CN104198989A - 一种基于照明光源和Wi-Fi信号的混合模式室内定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于照明光源和Wi-Fi信号的混合模式室内定位方法。该方法包括如下步骤：光信息发射步骤：房间号与LED灯的ID信息的广播发射；基准数据采集步骤：将LED灯的ID信息、Wi-Fi信号强度分布预先存到手机终端；Wi-Fi初步定位步骤：接收到的Wi-Fi信号强度数据与已采集的数据匹配，可确定使用者所处房间区域；可见光再次定位步骤：用光信息接收模块接收并处理光信息，预处理后的光信息再次处理后与初步定位得到的房间区域内所有ID信息比对，确定使用者所处的室内的具体位置并将该位置显示在手机屏幕上。利用本发明实施例，能够提高室内定位精准性，节约照明能耗，具有很大的实用价值。

Description

一种基于照明光源和Wi-Fi信号的混合模式室内定位系统
技术领域
本发明属于室内定位应用领域，着重描述了一种基于室内LED照明光源和室内Wi-Fi信号的混合模式室内定位系统。
背景技术
随着移动终端与移动互联网技术的发展，再加上日趋复杂的城市布局结构，定位技术也在不断地进步和发展。目前常用的定位技术主要有卫星定位、蓝牙定位、Zig-bee定位和Wi-Fi强度匹配定位。卫星定位主要用于室外定位，现在主流的应用是GPS定位和北斗导航定位。蓝牙定位、Zig-bee定位和Wi-Fi强度匹配定位主要用于室内。
本发明利用Wi-Fi强度匹配定位技术，结合通过接收经改造后能发出含有特定信息的室内LED照明光从而实现定位的方法进行双重室内定位。相对于目前无线定位使用的主要频段的电磁波，可见光的空间强度分布特性更稳定，传播特性更简单。因此，在定位的精确度上，可见光定位在理论上应该较其他无线定位方式更精准。同时，由于本发明使用Wi-Fi强度匹配定位的方法预先确定使用者所处的区域，减少了可见光定位的搜索范围，提高了本发明的运行效率。
基于Wi-Fi强度匹配的室内定位方法须预先采集整个定位范围的Wi-Fi信号强度分布情况，按照一定的空间采样密度在整个定位区域采集周围所有Wi-Fi热点的强度，采集结束后存入数据库。使用时，在整个定位区域内的某一点上，得到周围所有的Wi-Fi热点在该点处的强度，得到的强度再与之前采集好的强度数据进行比对，找到差别最小的强度值。差别最小的强度值对应的位置就是定位结果。可以理解，由于无线信号在空间上的随机性衰落分布，这种定位方式的精度不高。
本发明还涉及到基于LED的可见光通信技术。基于LED的可见光通信技术的发送端采用LED的亮灭闪烁来发送信息。亮代表“1”，灭代表“0”。为了不影响照明效果，同时提高抗干扰性，LED灯通常需要以较高的频率亮灭闪烁。在接受端，用光电二极管以及相匹配的放大解调滤波电路接收信息。本发明利用接收到的房间内每盏LED灯所发出的不同信息来确定距离定位点最近的LED灯，这盏LED灯所处的位置就代表了定位结果。由于可见光强度在空间上分布的稳定性，这种定位方式要比Wi-Fi强度匹配定位的精度较高。
由于使用可见光通信，房间的照明也为LED所取代。这就比荧光灯照明更加节能，而且照明的成本更低。同时本发明还可以与未来的可见光路由器、电力线通信等新技术相结合，在节约能源的同时又减少室内无线电波的辐射。
发明内容
为了解决Wi-Fi强度匹配定位的缺陷，优化定位系统的效率，本发明提供了一种基于室内LED照明光源和室内Wi-Fi信号的混合模式室内定位系统。
本发明的技术方案如下：
一种基于照明光源和Wi-Fi信号的混合模式室内定位系统，包括照明光源模块、Wi-Fi热点模块、Wi-Fi信号接收模块、光信息接收模块、手机终端和手机终端上的定位应用程序。所述照明光源模块用于给房间提供照明并发射标识不同LED灯的ID信息。所述Wi-Fi热点模块用于发射Wi-Fi无线信号。所述的Wi-Fi信号接收模块用于接收周围Wi-Fi热点发出的Wi-Fi信号。所述光信息接收模块用于接收周围照明光源发出的ID信息。所述的手机终端利用所述的手机终端上的定位应用程序，处理光信息接收模块接收到的光信息和Wi-Fi信号接收模块接收到的Wi-Fi信号强度，并根据处理好的信息综合判断使用者所处的位置，最后将这个位置显示在手机屏幕上。
