CN105242241A - 一种基于Wi-Fi的室内定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于Wi-Fi的室内定位方法，通过在室内或者隧道中固定个电子标签作为参考标签，并放置AP，待测标签和参考标签之间的欧氏距离，找出3个欧氏距离最小的三个参考标签，后利用三边定位算法进行定位，提高准确度，使得在隧道等室内环境中的定位精度也能达到1m，实现设备和巡检人员定位，可以快速、直观的发现设备隐患位置，并快速处理，解决了目前电力行业巡检过程中的存在的各种问题，并提供了一套智能化、信息化、高效化、安全化的智能巡检和设备定位系统。

Description

一种基于Wi-Fi的室内定位方法

【技术领域】

本发明涉及一种定位方法，具体涉及一种基于Wi-Fi的室内定位方法。

【背景技术】

目前，应用最广泛的定位系统为“全球卫星定位系统(GPS)”，但其依然存在很大的局限性。例如在空旷的场地上，接收器能够畅通无阻地收到卫星发出的信号，此时的GPS接收效果就会很好，但如果有高山、建筑或者隧道挡在接收器和卫星之间，GPS的接收效果就会很差。并且在高压变电站内拥有较强的电磁场，无电磁兼容能力的电子产品，均不能很好的使用。现有智能变电站巡检工作基本通过人工干预去周期性巡视，人员工作难度大、压力大、负荷重，同时故障定位周期长，隐患风险高，采用GPS及GPRS通信的PDA设备在变电站的强电磁场环境下信号衰减导致定位精度大幅度降低也不宜使用。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于Wi-Fi的室内定位方法，可以快速、直观的发现设备隐患位置并快速处理，提供一种智能化、信息化、高效化、安全化的智能巡检和设备定位方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于Wi-Fi的室内定位方法，包括以下步骤：

步骤(1)在室内或者隧道中每隔3m固定一个电子标签作为参考标签，每隔10m放置AP；

步骤(2)当待测标签进入到AP的范围内，AP开始接收待测标签发出的信号场强，并传入上位机；同时也接收各个参考标签在各个AP的信号场强，并传入上位机；

步骤(3)通过上位机把待测标签在4个AP上的场强建立成一个场强矢量，同时参考标签也建立成场强矢量，通过LANDMARC算法比较待测标签场强矢量与参考标签场强矢量得到待测标签和参考标签之间的欧氏距离，找出3个欧氏距离最小的三个参考标签，并得知3个参考标签的具体位置；

步骤(4)以3个参考标签为圆心，以其中两个最近参考标签之间距离的3/4长度为半径做3个圆；

当3个圆有公共区域时，以3个交点作三角形，待测标签的坐标是三角形内心坐标；

当3个圆两两相交无公共区域时，取两圆相交区域的两个交点连线的中点，然后以这3个中点做三角形，其内心就是待测标签内心坐标；

当3个圆不相交时舍弃，接受下一组最近3个参考标签，若3次还没有找到3个圆相交情况，即用3个参考标签的位置做三角形，其内心就是待测标签的位置。

进一步，待测标签和参考标签之间的欧氏距离通过下式得到：

假设有n个AP，m个参考标签，则AP点接收到的待测标签的信号强度量P＝(AP₁,AP₂,…,AP_n)，采集到的第t个参考标签的强度矢量为S_t＝(S_t1,S_t2,…,S_tn)，则待测标签和参考标签S_t之间的欧氏距离为：

$\begin{array}{cc}{E}_t=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{({\mathrm{AP}}_i-S_{ti})}^2}& t=(1,2,3)\end{array};$

其中APi是AP点接收到的待测标签的信号强度。

进一步，待测标签为手持PDA设备。

进一步，定位时通过GIS系统对室内或者隧道内部地理信息进行三维模拟展示，工作人员通过GIS系统动态查阅持待测标签的作业人员位置。

本发明的有益效果是：

本发明的基于WiFi的室内定位方法，通过在室内或者隧道中固定个电子标签作为参考标签，并放置AP，待测标签和参考标签之间的欧氏距离，找出3个欧氏距离最小的三个参考标签，后利用三边定位算法进行定位，提高准确度，使得在隧道等室内环境中的定位精度也能达到1m，实现设备和巡检人员定位，可以快速、直观的发现设备隐患位置，并快速处理，解决了目前电力行业巡检过程中的存在的各种问题，并提供了一套智能化、信息化、高效化、安全化的智能巡检和设备定位系统。

