CN105467358A - 一种室内定位方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室内定位方法及装置。其中，该方法包括：布置坐标已知的多个信标节点；基于室内RSSI测距实验，建立RSSI值与距离的转换关系；将一个或多个信标节点的坐标数据发送至未知节点；根据未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值、接收到的所述坐标数据，以及所述转换关系，确定未知节点的坐标。本发明解决了相关技术中室内定位方法的准确度较低的问题，可以定位到具体的坐标，而且定位测距中RSSI和距离的对应关系，是在需要定位的室内场景实地采集实验数据得出，更符合室内场景的实际情况，比使用无线信号传播理论模型更精确。

Description

一种室内定位方法及装置
技术领域
本发明涉及无线通信定位技术领域，特别是涉及一种室内定位方法及装置。
背景技术
随着现代通信、网络、全球定位系统(GlobalPositionSystem，GPS)、普适计算、分布式信息处理等技术的迅速发展，位置感知计算和基于位置的服务(LocationBasedServices，LBS)在实际应用中显得越来越重要。精确定位技术在许多室内场景的实用性和必要性已日趋显著。
GPS是目前应用最广泛和成功的定位技术。其基本原理是以高速运动的卫星瞬间位置作为已知的原始数据，再依据微波信号到达接收机的时间，计算接收机到各卫星的距离，最后采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。由于微波极易被浓密树林、建筑物、金属遮盖物等吸收，GPS只适合在户外使用，在室内场合，由于信道环境复杂、微波信号衰减厉害、测量误差大，GPS并不适用。
现有技术的室内定位，一般采用的是区域定位法。基于射频识别(RadioFrequencyIdentification，RFID)技术，在室内布置一些坐标已知的读卡器作为信标节点，读卡器的无线信号可以覆盖一定的范围，未知节点为包含自身ID信息的无源电子标签，当未知节点移动到某读卡器信号覆盖范围内，则信标读卡器识别出此未知节点的ID信息，并以自己的坐标作为未知节点的坐标上报给上位机监控系统。此种定位精度较低，只能定位到一个区域，不能精确到具体的坐标，要获得高的定位精度就得设置数量多的信标节点，从而增加了系统成本，而且未知节点自身无源，不具有数据处理功能，所以节点自身无法知道在室内的大体位置。
针对相关技术中室内定位方法的准确度较低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中室内定位方法的准确度较低的问题，本发明提供了一种室内定位方法及装置，用以解决上述技术问题。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种室内定位方法，其中，该方法包括：布置坐标已知的多个信标节点；基于室内RSSI测距实验，建立RSSI值与距离的转换关系；将一个或多个信标节点的坐标数据发送至未知节点；根据未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值、接收到的所述坐标数据，以及所述转换关系，确定未知节点的坐标。
优选地，基于室内RSSI测距实验，建立RSSI值与距离的转换关系，包括：在每个信标节点的指定范围内，设置多个测量点；将各个测量点接收到的信标节点所发射数据的RSSI值的平均值，确定为该信标节点的RSSI值；基于每个测量点接收到的RSSI值，以及每个测量点到对应信标节点的距离，建立RSSI值与距离的转换关系。
优选地，所述RSSI值与距离的转换关系，通过以下公式体现：[p(d)]dBm＝A-10nlog(d)；其中，p(d)表示信号强度，d表示距离，参数A和n的数值待定。
优选地，根据未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值、接收到的所述坐标数据，以及所述转换关系，确定未知节点的坐标，通过以下步骤实现：根据所述转换关系，将未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值，转换为该未知节点与各个信标节点的距离；基于极大似然定位算法，根据未知节点与各个信标节点的距离，以及各个信标节点的坐标数据，计算出该未知节点的坐标。
优选地，确定未知节点的坐标之后，所述方法还包括：将未知节点的坐标以电子地图形式显示。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种室内定位装置，其中，该装置包括：关系建立模块，用于布置坐标已知的多个信标节点；基于室内RSSI测距实验，建立RSSI值与距离的转换关系；数据发送模块，用于将一个或多个信标节点的坐标数据，发送至未知节点；位置确定模块，用于根据未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值、接收到的所述坐标数据，以及所述转换关系，确定未知节点的坐标。
