CN104837118A

CN104837118A - 一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统及方法

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Publication number: CN104837118A
Application number: CN201510212084.XA
Authority: CN
Inventors: 关维国; 鲁宝春; 李宝国; 华海亮; 陈晓英; 任国臣; 姜丕杰; 程海军
Original assignee: Liaoning University of Technology
Current assignee: Liaoning University of Technology
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2035-04-29
Also published as: CN104837118B

Abstract

一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统及方法，涉及一种移动网络无线定位与导航系统及方法，所述系统包括信号节点部署系统、智能终端系统、定位服务器系统。信号节点部署系统提供WiFi信号节点和蓝牙信号节点的部署方法，本系统采集周边WiFi信号节点信息，包括WiFi信号强度信息、WiFi信号节点物理地址和WiFi坐标信息；本系统采集周边蓝牙信号节点信息，包括蓝牙信号强度信息、蓝牙信号节点物理地址和蓝牙坐标信息；本系统包括融合定位模型及其定位算法；本发明充分利用智能终端中的WiFi和蓝牙模块，将智能终端的WiFi信号和蓝牙信号融合起来进行定位，对于越来越多的智能终端运用与定位具有意义。

Description

一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种移动网络无线定位与导航系统及方法，特别是涉及一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统及方法。

背景技术

基于位置的服务（LBS）成为最具发展潜力的移动互联网业务之一。随着互联网技术、宽带无线接入技术和移动终端技术的迅速发展，人们对能够随时随地地提供信息服务的移动计算与宽带无线通信的需求越来越迫切。无处不在的网络终端，以人为本、个性化、智能化的移动计算，以及方便、快捷的无线接入、无线互联等新概念和新产品，逐渐地融入到人们的学习、工作领域和日常生活当中。

卫星导航定位系统凭借其极高的可靠性和准确的室外定位精度，拥有广泛的应用领域，但是极难应用于室内定位。为了提高复杂室内环境中的定位精度，专家学者们提出了很多室内定位的技术方案。谷歌、微软、苹果、博通等在内的科技巨头，还有世界知名的大学研究机构都在结合新技术研究室内定位。

典型的室内定位技术有：A-GPS定位技术、射频识别技术、红外线技术、ZigBee技术、超声波技术、超宽带技术、WiFi技术、蓝牙技术。

1. A-GPS定位技术

A-GPS是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动台进行定位的技术。A-GPS技术通过设置若干参考GPS接收机，利用AGPS服务器与终端的交互获得终端的粗位置，然后通过移动网络将终端需要的星历和时钟等辅助数据发送给终端，由终端进行GPS定位测量。测量结束后，终端可自行计算位置结果或者将测量结果发回到AGPS服务器，服务器计算后将结果发给终端。它克服了传统GPS系统的局限性，首次捕获GPS信号的时间仅需几秒，在空旷的室外地区定位精度可达10米左右，在室内环境下精度在5到50米左右。

2. 射频识别技术

射频识别技术（RFID）是通过射频方式来进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。一个完整的RFID系统，包括射频读写器、电子标签、主机和数据库。射频读写器可以通过特定的射频信号和协议读取电子标签发送的数据信息。该技术定位精度高，标签的造价低、体积小，克服了非视距，但缺点是作用距离短，不具有通信能力，不方便集成到其它系统中。

3. 红外线技术

红外线(IR,Infrared Radiation)定位的原理是，红外线发射器发射调制过的红外线信号，然后安装在室内的光学传感器接收此红外线信号进行测距定位。红外线技术的优点是室内定位精度相对较高，缺点是红外射线不能穿过墙壁等遮挡物，传输距离短，仅能在视距范围内传播，而且容易受到荧光灯或其他灯光的干扰，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。

4. ZigBee技术

ZigBee是一种新型的具有低速率、短距离等特点的无线网络通信技术，可用于室内定位。它有着自己的无线电标准（IEEE 802.15.4），通过数量众多的微传感器之间相互协调通信来实现定位。这些传感器功耗很小，通过无线电波以接力的形式将数据在传感器中进行传递，因此传感器有着很高的通信效率。