所述混合模式定位系统，其中，所述照明光源模块为LED灯。
所述混合模式定位系统，其中，所述Wi-Fi热点模块为无线热点或者无线路由器。
所述混合模式定位系统，其中，所述Wi-Fi信号接收模块为手机内置的Wi-Fi模块。
所述混合模式定位系统，其中，所述光信息接收模块为与手机音频口相连接的扩展模块。
所述混合模式定位系统，其中，所述的手机终端为智能手机。
所述混合模式定位系统，其中，所述手机终端定位应用程序为在智能手机上运行的一个应用程序。
所述照明光源，包括：ID信息发生模块、调制模块、负载驱动模块、LED阵列和电源。
所述光信息接收模块，包括：光电二极管、信号放大模块、滤波器模块、音频接口和电源。
整个系统的执行方法包括以下步骤：
A.光信息发射步骤：房间号信息与房间内每盏LED灯的ID信息的广播发射；
B.数据的采集与预先存入步骤：将房间号信息与LED灯的ID信息、采集到的Wi-Fi信号强度分布数据预先存放到手机终端；
C.Wi-Fi信号的接收与初步定位步骤：用Wi-Fi信号接收模块接收周围所有无线热点或无线路由器在使用者所处位置的信号强度，并与步骤B得到的数据进行匹配，根据匹配结果确定使用者所处的房间区域；
D.光信息的接收与预处理步骤：用光信息接收模块接收光信息并做预处理；
E.利用可见光进行再次定位的步骤：根据步骤D得到的处理后的光信息，将处理后的信息在步骤C得到的区域所包含的所有房间内的所有LED灯所对应的ID信息进行匹配，根据匹配的结果确定使用者所处的房间以及房间内的具体位置；
F.结果显示步骤：将步骤E得到的定位结果以地图的形式显示在手机终端的屏幕上。
所述的室内定位系统的执行方法，其中，步骤A所述的光信息发射与Wi-Fi信号发射步骤为：
1)为房间内每盏LED灯的ID信息分配一个唯一的长度为L序列Seq，每个房间映射为该房间内所有LED灯的ID信息对应序列的集合S，其中Seq∈S，S代表房间号；
2)将每盏LED灯对应的序列Seq调制后通过LED灯循环广播发送出去。
所述的室内定位系统的执行方法，其中，步骤B所述的数据的采集与预先存入步骤为：
1)在要定位的建筑物中，对每个房间按照房间的大小划定n个采样点，用手机上的Wi-Fi模块在每个采样点上采集周围无线路由器或无线热点发出的信号在该采样点上的平均信号强度，得到强度向量其中ei是第i个无线路由器或无线热点的信号强度；
2)按照步骤1)的办法采集整个建筑物中每个房间的Wi-Fi信号强度分布情况，再将采集完的数据存到手机终端上的定位应用程序里的数据库中；
3)将每盏LED灯对应的序列Seq存到手机终端上的定位应用程序里的数据库中。
所述的室内定位系统的执行方法，其中，步骤C所述的Wi-Fi信号的接收与初步定位步骤为：
1)用Wi-Fi接收模块接收周围无线路由器或无线热点在使用者所处位置的信号强度向量并将该强度向量传递给手机终端上的定位应用程序；
2)定位应用程序将强度向量与步骤B得到的所有采样点的信号强度向量匹配，找到与最相似的强度向量同时进一步得到了强度向量所对应的采样点。由此可以得到一个含有r个房间的房间区域，该区域由该采样点所在房间以及周围相邻的房间构成。这个区域就是使用者的初步定位结果。
所述的室内定位系统的执行方法，其中，步骤D所述的光信息的接收与预处理步骤为：
1)用光信息接收模块上的光电二极管接收与使用者距离最近的LED灯发出的光信息；
2)将接收到的光信息通过光信息接收模块上的放大电路放大，再将放大后的信号通过光信息接收模块上的下截止频率为fp的高通滤波电路进行滤波；
3)将处理好的信号通过音频接口传入到手机终端进行后续处理。
所述的室内定位系统的执行方法，其中，步骤E所述的利用可见光进行再次定位的步骤为：
1)利用手机终端上的定位应用程序对手机终端的录音口按采样频率Fs进行采样，采样得到的数据序列长度为SL。将采集到的数据通过应用程序里中心频率为Fm，通频带为Δf数字带通滤波器进行滤波处理；
