CN103491631A - 基于二维码和wifi信号的室内定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在室内使用移动终端获取二维码和wifi信号，然后根据获取的数据进行估算和定位的方法。包括如下步骤：1）、开启移动端精确定位，收集信息；2）、将wifi的名称、强度等信息和二维码的内容上传到服务器；3）、同时移动端开始对二维码所在照片的信息进行分析；4）、移动端获取信息后，使用小孔成像的原理和成像的实际几何模型计算出移动端相对于二维码的位置；5）、根据需要将二维码位置和长宽度信息换算成经纬度坐标。本发明针对目前室内定位技术存在的问题，提供了一种基于二维码和wifi信号的室内定位系统和方法，其定位精度高，能有效克服人流量大、阻碍物多等导致定位精度不高的问题。

Description

基于二维码和wifi信号的室内定位系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于移动端的室内定位方法，是一种在室内使用移动终端获取二维码和wifi信号，然后根据获取的数据进行估算和定位的方法。

背景技术

基于位置服务（Location Based Service，LBS）行业正在日益兴起，该服务是通过电信移动运营商的无线通信网络或外部定位方式（如GPS）获取移动终端的位置，为用户提供近距离的服务需求。伴随着大型建筑物的增多，使用室内定位系统服务能更好地服务终端客户。目前室内定位使用较多的是基于wifi信号强度的定位技术，该技术是根据无线信号的强弱来判定信号发射源与信号接收端距离，然后进一步进行定位的方法。通常情况下，信号接收端接收到的wifi信号强度越高，则离信号发射源的距离就越近，反之也就越远。基于信号强度的定位技术优势在于无需对移动终端或足其他硬件设备进行修改，不需要额外的部署硬件设备，通过软件就可以使用该技术。基于wifi信号强度的定位技术主要有传播模型法和先验指纹法。传播模型法适用于大型空旷的环境，信道建模难度大，信号强度指纹库可信度低；先验指纹法适用于小型复杂的环境，采集信号强度指纹库的工作量大。但是由于室内环境复杂，特别是大型商城的人流量大，障碍物多，对信号的强度影响较大，所以定位精度不高，而且变化较大。如果是在商场或者其他室内环境，目前的误差足以让人从这个过道定位到另一个过道。如果开启室内导航，那么这个误差是不可容忍的。而结合二维码来实现定位的方法，目前还没有。

发明内容

本发明的目的是提供一种在室内使用该技术实现较为精准的定位，为室内的导航等提供可能。

本发明采用的技术方案是：

基于二维码和wifi信号的室内定位系统和方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、开启移动端精确定位，用户利用移动端自带的摄像头以照片的形式采集二维码信息，移动端开启wifi信号接收器，收集附近的wifi信号以及每一个wifi信号的强度值和对应的MAC地址；然后移动端解析二维码所携带的信息，如网址、内容等；由于大型的二维码一般用于广告，具有一定的地址固定性，而在同一地方或相邻地方使用相同广告的可能性和经济适用价值都不大，而且是可以控制的，所以可以假设在同一个wifi强度的范围内，只存在一个独立的二维码信息的情况，如果存在多个相同的主要信息，可以考虑使用次要信息来区分二维码；

2）、将wifi的名称、强度等信息和二维码的内容上传到服务器，等待服务器解析后返回的数据；

3）、同时移动端开始对二维码所在照片的信息进行分析，获取二维码所在照片中生成的四边形各边所占像素个数，根据每一个像素，算出照片的焦距；

4）、移动端获取信息后，使用小孔成像的原理和成像的实际几何模型计算出移动端相对于二维码的位置；二维码一般是长条形和矩形的居多，在商业应用中也主要是使用矩形的，所以在二维码特征提取时，主要是提取二维码的边界信息，而边界信息主要是由直线组成；提取边界特征经过模型计算，就得计算出移动端相对二维码的距离和方向；

5）、根据需要将二维码位置和长宽度信息换算成经纬度坐标；

6）、获取精确定位之后，利用移动端的加速度传感器和方向传感器以及wifi信号进行移动时位置的估算，可以有效减小开始估算时误差的产生。

所述步骤3）中移动端开始对二维码所在照片的信息进行分析的具体过程包括：服务器获取信息后，根据wifi的MAC地址的唯一性和二维码的局部唯一性，在数据库中查找到对应二维码的基本信息，然后返回给移动端。

所述基本信息包括二维码所在室内位置，二维码的在现实中的长宽信息。

所述步骤5）中换算成经纬度坐标的方法为：根据数据库返回的二维码所在室内的相对位置和室内某一点的经纬度信息，解算出移动端所在的准确经纬度信息。

本发明有益效果：

本发明针对目前室内定位技术存在的问题，提供了一种基于二维码和wifi信号的室内定位系统和方法，其定位精度高，能有效克服人流量大、阻碍物多等导致定位精度不高的问题。而且随着二维码技术的不断发展，人们对二维码的使用越来越频繁，二维码在商业广告上的应用也越来越多。本发明结合wifi技术和周边环境，有效地结合商业广告等大型二维码，可以实现低成本的室内精确定位。而且通过二维码和wifi定位，还能起到广告作用和轻松定位使用者所在楼层的好处。如果把二维码进行好的设计，比如结合使用者所在的位置信息，通过二维码给使用者推送一些使用者可能需要的商品广告等，可以得到很好的效果。