5. 超声波技术

超声波技术的定位原理是利用声波信号的反射确定待定位目标的位置。一种方法是单向测距法，主测距器放置在待测物体上，主测距器向固定位置的电子标签发射无线电信号，电子标签收到信号后便向主测距器发射超声波信号，通过超声波的传输时间来计算距离。当主测距器同时接收到3个或3个以上的电子标签发出的超声波信号时，就可以根据相关的算法确定出被测物体的位置。另一种方法是超声波发射器向四周发射超声波，然后接收由被测物反射的回波，根据发射波与反射波之间的时间差计算出距离。超声波定位技术的定位精度可以达到厘米级，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，而且超声波设备成本较高。

6. 超宽带技术

超宽带（UWB, Ultra Wideband）技术是一种与传统的通信技术有着很大不同的通信新技术。超宽带技术直接发送纳秒甚至纳秒级以下的极窄脉冲，而不需要通过载波进行数据传输，带宽可达到GHz量级。之前一直应用于军事方面，近几年才走入民用。超宽带定位技术具有功耗低、穿透力强、抗多径效果好、安全性高、发射功率较低和定位精度高等优点，但造价十分昂贵。

7. WiFi技术

无线局域网(WLAN)是一种可以广泛应用于复杂环境下的大范围定位、监测和追踪的全新信息获取平台，而且网络节点的自身定位是大多数应用的基础。当前比较流行的WiFi定位是无线局域网络系列标准之IEEE 802.11的一种定位解决方案。其定位原理是接收端通过接收无线局域网热点发送的功率信号，根据信号传播模型或者直接利用各种测距方法得到用户到无线热点的距离，然后根据三边定位法，三角定位法，到达时间法等定位用户的位置。另外使用位置指纹法进行用户定位的也比较流行。WiFi定位的优点是：定位范围广，部署成本低，系统整体定位精度较好。

8. 蓝牙技术

蓝牙技术是在蓝牙局域网的基础上构建的。在室内定位区域安装适当的蓝牙接入点，将蓝牙局域网配置成基础网络架构，对于任意进入该局域网的蓝牙标签，都可以与蓝牙接入点通信，并估算出蓝牙接入点与标签的距离，最后通过几何测量法估计出标签的位置。也可以通过测量RSSI值进行定位。蓝牙室内无线定位技术的最大优点是设备体积较小、可集成在PDA, PC以及手机等终端设备中，因此易于推广普及，且蓝牙信号的传输不受视距的影响。不足之处就在于稳定性差，易受噪声信号干扰。

目前国内，虽然WiFi和蓝牙定位技术是当前研究的热点，但尚未实现大规模应用，很多提出的定位方法目前还停留在理论探讨阶段。基于WiFi和蓝牙的融合定位研究比较少，根据WiFi定位技术覆盖范围广，蓝牙定位技术定位精度高，建立一个基于WiFi和蓝牙的融合定位技术模型，可获得待定位移动终端的最佳估计位置。定位基础设施建设成本太高，难以向大众推广。红外线定位技术需要在各个地方安装接收天线，才可以精确定位，造价太高。另外，超声波定位技术和超宽带定位技术的设备都十分昂贵。相比而言，许多建筑室内都部署了WiFi热点，不需要额外的设备就能定位。

受室内复杂环境影响较大，定位精度不高。受室内多径传播和非视距传播的影响，A-GPS定位技术，ZigBee定位技术等定位精度严重下降。相比之下，WiFi定位技术和蓝牙定位技术都能克服非视距传播等室内环境的影响。难以集成到智能终端。射频识别技术和ZigBee技术都是需要自己专门设备才能定位，却难以集成到现有的智能终端里。而现在很多智能终端都集成了WiFi和蓝牙模块，通过与WiFi信号节点和蓝牙信号节点通信，可实现室内定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统及方法，本发明充分利用智能终端中的WiFi和蓝牙模块，将智能终端的WiFi信号和蓝牙信号融合起来进行定位，对于越来越多的智能终端运用与定位具有意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，所述系统包括信号节点部署系统、智能终端系统、定位服务器系统；信号节点部署系统提供WiFi信号节点和蓝牙信号节点的部署方法；智能终端系统采集周边WiFi信号节点信息，包括WiFi信号强度信息、WiFi信号节点物理地址和WiFi坐标信息和周边蓝牙信号节点信息，包括蓝牙信号强度信息、蓝牙信号节点物理地址和蓝牙坐标信息；终端根据采集到的WiFi信号强度值RSSI和蓝牙信号强度值RSSI完成对周围WiFi节点和蓝牙节点的排序，并将WiFi信号节点信息、蓝牙信号节点信息和排序信息发送到定位服务器系统，定位服务器系统通过三层数据融合处理完成对智能终端的位置定位，并将定位信息发送回智能终端；智能终端提供了两种定位模式，一种是WiFi网络定位模式，另一种是自主定位模式；智能终端接收定位结果信息，并在配置的电子地图上显示出当前用户的位置。