2)将处理好的数据通过定位应用程序进行解调，得到待识别的ID信息序列Seq′；
3)将解调得到的序列Seq′与步骤B中所述存好的Seq序列在步骤C得到的初步定位区域所对应的范围内逐条匹配，根据匹配到的Seq找到其对应的集合S，S代表定位得到的房间。匹配到的Seq代表距使用者最近的LED灯，这盏LED灯的位置就代表使用者在房间里的具体位置。定位的精度与房间内所有的LED灯的布局情况有关，在干扰容许的前提下，布局越密集，定位精度越高。
本发明的有益效果在于，相对于现有技术而言，本发明应用Wi-Fi强度匹配定位技术对使用者所在的房间区域性进行定位，用基于室内LED照明光源的可见光定位技术对使用者进行室内精确定位，又给出完整的实施系统用于应用，试验结果验证了本发明的准确性和高效性，具有很强的实用性。
附图说明
图1是本发明提供的实施方式的步骤流程图。
图2是光信息发射模块的实施方式的结构图。
图3是基准数据的采集与预先录入数据库的步骤流程图。
图4是Wi-Fi信号的接收与初步定位的实施方式的步骤流程图。
图5是光信息接收模块的实施方式的结构图。
图6是可见光再次定位的实施方式的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
图1是本发明的步骤流程图，虚线框代表概括性的步骤，整体包括以下步骤：
第一步：基准数据的录入
步骤S1：将采集的Wi-Fi强度分布数据、事先已经分配好的房间内LED灯的ID信息都存入定位应用程序里地数据库。
第二步：LED灯发射ID信息
步骤S2：房间号信息与房间内每盏LED灯的ID信息的广播发射。
第三步：Wi-Fi信号的接收与初步定位
步骤S3：用Wi-Fi信号接收模块接收周围所有无线热点或无线路由器在使用者所处位置的信号强度，并与之前存好的强度数据进行匹配，根据匹配结果确定使用者所处的房间区域。
第四步：光信息的接收与预处理
步骤S4：用光信息接收模块接收光信息并做预处理。
第五步：利用可见光进行再次定位
步骤S5：将预处理后的光信息在Wi-Fi初步定位得到的区域所包含的所有房间内的所有LED灯所对应的ID信息进行匹配，根据匹配的结果确定使用者所处的房间以及房间内的具体位置。
第六步：显示定位结果
步骤S6：用地图化的方式将两种定位方式综合得到的定位结果显示在手机屏幕上。
下面将对每个步骤进行具体的说明：
步骤S1实现了房间号信息与房间内每盏LED灯的ID信息的广播发射的功能。图2给出了该方法的具体实施过程：
步骤11房间内每盏LED灯上的的ID序列发生器循环产生一个长度为L序列Seq，该序列唯一，每个房间映射为该房间内所有LED灯的ID信息对应序列的集合S，其中Seq∈S，S代表房间号信息；
步骤12将每盏LED灯对应的序列Seq通过FSK调制；
步骤13调制后经负载驱动后通过LED灯广播发送出去。
步骤S2实现基准数据的采集与预先录入的功能，将强度匹配所需的Wi-Fi强度分布数据、LED灯识别所需的ID信息事先存储到定位应用程序里的轻量型数据库中，为定位提供参照基准，图3给出了具体实施方法实施方法。详细步骤为：
步骤21在要定位的建筑物中，对每个房间按照房间的大小划定n个采样点，用手机上的Wi-Fi模块在每个采样点上采集周围无线路由器或无线热点发出的信号在该采样点上的平均信号强度向量其中ei是第i个无线路由器或无线热点的信号强度；
步骤22按照步骤1)的办法采集整个建筑物中每个房间的Wi-Fi信号强度分布情况，再将采集完的数据存到手机终端上的定位应用程序里的数据库中；
步骤23将每盏LED灯对应的序列Seq存到手机终端上的定位应用程序里的数据库中。
步骤S3实现了Wi-Fi信号的接收与初步定位，图4给出了具体实施方法，具体实施步骤如下：
步骤31用Wi-Fi接收模块接收周围无线路由器或无线热点在使用者所处位置的信号强度向量并将该强度向量传递给手机终端上的定位应用程序；