附图说明

图1是本发明的定位系统的结构图。

图2是本发明的定位的具体流程。

图3是本发明的二维码实际成像几何模型结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。

实施例：

如图1所示，有图可以清晰的看到，定位系统分为五大模块组成。模块一是二维码标签，由于是定位的需要，二维码标签的大小决定了定位的距离，一般是使用广告类型的大型二维码标签。模块二是wifi信号源，目前wifi在大中型城市的覆盖率已经很高了，而且未来覆盖率还会更高。模块三为移动端，可以为智能手机或带摄像头和wifi链接功能的可穿戴设备。移动端用于采集二维码图片，收集附近的wifi信号以及每一个wifi信号的强度值和对应的MAC地址，服务器连接和一些智能计算。模块四为服务器，用于根据移动端上传的初步定位信息、wifi的MAC地址和二维码信息，从数据库读取对应的二维码数据，并下行传输给移动端。模块五为数据库，用于二维码和wifi等数据的持久化。

如图2所示，移动端开启精确定位，用户利用移动端自带的摄像头用照片的形式采集二维码信息，移动端自动使用wifi信号接收器，收集附近的wifi信号以及每一个wifi信号的强度值和对应的MAC地址。然后移动端解析二维码所携带的信息，如网址、内容等。由于大型的二维码一般用于广告，具有一定的地址固定性，而在同一地方或相邻地方使用相同广告的可能性和经济适用价值都不大，而且是可以控制的，所以可以假设在同一个wifi强度的范围内，只存在一个独立的二维码信息的情况，如果存在多个相同的主要信息，可以考虑使用次要信息来区分二维码。将wifi的名称、强度等信息和二维码的内容上传到服务器，等待服务器解析后返回的数据。

同时移动端开始对二维码所在照片的信息进行分析，获取二维码所在照片中生成的四边形各边所占像素个数，根据每一个像素，照片的焦距。服务器获取信息后，根据wifi的MAC地址的唯一性和二维码的局部唯一性，在数据库中查找到对应二维码的基本信息（包括二维码所在室内位置，二维码的在现实中的长宽信息等），然后返回给移动端。

移动端获取信息后，使用小孔成像的原理和成像的实际几何模型可以计算出移动端相对于二维码的位置。

最后如果需要换算成经纬度坐标，可以根据数据库返回的二维码所在室内的相对位置和室内某一点的经纬度信息，解算出移动端所在的准确经纬度信息。

获取精确定位之后，然后利用移动端的加速度传感器和方向传感器，以及wifi信号进行移动时位置的估算，可以有效减小开始估算时误差的产生。

如图3所示，该模型是根据小孔成像原理，结合二维码的形状建立的。其中ABCD1是实际二维码，EFGH6是二维码在相机中的对应成像。OQ′5是摄像头的焦距，由于物距OQ3远远大于相距，可以认为相距等于焦距，焦距可以利用移动端拍照时的属性获取。由于像EFGH6是以照片形式采集的，可以根据像素点的个数计算出各线段的长度（由于实际手机或移动端的成像一般是使用CMOS或CCD芯片，根据手机或移动端的型号是固定的，其使用的芯片大小或芯片中一个像素的大小可以根据已知物体距离和大小精确求出）。OQ′是焦距，并且垂直于像平面，可以根据摄像头拍照时的属性获取OQ′的长度，点Q′到各个点的距离也可以根据像素的个数换算出来，进一步还可以计算出像平面的各个点和O点的角度。在点B处做平行于平面EFGH的平面，分别于直线OA、OC、OD交于点A′、C′、D′。在摄像头平面平行于二维码平面，且焦点正好在二维码中心和O点的连线上时，点A′、C′、D′可能与点A、C、D重合。这里从通常情况进行分析。为了便于表示，令点B′与点B重合。由于平面A′B′C′D′2平行于平面EFGH6，根据小孔成像的原理可以证明ΔOA′B′□ΔOEF，同理其他三角形也相似，所以平面A′B′C′D′上线段的长度与平面EFGH上对应线段的长度是成比例的，不妨设比例因子为η，即

在二维码ABCD上做对角线，得到二维码矩形的中心点为W。那么在四边形A′B′C′D′做对角线，相交点W′也在直线IW上，W′为A′B′C′D′四边形中对应ABCD矩形的中点。

为了便于计算，二维码成像模型使用世界坐标系。以点A为原点，即A点的坐标为(0,0,0)。O点4的坐标定为移动端所在的坐标，也是O点4相对于A的位置，计算完成后，可以根据点A的经纬度计算出移动端所在的位置。