所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，定位信号节点网络中WiFi信号节点和蓝牙信号节点的部署根据室内WiFi热点现有配置及定位信号的覆盖完整性要求，统一部署新增WiFi信标节点及蓝牙信标节点。。

所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，所述智能终端系统收集周边WiFi信号节点和蓝牙信号节点的信号强度信息、坐标信息和物理地址信息，通过与服务器端通信，实现终端的网络定位；智能终端自带定位算法实现终端的自主定位，显示用户在电子地图上的位置信息。

所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，所述智能终端为智能手机和平板电脑，具有独立的操作系统，通过安装应用软件程序来扩充终端的功能。

所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，所述定位服务器系统包含融合定位算法，定位服务器系统与智能终端通信，响应智能终端的定位请求、接收智能终端的发送过来的数据帧和将最后定位的结果发送回智能终端；同时定位服务器系统运行融合定位算法，计算出定位结果；并且定位服务器系统在电子地图上显示用户位置信息；定位服务器系统向智能终端推送相关商品实惠信息。

所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，所述定位服务器系统包括网关、服务器和显示器。

所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，所述系统的整体定位模式包括智能终端与服务器端通信的WiFi网络定位模式，和智能终端的自主定位模式；智能终端网络定位模式为终端选择WiFi网络定位模式后，发送WiFi网络定位请求给服务器端，服务器响应定位请求并且接受终端收集到的WiFi信号节点信息和蓝牙信号节点信息，服务器端经过对信号节点信息预处理后，进行融合定位计算，将最终定位结果发送回终端，终端显示用户在室内所在位置；智能终端的自主定位模式为发送自主定位请求，终端将收集到的WiFi信号节点信息和蓝牙信号节点信息进行高斯滤波处理，选择出较优良的RSSI值，根据融合定位算法计算出定位结果，最后在终端的电子地图上显示出用户的位置。

所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，所述定位终端包括RSSI测量单元、网络通信单元、自主定位单元、定位算法单元、位置显示单元、UI界面单元。

一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位方法，所述定位方法建立了WiFi与蓝牙多源定位观测量的三层融合定位模型；根据WiFi和蓝牙RSSI测量值转化的信号节点到终端的距离值，结合信号节点和终端坐标信息列出观测方程，用泰勒级数展开法将观测方程线性化，利用最小二乘法可得到目标位置估计值，然后将WiFi和蓝牙定位的位置估计值和误差估值，用贝叶斯规则进行融合，最后将WiFi和蓝牙分别定位的结果和第二次融合定位的结果再进行贝叶斯融合处理。

所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位方法，所述定位算法根据当前室内环境，对信号传播模型中的衰减因子进行修正，得到最能反映当前环境的室内信号传播模型。

本发明的优点与效果是：

1.本发明建立了基于WiFi和蓝牙的三层融合定位模型，并采用三层数据融合定位技术，获取待定位终端的最佳位置估计值。本发明提供基于WiFi与蓝牙的室内无缝融合定位方法。将WiFi和蓝牙的RSSI测量值通过无线传播模型转化成距离，列出观测方程，然后用泰勒级数展开法将观测方程线性化，利用最小二乘法得到目标位置估计，进行第一次数据融合。然后将WiFi和蓝牙定位的位置估计值和方差，用贝叶斯规则进行第二次融合。最后将WiFi和蓝牙分别定位的结果和第二次融合定位的结果进行第三次加权融合技术处理，选择出最佳的位置估计值。本发明充分利用智能终端中的WiFi和蓝牙模块，将智能终端的WiFi信号和蓝牙信号融合起来进行定位，这对于越来越多的智能终端运用于定位具有重大意义。

2.本发明提供两种定位模式，一种是WiFi网络定位模式，利用WiFi无线网络实现智能终端与服务器之间通信，经过定位算法后将定位结果在服务器电脑上显示用户位置，也可以反馈回智能终端显示出用户自己的位置，这能够减少数据流量的产生；另一种是自主定位模式，安装的定位软件本身自带定位算法，经过定位计算后，能将用户定位结果在电子地图上显示。本发明可以通过服务器查询用户平面层地图，提供定位位置在智能终端地图显示，用户可以在系统覆盖区域无缝地使用定位服务，获取其所在位置的实时定位信息，用户也可在陌生室内环境中进行导航