优选地，所述关系建立模块包括：信号强度确定单元，用于在每个信标节点的指定范围内，设置多个测量点；将各个测量点接收到的信标节点所发射数据的RSSI值的平均值，确定为该信标节点的RSSI值；关系建立单元，用于基于每个测量点接收到的RSSI值，以及每个测量点到对应信标节点的距离，建立RSSI值与距离的转换关系。
优选地，所述位置确定模块包括：转换单元，用于根据所述转换关系，将未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值，转换为该未知节点与各个信标节点的距离；坐标计算单元，用于基于极大似然定位算法，根据未知节点与各个信标节点的距离，以及各个信标节点的坐标数据，计算出该未知节点的坐标。
优选地，所述装置还包括：显示模块，用于将未知节点的坐标以电子地图形式显示。
本发明有益效果如下：
本发明提出的室内方法定位精度高，可以定位到具体的坐标，而且定位测距中RSSI值和距离的对应关系，是在需要定位的室内场景实地采集实验数据得出，更符合室内场景的实际情况，比使用无线信号传播理论模型更精确。同时，定位过程是在未知节点中完成的，未知节点具有强大的数据处理能力，并能实时显示室内地理信息图，将定位坐标对应在地图上，有直观的图形用户界面。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1是根据本发明实施例的室内定位方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的信标节点组成示意图；
图3是根据本发明实施例的未知节点组成示意图；
图4是根据本发明实施例的室内定位方法的详细流程图；
图5是根据本发明实施例的室内定位装置的结构框图。
具体实施方式
为了解决现有技术中室内定位方法的准确度较低的问题，本发明提供了一种室内定位方法及装置，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
本实施例提供了一种室内定位方法，图1是根据本发明实施例的室内定位方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤(步骤S102-步骤S106)：
步骤S102，布置坐标已知的多个信标节点；基于室内RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator，接收到的信号强度)测距实验，建立RSSI值与距离的转换关系。
步骤S104，将一个或多个信标节点的坐标数据发送至未知节点。
步骤S106，根据未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值、接收到的坐标数据，以及上述转换关系，确定未知节点的坐标。
本实施例提出的室内方法定位精度高，可以定位到具体的坐标，而且定位测距中RSSI值和距离的对应关系，是在需要定位的室内场景实地采集实验数据得出，更符合室内场景的实际情况，比使用无线信号传播理论模型更精确。同时，定位过程是在未知节点中完成的，未知节点具有强大的数据处理能力，并能实时显示室内地理信息图，将定位坐标对应在地图上，有直观的图形用户界面。
在本实施例中，布置坐标已知的多个信标节点之前，可以先在待定位室内环境中建立二维地理信息坐标系。根据待定位室内环境的具体范围和预期的定位精度，设置坐标系原点的位置和x、y方向的坐标精度。
在步骤S102中，基于室内RSSI测距实验，建立RSSI值与距离的转换关系，可以通过以下优选实施方式实现：在每个信标节点的指定范围内，设置多个测量点；将各个测量点接收到的信标节点所发射数据的RSSI值的平均值，确定为该信标节点的RSSI值；基于每个测量点接收到的RSSI值，以及每个测量点到对应信标节点的距离，建立RSSI值与距离的转换关系。其中，多个测量点的位置，可以根据实际操作情况进行确定。每个测量点到对应信标节点的距离，可以根据信标节点与测量点的坐标计算得出。通过上述优选实施方式，可以提高RSSI值的准确度，为后续对未知节点进行定位提供基础。
在步骤S106中，根据未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值、接收到的坐标数据，以及转换关系，确定未知节点的坐标，可以通过以下优选实施方式实现：根据所述转换关系，将未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值，转换为该未知节点与各个信标节点的距离；基于极大似然定位算法，根据未知节点与各个信标节点的距离，以及各个信标节点的坐标数据，计算出该未知节点的坐标。通过该优选实施方式，提高了未知节点的定位准确性。在此之后，可以将未知节点的坐标以电子地图形式显示。优选地，也可以通过文字信息等形式显示。具体采用何种显示方式，根据实际操作情况确定。
