旋转台的匀速旋转速率为c度/秒，T=360/c，t*=MOD（（t-t0），T），t0表示启动时间；

若t≥*T/2，则当前时刻t对应的角度为180-c×t*。

7.根据上述任一权利要求所述的系统，还包括位于定位区域之外的服务器，所述计算装置在服务器上运行。

8.一种采用如权利要求1所述的系统的无线定位方法，该方法包括：

步骤1）由在定位区域进行移动的客户机接收来自两个定向Wi-Fi访问接入点设备的无线信号，并将与信号相关的数据发送到计算装置；

步骤2)由计算装置根据所述与信号相关的数据计算客户机的位置，以实现对客户机的定位跟踪。

9.根据权利要求8所述的方法，在步骤1）由所述客户机接收来自两个定向Wi-Fi访问接入点设备的无线信号，记录所接收的信号的信号强度，并将所记录的数据提供给计算装置。

10.根据权利要求9所述的方法，所述步骤2）包括以下步骤：

步骤2-1）由计算装置根据这些信号强度信息来找出最大信号强度对应的时刻t，确定t所对应的当时的客户机与两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的角度；

步骤2-2）基于客户机与两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的角度和两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间距离，计算出客户机所在位置。

其中，所述角度以两个定向Wi-Fi访问接入点设备之间的连线方向为零刻度方向。

11.根据权利要求10所述的方法，在步骤2-1）通过下面的步骤来确定所述角度：

若t*<T/2，则当前时刻t对应的角度为c×t*，其中c表示旋转台的匀速旋转速率为c度/秒，T=360/c，t*=MOD（（t-t0），T），t0表示旋转台的启动时间；

若t≥*T/2，则当前时刻t对应的角度为180-c×t*。

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