进一步，本发明的方法针对变电站较强的电磁场环境具有极大的抗干扰性，根据Wi-Fi定位算法实现人员的身份定位，同时基于三维建模技术实现针对隧道环境的GIS地理位置信息动态平台，实现人员巡检的动态智能化监测，运用Wi-Fi和RFID定位标签快速、方便的实现了故障信息的快速提取及定位，整体实现电力巡检过程中的集约化、统一化、系统化和高效化。

【附图说明】

图1为本发明的系统图

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明进行详细描述：

本发明旨在提供一种基于Wi-Fi的室内定位方法，运用漏缆技术及无线AP构建无盲区无线覆盖方案，通过手持PDA设备实现变电站内的无线通信及人员定位，同时运用GIS系统实现对变电站内部地理信息的三维模拟展示，工作人员可以通过GIS系统动态查阅到作业人员的位置，同时利用RFID标签实现设备和巡检人员定位，可以快速、直观的发现设备隐患位置，并快速处理，解决了目前电力行业巡检过程中的存在的各种问题，从而提供一套智能化、信息化、高效化、安全化的智能巡检和设备定位系统。

本发明基于Wi-Fi的室内定位方法，用以实现在输电隧道内人员的定位，并且使得定位精度在1m左右。

传统的信号传播容易受到折射、反射、绕射、衍射等影响，接收到的信号强度是各种途径传播来的信号的叠加。所以有时候信号强度增大，有时候又减小。经过大量的实践，发现接收信号强度服从log-normal分布。通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离，根据信道模型求解接收到待定位置的信号场强：

$PL\left(dB\right)=PL\left(d_0\right)+10nlog\left(\frac{d}{d_0}\right)+X_{\mathrm{\σ}}\left(dB\right)$

式中：n为路径损耗指数，与周围的环境有关；X_σ是标准差为σ的正态随机变量；d₀是参考距离，在室内环境中通常取1m；PL(d₀)为参考位置的信号强度。

假设有n个AP，m个参考标签，则AP点接收到的待测标签的强度量P＝(AP₁,AP₂,…,AP_n)，采集到的第t个参考标签的强度矢量为S_t＝(S_t1,S_t2,…,S_tn)，则待测标签和参考标签S_t之间的欧氏距离为：

$\begin{array}{cc}{E}_t=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{({\mathrm{AP}}_i-S_{ti})}^2}& t=(1,2,3)\end{array}$

LANDMARC算法的本质为基于信号强度算法。该算法主要通过比较不同Et来寻找与待测标签位置最近的参考标签。当由K个邻近的参考标签来确定一个待测标签的时候，称为“K-最邻近算法”,待测标签坐标是(x,y)：

$(x,y)=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{W}_i(x_i,y_i)$

其中的W_i和(x_i,y_i)分别是第i个邻居参考标签的权重因子和坐标位置。根据经验：

$W_j=\frac{1/E_j^2}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}1/E_i^2}$

权重越大的，E值越小。LANDMARC算法虽然能够处理比较复杂的环境，但是在一些封闭的环境中可能会出现多径效应，导致定位精度不高。因此通过LANDMARC算法找到三个距离最近的参考标签后利用三边定位算法进行定位，提高准确度。

一种基于Wi-Fi的室内定位方法，具体步骤为：

步骤(1)，在室内或者隧道中每隔3m固定一个电子标签(参考标签)，每隔10m放置AP，做好上位机与下位机的无线通信(软件程序的服务器和客户端的连接)。

步骤(2)，当待测标签(手持PDA设备)进入到AP的范围内，开始接收到待测标签发出的信号场强，并传入上位机。同时也接收各个参考标签在各个AP的信号场强，并传入上位机。

步骤(3)，定位算法把待测标签在4个AP上的场强建立成一个场强矢量，同时参考标签也建立成场强矢量。通过LANDMARC算法即通过比较待测标签场强矢量与参考标签场强矢量的欧氏距离，找出3个欧氏距离最小的三个参考标签，并得知3个参考标签的具体位置(参考标签放置时已经有记录)。