3.本发明减少了定位成本，可以充分利用现有的WiFi和蓝牙信号资源进行准确的定位。现有智能终端越来越普及，很多智能终端都包含了WiFi和蓝牙模块。另外，随着无线城市的发展，各楼层、小区、大街等等都会部署WiFi或者蓝牙无线网络。该发明能够利用这些丰富的无线信号资源，进行人员的准确无缝定位。本发明将WiFi信号和蓝牙信号融合在一起定位，进一步的提高了定位精度。为多种信号进行融合定位提供了很好的思路和体系架构。本发明提两种定位模式：一种是利用WiFi网络通信，通过服务器定位计算出用户的位置，可避免使用移动网络定位产生的数据流量。另一种是利用定位软件自带的定位算法，可直接在智能终端定位出用户的位置。有两种定位模式的选择，可以有效的推广该项融合定位技术，为用户提供更方便、更精准的定位需求。

附图说明

图1为本发明基于WiFi和蓝牙的室内定位系统构成图；

图2 为本发明智能定位终端架构图；

图3为本发明自主定位系统架构图；

图4为本发明网络定位框架图；

图5为本发明三层数据融合方法流程图；

图6为本发明定位算法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

1.室内定位系统概述：

本发明结合WiFi和蓝牙热点技术，提出了一种基于WiFi信号和蓝牙信号实现室内融合定位的方法及系统。该系统主要包括信号节点部署系统、智能终端系统、定位服务器系统。信号节点部署系统提供WiFi信号节点和蓝牙信号节点的部署方法。智能终端系统采集周边WiFi信号节点信息，包括WiFi信号强度信息、WiFi信号节点物理地址和WiFi坐标信息；并采集周边蓝牙信号节点信息，包括蓝牙信号强度信息、蓝牙信号节点物理地址和蓝牙坐标信息。终端根据采集到的WiFi信号强度值RSSI和蓝牙信号强度值RSSI完成对周围WiFi节点和蓝牙节点的排序，并将WiFi信号节点信息、蓝牙信号节点信息和排序信息发送到定位服务器系统，定位服务器系统通过三层数据融合处理完成对智能终端的位置定位，并将定位信息发送回智能终端。智能终端提供了两种定位模式，一种是WiFi网络定位模式，另一种是自主定位模式。智能终端接收定位结果信息，并在配置的电子地图上显示出当前用户的位置。定位系统整体架构如图1所示。通过WiFi和蓝牙技术的融合定位，能够很好的弥补现有技术在室内定位精度不高等因素。

1）信号节点部署系统

本系统是基于WiFi信号和蓝牙信号的室内融合定位系统，需要根据室内部署的WiFi信号节点和蓝牙信号节点进行定位。由于信号节点的部署影响到室内定位结果的精确度，所以信号节点部署系统是重要的一环。室内分布智能设计软件是基于真实场景进行规划的软件，通过仿真可以直观的看到信号分布情况，从而评估设计是否合理。合理的设置天线点位置，有利于获得更好的覆盖效果，既保证室内良好的覆盖，同时最大限度的降低室内信号外泄。在实际环境中，无线电波传播是三维的，即楼层之间的无线信号会互相影响，因此在传统的二维射线跟踪的基础上，出现了三维射线跟踪，可以更直观的展示建筑物内场强分布，通过仿真可以让设计人员找到较为合理的天线点位置。根据室内分布智能设计软件，测试楼层共部署了15个WiFi信号节点，每10米一个WiFi信号节点；部署了8个蓝牙信号节点，每20米一个蓝牙信号节点。本系统选用的WiFi信号节点是全向吸顶天线，工作频率为824-960MHZ、1710-2500MHZ；增益为2dbi/5dbi；功率容量为100W；CDMA天线口功率为5dbm左右，边缘场强≥-85dbm；GSM天线口功率为10dbm左右，边缘场强≥-85dbm；办公楼、教学楼的3G天线覆盖半径10-12米，2G天线覆盖半径为12-15米。本系统选用的是基于iBeacon协议的蓝牙发送基站，内置蓝牙4.0芯片，能够发送和接收2.4GHz的蓝牙信号；iBeacon传输的最大射程将取决于位置、现场布置、障碍物，标准信号有近似的70米，远程信号可达450米。