根据二维码成像模型中三角形ΔOBW和三角形ΔOCW建立方程组

$\left\{\begin{array}{c}{\left|\mathrm{OB}\right|}^2+{\left(\right|O{W}^{\′}|+|W{W}^{\′}\left|\right)}^2-2\left|\mathrm{OB}\right|\·\left(\right|O{W}^{\′}|+|W{W}^{\′}\left|\right)\cos \∠\mathrm{BOW}={\left|\mathrm{BW}\right|}^2\\ {\left(\right|O{C}^{\′}|+|C^{\′}C\left|\right)}^2+{\left(\right|O{W}^{\′}|+|W{W}^{\′}\left|\right)}^2-2\left(\right|O{C}^{\′}|+|C^{\′}C|)\·\left(\right|O{W}^{\′}|+|W{W}^{\′}\left|\right)\cos \∠\mathrm{COW}={\left|\mathrm{CW}\right|}^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中∠BOW＝∠FOI，∠COW＝∠IOG，|OC′|＝η|OG|、|OW′|＝η|OI|，|OB|＝η|OF|，|OG|、|OI|、|OF|、∠FOI和∠IOG是可以使用像平面计算出来的，只有变量η是未知的。由于二维码一般为矩形，长宽都是可测量的（在系统设计中是将二维码的长宽作为基本信息保存在数据库中），|BW|＝|CW|。在方程组（1）中未知量只有3个，分别为|CC′|、|WW′|和η。

使用余弦定理，针对ΔBWW′和ΔBCC′建立方程组

$\left\{\begin{array}{c}{\left|W{W}^{\′}\right|}^2={\left|\mathrm{BW}\right|}^2+{\left|B{W}^{\′}\right|}^2-2\left|\mathrm{BW}\right|\·\left|{\mathrm{BW}}^{\′}\right|\·\cos \∠{\mathrm{CBC}}^{\′}\\ {\left|C{C}^{\′}\right|}^2={\left|\mathrm{BC}\right|}^2+{\left|{\mathrm{BC}}^{\′}\right|}^2-2\left|\mathrm{BC}\right|\·\left|{\mathrm{BC}}^{\′}\right|\·\cos \∠{\mathrm{CBC}}^{\′}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中|BC|、|BW|为已知（|BC|＝2|BW|），并且|BW′|＝η|FI|、|BC′|＝η|GF|，由于|FI|、|GF|在像平面，可以根据像素计算出长度，那么未知变量有四个分别为|WW′|、|CC′|、∠CBC′和η。对方程组（2）进行计算，可以除掉cos∠CBC′，得到等式

$\left|{\mathrm{CC}}^{\′}\right|=|\sqrt{\frac{2{\left|{\mathrm{WW}}^{\′}\right|}^2\·\left|{\mathrm{BC}}^{\′}\right|-2{\left|\mathrm{BW}\right|}^2\·\left|{\mathrm{BC}}^{\′}\right|}{\left|{\mathrm{BW}}^{\′}\right|}}+4{\left|\mathrm{BW}\right|}^2+{\left|{\mathrm{BC}}^{\′}\right|}^2-2|{\mathrm{BC}}^{\′}|\·|{\mathrm{BW}}^{\′}\left|\right|,---\left(3\right)$

等式（3）是使用|WW′|和η来表示|CC′|。将等式（3）代入到方程组（1）中，替代|CC′|，那么两个等式，两个未知数，可以求出两个未知数的实际值，也可以指定精确度，然后使用步步迭代的方法快速计算出长度。进一步可以计算出|OA|、|OB|等线段的长度，进而推算出相对二维码的位置，根据二维码的经纬度可以计算出移动端所在的绝对位置。

Claims (4)

1.基于二维码和wifi信号的室内定位系统和方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、开启移动端精确定位，用户利用移动端自带的摄像头以照片的形式采集二维码信息，移动端开启wifi信号接收器，收集附近的wifi信号以及每一个wifi信号的强度值和对应的MAC地址；

2）、将wifi的名称、强度等信息和二维码的内容上传到服务器，等待服务器解析后返回的数据；

3）、同时移动端开始对二维码所在照片的信息进行分析，获取二维码所在照片中生成的四边形各边所占像素个数，根据每一个像素，算出照片的焦距；

4）、移动端获取信息后，使用小孔成像的原理和成像的实际几何模型计算出移动端相对于二维码的位置；

5）、根据需要将二维码位置和长宽度信息换算成经纬度坐标；

    6）、获取精确定位之后，利用移动端的加速度传感器和方向传感器以及wifi信号进行移动时位置的估算，可以有效减小开始估算时误差的产生。

2.如权利要求1所述的基于二维码和wifi信号的室内定位系统和方法，其特征在于：所述步骤3）中移动端开始对二维码所在照片的信息进行分析的具体过程包括：服务器获取信息后，根据wifi的MAC地址的唯一性和二维码的局部唯一性，在数据库中查找到对应二维码的基本信息，然后返回给移动端。

3.如权利要求2所述的基于二维码和wifi信号的室内定位系统和方法，其特征在于：所述基本信息包括二维码所在室内位置，二维码的在现实中的长宽信息。

4.如权利要求1所述的基于二维码和wifi信号的室内定位系统和方法，其特征在于：所述步骤5）中换算成经纬度坐标的方法为：根据数据库返回的二维码所在室内的相对位置和室内某一点的经纬度信息，解算出移动端所在的准确经纬度信息。

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