步骤(4)，对于3个参考点，不用再根据信号的强度来决定其半径，而是以3个参考点为圆心，以最近参考标签之间的距离的3/4长度为半径做3个圆，这样3个圆两两相交的可能性会增加。

由于3个圆很难在同一个点相交，所以对于3个圆之间的关系有3种：3个圆两两相交，并且3个圆有公共区域；3个网两两相交，但没有公共区域；3个圆不相交。

具体关系如下：

①当3个圆有公共区域时，则公共区域必然有3个交点，以3个交点作三角形，则待测标签的坐标即是三角形内心坐标。

②当两两相交无公共区域时，必然有两两公共区域。取两圆相交区域的两个交点的连线的中点，然后以这3个中点做三角形，其内心就是待测标签内心坐标。

③3个圆不相交时舍弃，接受下一组最近3个参考标签，若3次还没有找到相交情况，即用3个参考标签做的位置做三角形，其内心就是待测标签的位置。

以下结合具体实例，对本发明进行详细说明。

图1是基于WiFi的室内定位方法的系统图，通过AP与参考标签来确定位置，使得室内定位误差不超过1m。具体的定位步骤如下：

步骤1：当待测标签(手持PDA设备)进入到AP的范围内，开始接收到待测标签发出的信号场强，同时也接收各个参考标签在各个AP的信号场强；

步骤2：定位算法把待测标签在4个AP上的场强建立成一个场强矢量，同时参考标签也建立成场强矢量；

步骤3：通过LANDMARC算法即通过比较待测标签场强矢量与参考标签场强矢量的欧氏距离，找出3个欧氏距离最小的三个参考标签，并得知3个参考标签的具体位置(参考标签放置时已经有记录)

步骤4：对于3个参考点，以3个参考点为圆心，以最近参考标签之间的距离的3/4长度为半径做3个圆，再根据三个圆之间的关系决定待测标签的位置。

Claims (4)

1.一种基于Wi-Fi的室内定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1)在室内或者隧道中每隔3m固定一个电子标签作为参考标签，每隔10m放置AP；

步骤(2)当待测标签进入到AP的范围内，AP开始接收待测标签发出的信号场强，并传入上位机；同时也接收各个参考标签在各个AP的信号场强，并传入上位机；

步骤(3)通过上位机把待测标签在4个AP上的场强建立成一个场强矢量，同时参考标签也建立成场强矢量，通过LANDMARC算法比较待测标签场强矢量与参考标签场强矢量得到待测标签和参考标签之间的欧氏距离，找出3个欧氏距离最小的三个参考标签，并得知3个参考标签的具体位置；

步骤(4)以3个参考标签为圆心，以其中两个最近参考标签之间距离的3/4长度为半径做3个圆；

当3个圆有公共区域时，以3个交点作三角形，待测标签的坐标是三角形内心坐标；

当3个圆两两相交无公共区域时，取两圆相交区域的两个交点连线的中点，然后以这3个中点做三角形，其内心就是待测标签内心坐标；

当3个圆不相交时舍弃，接受下一组最近3个参考标签，若3次还没有找到3个圆相交情况，即用3个参考标签的位置做三角形，其内心就是待测标签的位置。

2.根据权利要求1所述的基于Wi-Fi的室内定位方法，其特征在于：待测标签和参考标签之间的欧氏距离通过下式得到：

假设有n个AP，m个参考标签，则AP点接收到的待测标签的信号强度量P＝(AP₁,AP₂,…,AP_n)，采集到的第t个参考标签的强度矢量为S_t＝(S_t1,S_t2,…,S_tn)，则待测标签和参考标签S_t之间的欧氏距离为：

$E_t=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{({\mathrm{AP}}_i-S_{ti})}^2},t=(1,2,3);$

其中APi是AP点接收到的待测标签的信号强度。

3.根据权利要求1所述的基于Wi-Fi的室内定位方法，其特征在于：待测标签为手持PDA设备。

4.根据权利要求1所述的基于Wi-Fi的室内定位方法，其特征在于：定位时通过GIS系统对室内或者隧道内部地理信息进行三维模拟展示，工作人员通过GIS系统动态查阅持待测标签的作业人员位置。