2）智能终端系统：本定位系统最为核心的部分是智能终端系统。第一，智能终端系统收集周边WiFi信号节点和蓝牙信号节点的信号强度信息、坐标信息和物理地址信息；第二，智能终端通过与服务器端通信，实现终端的网络定位；第三，智能终端自带定位算法能够实现终端的自主定位；第四，智能终端能够显示用户在电子地图上的位置信息。本发明使用的智能终端主要是智能手机和平板电脑，具有独立的操作系统，可通过安装应用软件程序来扩充终端的功能，智能终端的主要架构如图2所示。处理器和操作系统是智能终端最核心的部分，本发明采用的是Google开发的Android操作系统，该平台有各种开发工具和API，可以方便的对各个厂商的硬件进行操作，可实现定位信息数据的收集，文件的上传和下载，定位显示功能等。智能终端通过UART串口连接蓝牙模块和移动通信模块，通过SDIO串口连接WiFi模块，所以可支持Bluetooth/GPRS/3G/4G/wifi等无线网络通信。智能终端可通过LCD液晶显示器显示出用户在电子地图中所在位置。本系统采用的是三星Galaxy S Ⅲ智能手机，其中CPU主频为1.4GHZ；拥有4.8英寸、1280*720像素的主屏显示器；支持的协议为IEEE 802.11 n/b/g；支持蓝牙4.0。本系统采用的是三星GALAXY Tab S T805C（4G版）平板电脑，其中CPU主频是1.3GHz+1.9GHz；拥有10.5英寸、2560*1600像素的主屏显示器；支持的协议为IEEE 802.11n/b/g/a；支持蓝牙4.0；支持3G/4G网络。

3）定位服务器系统：定位服务器系统包含了融合定位算法，也是本定位系统比较重要的一部分。第一，定位服务器系统能够与智能终端通信，响应智能终端的定位请求、接收智能终端的发送过来的数据帧和将最后定位的结果发送回智能终端；第二，定位服务器系统运行融合定位算法，计算出定位结果；第三，定位服务器系统能够在电子地图上显示用户位置信息；第四，定位服务器系统能够向智能终端推送相关商品实惠信息。定位服务器系统主要包括网关、服务器和显示器。网关选用的是TP-LINK TL-WR886N无线路由器，无线传输标准有802.11b、802.11g、802.11n；内置了防火墙；有线传输率为10/100Mbps,无线传输率为450Mbps。本系统选用的服务器是IBM System x3100 M4,CPU类型为Intel至强E3-1200；CPU频率为3.1GHz,智能加速主频为3.5GHz,CPU核心为四核；主板芯片组为Intel C202；网络控制器为Intel双口千兆网卡。本系统选用的显示器为联想 Li2342wA，尺寸为23英寸；分辨率为1920*1080。

2.整体定位流程

本系统提供两种定位模式，一种是智能终端的WiFi网络定位模式，另一种是智能终端的自主定位模式。

智能终端自主定位模式：终端选择自主定位模式后，发送自主定位请求，终端将收集到的WiFi信号节点信息和蓝牙信号节点信息进行高斯滤波处理，选择出较优良的RSSI值，根据融合定位算法计算出定位结果，最后在终端的电子地图上显示出用户的位置，用户也可根据配置的电子地图在陌生室内环境下进行导航，另外能够为用户推送周边商铺的商品优惠信息或者身边好玩的旅游景点信息。自主定位系统的整体架构如图3所示。智能终端WiFi网络定位模式：终端选择网络定位模式后，发送网络定位请求给服务器端，服务器响应定位请求并且接受终端收集到的WiFi信号节点信息和蓝牙信号节点信息，服务器端经过对信号节点信息预处理后，进行融合定位计算，将最终定位结果发送回终端，终端就能够显示出用户在室内所在的位置了，另外服务器端支持多用户位置查询，并且能够显示出用户在电子地图上的所在位置。整体定位框架图如图4所示。

1）RSSI测量单元：智能终端需要安装定位软件，打开终端的WiFi、蓝牙开关和定位软件后，定位软件中的测量程序单元开始扫描周边的WiFi信号节点和蓝牙信号节点信息，每10ms采集一次，2s采集到信号节点的200个RSSI值，对这200个RSSI值取几何平均值，当这个平均值大于设定的RSSI阀值时，则将这信号节点的200个RSSI值、位置坐标等信息保存入库。终端需要采集周边至少四个WiFi信号节点和四个蓝牙信号节点，并根据信号强度平均值大小进行信号节点排序。