步骤32定位应用程序将强度向量与事先采集得到的所有采样点的信号强度向量匹配，找到与最相似的强度向量同时进一步得到了强度向量所对应的采样点。
步骤33获得到一个含有r个房间的房间区域，该区域由步骤32中得到的采样点所在房间以及周围相邻的房间构成。这个区域就是使用者的初步定位结果。
步骤S4实现了房间内LED灯的ID信息的初级接收功能，该功能的实现是由一个与手机音频接口相连的扩展模块实现，图5给出了实施方法，具体步骤如下：
步骤41用光信息接收模块上的光电二极管接收与使用者距离最近的LED灯发出的光信息，并经过前端放大电路放大处理；
步骤42将放大后的信号通过下截止频率为fp的高通滤波电路进行滤波；
步骤43将滤波后的信号通过音频接口传传送出去。
步骤S5先处理通过音频口采样进来的数字信号，再根据处理好的数字信号识别使用者所处的在房间以及房间内距离使用者最近的LED灯，从而确定使用者在室内的具体位置。图6给出了实施方法，具体实施步骤如下：
步骤51利用手机终端上的定位应用程序对手机终端的录音口按采样频率Fs进行采样，采样得到的数据序列长度为SL。将采集到的数据通过应用程序里中心频率为Fm，通频带为Δf数字带通滤波器进行滤波处理；
步骤52将处理好的数据解调，得到待识别的ID信息序列Seq′；
步骤53将解调得到的序列Seq′与之前初步定位得到的房间区域内的所有ID序列Seq逐条匹配，根据匹配到的Seq找到其对应的集合S，S代表定位得到的房间。匹配到的Seq代表距使用者最近的LED灯，这盏LED灯的位置就代表使用者在房间里的具体位置。定位的精度与房间内所有的LED灯的布局情况有关，在干扰容许的前提下，布局越密集，定位精度越高。
步骤S6是将之前整个系统综合得到的定位结果以地图的方式显示在手机终端的屏幕上。
以上结合附图对所提出的一种基于室内LED照明光源和室内Wi-Fi信号的混合模式室内定位方法及各模块的具体实施方式进行了阐述。通过以上实施方式的描述，所属领域的一般技术人员可以清楚的了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台相结合的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以手机终端应用程序加上部分硬件产品的形式体现。该产品的应用程序部分存储在手机终端上的存储介质中，包括若干指令用以使得一台或多台手机终端执行本发明的软件部分中的各个步骤所述的方法。同时，该产品的硬件部分可以通过对现有的照明体系进行改造，对现有的手机终端进行硬件扩展的方式实现。
依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于照明光源和Wi-Fi信号的混合模式室内定位系统，包括照明光源模块、Wi-Fi热点模块、Wi-Fi信号接收模块、光信息接收模块、手机终端和手机终端上的定位应用程序。所述照明光源模块用于给房间提供照明并发射标识性的ID信息。所述Wi-Fi热点模块用于发射Wi-Fi无线信号。所述的Wi-Fi信号接收模块用于接收周围Wi-Fi热点发出的Wi-Fi信号。所述光信息接收模块用于接收周围照明光源发出的ID信息。所述的手机终端利用所述的手机终端上的定位应用程序处理光信息接收模块接收到的光信息和Wi-Fi信号接收模块接收到的Wi-Fi信号强度，并根据处理好的信息综合判断使用者所处的位置，最后将这个位置显示在手机屏幕上。
2.根据权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于：所述照明光源模块为LED灯、所述Wi-Fi热点模块为无线热点或者无线路由器、所述Wi-Fi信号接收模块为手机内置的Wi-Fi模块、所述光信息接收模块为与手机音频口相连接的扩展模块、所述的手机终端为智能手机、所述手机终端上的定位应用程序为在智能手机上运行的一个应用程序。
3.根据权利要求2所述的照明光源，其特征在于，由以下部分组成：ID信息发生模块，调制模块，负载驱动模块，LED阵列，电源。