下面分别对本实施例中的信标节点和未知节点进行解释。图2是根据本发明实施例的信标节点组成示意图，如图2所示，信标节点的主要功能是发送无线数据，对数据存储量和处理要求不高，处理器使用8位51单片机，数据存储使用处理器片上存储资源可以满足需求。外围电路有时钟、电源、开关等。对于室内环境，由于定位区域空间有限，使用WIFI模块来无线收发数据可以覆盖定位区域。
图3是根据本发明实施例的未知节点组成示意图，如图3所示，未知节点主要功能是作为接收机接收信标节点发送的数据，并处理数据实现对自身的定位。具体包括存储信标节点发来的数据、用定位算法对数据进行处理计算出自身的坐标、将定位结果以地图形式显示，并能实现地图放大查找等操作。因此功能复杂，处理器选用32位ARM处理器，外围电路有存储器、触摸屏、LCD显示、时钟、电源、开关、WIFI模块。
下面通过优选实施例和附图，对本发明的室内定位方法进行详细描述。
图4是根据本发明实施例的室内定位方法的详细流程图，如图4所示，该流程包括以下步骤(步骤S402-步骤S412)：
步骤S402，建立待定位室内环境的二维地理信息坐标系。根据待定位室内环境的具体范围和预期的定位精度，设置坐标原点的位置和x、y方向的坐标精度。本发明实施例中设置定位精度为0.1m。
步骤S404，在待定位室内环境中，进行基于室内RSSI测距实验，由采集到的实验数据进行拟合，得到RSSI值和距离d的关系公式。
具体方法可以为：
在室内选择一个固定位置，放置信标节点模块作为发射机，设置好发射机的输出功率。发射机固定好后，设置未知节点模块作为接收机，假设以20cm为间隔，在距离发射机20m的范围内设置100个测量点，即距离发射机0.2m、0.4m、…20m等位置。对接收机进行编程，设置一个RSSI值缓存区来存储接收到的数据包的RSSI值，在每个测试点接收100个数据包后，对100个RSSI值求平均值，然后以平均后的RSSI值作为信标节点在该位置收到的信号强度。
最后，记录RSSI值和距离d的对应关系，得到100组测量数据(RSSIi,di)，i＝1，2，3，…100，其中RSSIi表示距离为di时的RSSI测量值。根据无线信号传输理论，距离发射机为d时接收端接收到的信号强度p(d)即RSSI的理论公式为：
[p(d)]dBm＝A-10nlog(d)
其中参数A和n需要确定，用测量到的100组数据进行拟合得出公式中的参数A和n。这样就得到了RSSI值和距离d的转换公式。未知节点便可以由接收到的RSSI值计算出与信标节点的距离。
步骤S406，在待定位室内环境中，布置坐标已知的信标节点(在实际操作过程中，该操作也可以在步骤S402中同时进行)，并设置信标节点的工作模式为发送自身ID和坐标信息。在室内选择已知坐标的位置，放置一定数量的信标节点，信标节点的布设应该覆盖整个室内待定位区域，且应合理选择布设密度，信标布置越多，定位精度越高，硬件成本也越大，应综合考虑定位精度和成本，本发明实施例以信标之间的距离5m为例进行介绍。
信标节点的工作具体步骤包括：
(1)模块初始化，设置自己的ID和坐标。
(2)设置通信模式为发射机。
(3)设置WIFI模块输出功率。
(4)发送数据。
步骤S408，未知节点接收并存储各信标节点发来的数据，并检测各信标节点的信号强度，并转换为RSSI值，再将RSSI值转换为距离d。
具体步骤包括：
(1)模块初始化。
(2)设置通信模式为接收机。
(3)接收各信标节点发来的数据包并存储在缓存区。
(4)处理缓存区中收到的数据包，从中提取出信标节点的ID、坐标等信息。WIFI无线数据包中有相应的字段表示接收到该数据包时的信号强度，将该字段数据从收到的数据包中提取出来就是RSSI值。
如果检测到的RSSI值已达到来自10个信标节点，则停止接收数据包。使用测距实验拟合出的关系式把RSSI值转化成距离d，这样就得到了未知节点与10个不同信标节点之间的距离。如果不够，则未知节点继续接收数据包采集RSSI值。
步骤S410，未知节点使用极大似然定位算法，由收集到的预设个数的信标节点的坐标和到这些信标节点的距离，计算出自身坐标。本步骤使用现有的定位算法，未知节点坐标的计算直接由算法的公式得出。
步骤S412，未知节点在地图上显示自己的实时位置。未知节点带有LCD显示系统，在未知节点上由软件实现室内环境地理信息电子地图，该地图的坐标系和步骤S402中建立的二维地理信息坐标系保持一致，未知节点计算出自身坐标后，由软件控制将定位结果实时在电子地图上显示与更新。
在本实施例中，信标节点的功能是：作为发射机发送自己的坐标和ID数据。未知节点的功能是：作为接收机接收信标节点发送的数据，并处理数据实现对自己的定位。基于本实施例介绍的室内定位方法，解决了相关技术中室内定位方法的准确度较低的问题。