2）网络通信单元：智能终端和服务器端都含有网络通信单元。智能终端的网络通信单元主要负责发送定位请求；将测量到的信号节点信息发送给服务器端或者是自主定位单元；接收服务器端的定位结果，并将定位结果发送到UI界面单元。服务器的网络通信模块与智能终端网络通信单元进行通讯，可以接收来自多个用户的定位请求，并能将定位结果和位置应用等相关信息返回给相应的智能终端。因为局域网中通信过程中的丢包率很低，而且系统的主要服务是定位服务，定位阶段正常的数据交互仅进行一次往返通信过程即可完成服务，因此，本系统在传输层采用无连接的UDP协议作为传输层协议，考虑到少概率丢包情况，在应用层增加重传机制，当终端发送定位请求之后，如果1s之后没有收到回复，则重传上次的报文请求。

3）定位算法单元：定位算法单元是整个系统中最核心的功能模块，模块的运行由位置查询报文的到达事件触发。三层融合定位算法包含在其中，经过定位计算后一方面将定位结果通过通信模块返回智能终端显示，另一方面可在服务器端电子地图上直接显示出用户的定位位置坐标。

4）位置显示单元：服务器端可以直接查询用户在室内的位置，并且能够可以查询各个楼层的平面地图，只要用户没关闭定位软件，还可以在服务器中显示出用户的行走轨迹。

5）自主定位单元：智能终端安装的WiFi/Bluetooth融合定位软件自身带有三层融合定位算法，自主定位采用通信的网络不同，采用的是2G/3G移动通信网络，而服务器端与智能终端通信的是WiFi无线网络。移动通信网络自主定位服务系统，可获取多用户的位置信息，实现第三方定位业务。系统整合GIS接口，可以支持完备的个人隐私保护，对接入CP的控制和鉴权；终端用户完全控制位置信息保护，提供个人号码保护。自主定位系统主要包括：移动台在线查询模块、WiFi/Bluetooth融合定位软件、定位数据处理和地理位置信息接口等。

移动台在线查询模块主要是将最终定位信息参数传送给LCS客户；WiFi/Bluetooth融合定位软件采用的是三层融合定位算法，将处理后的信号节点信息进行定位计算得到定位结果；定位数据处理主要是对采集的信号节点信息进行高斯滤波等预处理，类似于定位算法模块的预处理，后面会详述；地理位置信息翻译提供信息定位解算结果向本地地理坐标转换的功能，提供到外部的GIS系统接口。

6）UI界面单元：智能终端的UI界面单元主要是为了能在智能终端的电子地图上显示服务器返回的定位结果或者是自主定位的结果，方便用户查询自己所在位置，并且在陌生室内环境下导航，还可向用户推送附近商店的最新优惠信息等应用。

3.融合定位模型及其定位算法

本系统提供基于WiFi与蓝牙的室内无缝融合定位模型与定位方法。建立WiFi与蓝牙多源定位观测量的统一融合定位模型。在此基础上，提供基于WiFi观测数据与蓝牙的观测数据RSSI融合定位方法。根据WiFi和蓝牙RSSI测量值转化的信号节点到终端的距离值，结合信号节点和终端坐标信息可列出观测方程，用泰勒级数展开法将观测方程线性化，利用最小二乘法可得到目标位置估计值，这是第一次数据融合。然后将WiFi和蓝牙定位的位置估计值和误差估值，用贝叶斯规则进行融合，这是第二次数据融合。最后将WiFi和蓝牙分别定位的结果和第二次融合定位的结果再进行贝叶斯融合处理，三次融合定位处理后可得到最佳的位置估计值。具体的三层融合定位流程如图5所示。

a.第一层数据融合。根据图6定位算法流程可以分别得到WiFi和蓝牙的位置估计值(x_a,y_a)和(x_b,y_b)，还有WiFi和蓝牙的位置误差估值σ_a和σ_b。对采集到的WiFi信号强度RSSI_a和蓝牙信号强度RSSI_b进行高斯滤波处理，选取范围在[0.15δ+μ,3.09δ+μ]内的RSSI值对这些RSSI值进行几何平均，就可以得到某未知WiFi节点或者蓝牙节点在一段时间内的RSSI值。其中，，。利用当前室内环境计算出准确的衰减因子对信号传播模型进行修正，根据修正后的信号传播模型，将预处理后的RSSI值转化为信号节点到智能终端的距离。结合之前信号节点坐标和终端的坐标，就可以列出观测方程，利用泰勒级数展开法对观测方程线性化后，最后通过最小二乘法可以得到定位结果。

b.第二层数据融合。利用贝叶斯规则将WiFi和蓝牙单独定位的结果进行数据融合。贝叶斯规则的具体形式为：

(1)