4.根据权利要求2所述的光信息接收模块，其特征在于，由以下部分组成：光电二极管，信号放大模块，滤波器模块，音频接口，电源。
5.如权利要求1所述的室内定位系统，其特征在于，包括以下步骤：
A.光信息发射步骤：房间号信息与房间内每盏LED灯的ID信息的广播发射；
B.数据的采集与预先存入步骤：将房间号信息与LED灯的ID信息、采集到的Wi-Fi信号强度分布数据预先存放到手机终端；
C.Wi-Fi信号的接收与初步定位步骤：用Wi-Fi信号接收模块接收周围所有无线热点或无线路由器在使用者所处位置的信号强度，并与步骤B得到的数据进行匹配，根据匹配结果确定使用者所处的房间区域；
D.光信息的接收与预处理步骤：用光信息接收模块接收光信息并做预处理；
E.利用可见光进行再次定位的步骤：根据步骤D得到的处理后的光信息，将处理后的信息在步骤C得到的区域所包含的所有房间内的所有LED灯所对应的ID信息进行匹配，根据匹配的结果确定使用者所处的房间以及房间内的具体位置；
F.结果显示步骤：将步骤E得到的定位结果以地图的形式显示在手机终端的屏幕上。
6.如权利要求5所述的室内定位系统，其特征在于，步骤A所述的光信息发射与Wi-Fi信号发射步骤为：
1)为房间内每盏LED灯的ID信息分配一个唯一的长度为L序列Seq，每个房间映射为该房间内所有LED灯的ID信息对应序列的集合S，其中Seq∈S，S代表房间号信息；
2)将每盏LED灯对应的序列Seq调制后通过LED灯循环广播发送出去。
7.如权利要求5所述的室内定位系统，其特征在于，步骤B所述的数据的采集与预先存入步骤为：
1)在要定位的建筑物中，对每个房间按照房间的大小划定n个采样点，用手机上的Wi-Fi模块在每个采样点上采集周围无线路由器或无线热点发出的信号在该采样点上的平均信号强度向量其中ei是第i个无线路由器或无线热点的信号强度；
2)按照步骤1)的办法将整个建筑物的每个房间都采集完，之后再将采集完的数据存到权利要求2所述的手机终端上的定位应用程序里的数据库中；
3)将每盏LED灯对应的序列Seq存到手机终端上的定位应用程序里的数据库中。
8.如权利要求5所述的室内定位系统，其特征在于，步骤C所述的Wi-Fi信号的接收与初步定位步骤为：
1)用Wi-Fi接收模块接收周围无线路由器或无线热点在使用者所处位置的信号强度向量并将该强度向量传递给手机终端上的定位应用程序；
2)定位应用程序将强度向量与步骤B存好的所有采样点的信号强度向量匹配，得到了一个含有r个房间的房间区域，这个区域内含有匹配到的采样点，这个区域就是使用者的初步定位结果。
9.如权利要求5所述的室内定位系统，其特征在于，步骤D所述的光信息的接收与预处理步骤为：
1)用光信息接收模块上的光电二极管接收离使用者距离最近的LED灯发出的光信息；
2)将接收到的光信息通过权利要求2所述的光信息接收模块上的放大电路放大，再将放大后的信号通过权利要求2所述的光信息接收模块上的下截止频率为fp的高通滤波电路进行滤波；
3)将处理好的信号通过音频接口传入到手机终端进行后续处理。
10.如权利要求5所述的室内定位系统，其特征在于，步骤E所述的利用可见光进行再次定位的步骤为：
1)利用权利要求1所述的手机终端上的定位应用程序对手机终端的录音口按采样频率Fs进行采样，采样得到的数据序列长度为SL。将采集到的数据通过应用程序里中心频率为Fm，通频带为Δf数字带通滤波器进行滤波处理；
2)将处理好的数据通过定位应用程序进行解调，得到待识别的ID信息序列Seq′；
3)将解调得到的序列Seq′与权利要求7所述步骤B中所述存好的Seq序列在权利要求5所述步骤C得到的初步定位区域所对应的范围内逐条匹配，根据匹配到的Seq找到其对应的集合S，S代表定位得到的房间。匹配到的Seq代表离使用者最近的那盏LED灯，这盏LED灯的位置就代表使用者在房间里的具体位置。定位的精度与房间内所有的LED灯的布局情况有关，在干扰容许的前提下，定位精度与LED灯布局密度正相关。
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