其中，(x_c,y_c)和σ_c ²分别表示从贝叶斯融合方法获得的被估计的位置和位置估计误差。

c.第三层数据融合。将第一层数据融合的结果(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、σ_a ²、σ_b ²和第二层数据融合的结果(x_c,y_c)、σ_c ²进行第二次贝叶斯融合计算，作为第三层融合的输出，得到(x_d,y_d)。

本发明定位方法如图6所示，该定位算法流程只应用于WiFi和蓝牙单独定位，同时也是三层融合算法的第一层数据融合。

智能终端在2s内采集到一个WiFi信号节点的200个RSSI值。求出这200个RSSI值的均值μ和方差δ。200个RSSI值经过高斯滤波后，选取范围在[0.15δ+μ,3.09δ+μ]内的RSSI值对这些RSSI值进行几何平均，就可以得到某未知WiFi信号节点在2S内的优良RSSI平均值。根据定位方法需要，至少需要得到四个WiFi信号节点RSSI值。利用当前室内环境计算出准确的衰减因子对信号传播模型进行修正，根据修正后的信号传播模型，将预处理后的RSSI值转化为信号节点到智能终端的距离di(i=1,2······m)。结合之前信号节点坐标和终端的坐标，就可以列出观测方程组：

(2)

利用泰勒级数展开法对观测方程线性化，再通过最小二乘法就可以得到WiFi位置估计值(x_a，y_a)和位置误差估值σ_a。

同样，利用以上定位算法可以得到蓝牙位置估计值(x_b，y_b)和位置误差估值σ_b。

如图5所示，利用贝叶斯规则将WiFi和蓝牙单独定位的结果进行第二层数据融合。其中，(x_c,y_c)和σ_c ²分别表示从贝叶斯融合方法获得的被估计的位置和位置估计误差。

最后将第一层数据融合的结果(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、σ_a ²、σ_b ²和第二层数据融合的结果(x_c,y_c)、σ_c ²进行第二次贝叶斯融合计算，作为第三层融合的输出，得到最佳的位置估计值(x_d,y_d)。

本发明定位系统如图1和图4所示，根据室内部署的信号节点网络，每10米就有一个WiFi信号节点，每20米部署一个iBeacons蓝牙信号节点，实现室内区域定位信号的无缝覆盖。智能终端安装完定位应用程序后，打开终端的WiFi、蓝牙开关和定位软件，定位应用程序中的RSSI测量单元开始扫描周边的WiFi信号节点和蓝牙信号节点信息，每10ms采集一次，2s采集到信号节点的200个RSSI值，对这200个RSSI值取几何平均值，当这个平均值大于设定的RSSI阀值时，则将这个信号节点的200个RSSI值、位置坐标等信息保存入库。终端选取周边至少四个信号强度最强的WiFi信号节点和至少四个信号强度最强的蓝牙信号节点。

定位应用程序提供两种定位模式，一种是基于WiFi网络定位模式，另一种是自主定位模式。如图3所示，当用户选择自主定位模式后，发送自主定位请求，终端将收集到的WiFi信号节点信息和蓝牙信号节点信息进行高斯滤波处理，选择出较优良的RSSI值，根据融合定位算法计算出定位结果，最后在终端匹配电子地图显示出用户的位置，用户也可根据配置的电子地图在陌生室内环境下进行导航。另外自主定位模式可以为VIP用户推送周边商铺的商品优惠信息或者身边好玩的旅游景点信息。

当用户选择WiFi网络定位模式后，发送网络定位请求给服务器端，服务器响应定位请求并且接收终端采集的WiFi信号节点信息和蓝牙信号节点信息，定位服务器经过对信号节点信息预处理后，进行融合定位计算，将最终定位结果发送回终端，终端就能够显示出用户在室内所在的位置了，另外服务器端支持多用户位置查询，能够显示出用户在电子地图上的所在位置。

服务器端提供查询智能终端所在室内的位置，并能够查询各个楼层的平面地图，只要用户没关闭定位软件，还可以在服务器中显示出用户的行走轨迹。

Claims

1.一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，其特征在于，所述系统包括信号节点部署系统、智能终端系统、定位服务器系统；信号节点部署系统提供WiFi信号节点和蓝牙信号节点的部署方法；智能终端系统采集周边WiFi信号节点信息，包括WiFi信号强度信息、WiFi信号节点物理地址和WiFi坐标信息和周边蓝牙信号节点信息，包括蓝牙信号强度信息、蓝牙信号节点物理地址和蓝牙坐标信息；终端根据采集到的WiFi信号强度值RSSI和蓝牙信号强度值RSSI完成对周围WiFi节点和蓝牙节点的排序，并将WiFi信号节点信息、蓝牙信号节点信息和排序信息发送到定位服务器系统，定位服务器系统通过三层数据融合处理完成对智能终端的位置定位，并将定位信息发送回智能终端；智能终端提供了两种定位模式，一种是WiFi网络定位模式，另一种是自主定位模式；智能终端接收定位结果信息，并在配置的电子地图上显示出当前用户的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，其特征在于，定位信号节点网络中WiFi信号节点和蓝牙信号节点的部署根据室内WiFi热点现有配置及定位信号的覆盖完整性要求，统一部署新增WiFi信标节点及蓝牙信标节点。

3.根据权利要求1所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，其特征在于，所述智能终端系统收集周边WiFi信号节点和蓝牙信号节点的信号强度信息、坐标信息和物理地址信息，通过与服务器端通信，实现终端的网络定位；智能终端自带定位算法实现终端的自主定位，显示用户在电子地图上的位置信息。

4.根据权利要求3所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，其特征在于，所述智能终端为智能手机和平板电脑，具有独立的操作系统，通过安装应用软件程序来扩充终端的功能。

5.根据权利要求1所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，其特征在于，所述定位服务器系统包含融合定位算法，定位服务器系统与智能终端通信，响应智能终端的定位请求、接收智能终端的发送过来的数据帧和将最后定位的结果发送回智能终端；同时定位服务器系统运行融合定位算法，计算出定位结果；并且定位服务器系统在电子地图上显示用户位置信息；定位服务器系统向智能终端推送相关商品实惠信息。

6.根据权利要求1所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，其特征在于，所述定位服务器系统包括网关、服务器和显示器。

7.根据权利要求1所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，其特征在于，所述系统的整体定位模式包括智能终端与服务器端通信的WiFi网络定位模式，和智能终端的自主定位模式；智能终端网络定位模式为终端选择WiFi网络定位模式后，发送WiFi网络定位请求给服务器端，服务器响应定位请求并且接受终端收集到的WiFi信号节点信息和蓝牙信号节点信息，服务器端经过对信号节点信息预处理后，进行融合定位计算，将最终定位结果发送回终端，终端显示用户在室内所在位置；智能终端的自主定位模式为发送自主定位请求，终端将收集到的WiFi信号节点信息和蓝牙信号节点信息进行高斯滤波处理，选择出较优良的RSSI值，根据融合定位算法计算出定位结果，最后在终端的电子地图上显示出用户的位置。

8.根据权利要求1所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位系统，其特征在于，所述定位终端包括RSSI测量单元、网络通信单元、自主定位单元、定位算法单元、位置显示单元、UI界面单元。

9.一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位方法，其特征在于，所述定位方法建立了WiFi与蓝牙多源定位观测量的三层融合定位模型；根据WiFi和蓝牙RSSI测量值转化的信号节点到终端的距离值，结合信号节点和终端坐标信息列出观测方程，用泰勒级数展开法将观测方程线性化，利用最小二乘法可得到目标位置估计值，然后将WiFi和蓝牙定位的位置估计值和误差估值，用贝叶斯规则进行融合，最后将WiFi和蓝牙分别定位的结果和第二次融合定位的结果再进行贝叶斯融合处理。

10.根据权利要求9所述的一种基于WiFi和BLUETOOTH的室内融合定位方法，其特征在于，所述定位算法根据当前室内环境，对信号传播模型中的衰减因子进行修正，得到最能反映当前环境的室内信号传播模型。