对应于上述实施例介绍的室内定位方法，本实施例提供了一种室内定位装置，该装置用以实现上述实施例。图5是根据本发明实施例的室内定位装置的结构框图，如图5所示，该装置包括：关系建立模块10、数据发送模块20和位置确定模块30。下面对该结构进行详细介绍。
关系建立模块10，用于布置坐标已知的多个信标节点；基于室内接收信号强度RSSI测距实验，建立RSSI值与距离的转换关系；
数据发送模块20，连接至关系建立模块10，用于将一个或多个信标节点的坐标数据，发送至未知节点；
位置确定模块30，连接至数据发送模块20，用于根据未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值、接收到的所述坐标数据，以及所述转换关系，确定未知节点的坐标。
依据本实施例提供的室内定位装置，进行室内定位，定位精度高，可以定位到具体的坐标，而且定位测距中RSSI值和距离的对应关系，是在需要定位的室内场景实地采集实验数据得出，更符合室内场景的实际情况，比使用无线信号传播理论模型更精确。同时，定位过程是在未知节点中完成的，未知节点具有强大的数据处理能力，并能实时显示室内地理信息图，将定位坐标对应在地图上，有直观的图形用户界面。
为了提高定位准确度，本实施例提供了优选实施方式，详细介绍RSSI值与距离的转换关系的具体确定过程，即：上述关系建立模块10可以包括：
信号强度确定单元，用于在每个信标节点的指定范围内，设置多个测量点；将各个测量点接收到的信标节点所发射数据的RSSI值的平均值，确定为该信标节点的RSSI值；
关系建立单元，用于基于每个测量点接收到的RSSI值，以及每个测量点到对应信标节点的距离，建立RSSI值与距离的转换关系。
为了提高定位准确度，本实施例提供了优选实施方式，详细介绍未知节点的坐标计算过程，即：上述位置确定模块30可以包括：
转换单元，用于根据所述转换关系，将未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值，转换为该未知节点与各个信标节点的距离；坐标计算单元，用于基于极大似然定位算法，根据未知节点与各个信标节点的距离，以及各个信标节点的坐标数据，计算出该未知节点的坐标。
为了提高用户体验，本实施例还提供一种优选实施方式，即上述装置还包括：显示模块，用于将未知节点的坐标以电子地图形式显示。
采用本发明所述技术方案，实现了一种定位准确度较高的室内定位方法，具体过程如下：
(1)建立待定位室内环境的二维地理信息坐标系。
(2)在待定位室内环境做基于RSSI值的测距实验，由采集到的实验数据进行拟合得到RSSI值和距离d的关系公式。
(3)在室内布置坐标已知的信标节点，并设置信标节点工作模式为发送自身的ID和坐标信息。
(4)待定位未知节点接收并存储各信标节点发来的数据，并检测各信标节点的RSSI值，将RSSI值转换为距离d。
(5)未知节点使用极大似然定位算法，由收集到的预设个数的信标坐标和到这些信标节点的距离计算出自身坐标。
(6)未知节点在地图上显示自身实时位置。
基于上述过程，能够达到更好的室内定位效果，比使用无线信号传播理论模型更精确。同时，将定位坐标对应在地图上，有直观的图形用户界面，提高了用户体验。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (9)

1.一种室内定位方法，其特征在于，所述方法包括：
布置坐标已知的多个信标节点；基于室内接收信号强度RSSI测距实验，建立RSSI值与距离的转换关系；
将一个或多个信标节点的坐标数据发送至未知节点；
根据未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值、接收到的所述坐标数据，以及所述转换关系，确定未知节点的坐标。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于室内RSSI测距实验，建立RSSI值与距离的转换关系，包括：
在每个信标节点的指定范围内，设置多个测量点；
将各个测量点接收到的信标节点所发射数据的RSSI值的平均值，确定为该信标节点的RSSI值；
基于每个测量点接收到的RSSI值，以及每个测量点到对应信标节点的距离，建立RSSI值与距离的转换关系。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述RSSI值与距离的转换关系，通过以下公式体现：
[p(d)]dBm＝A-10nlog(d)；其中，p(d)表示信号强度，d表示距离，参数A和n的数值待定。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值、接收到的所述坐标数据，以及所述转换关系，确定未知节点的坐标，通过以下步骤实现：
根据所述转换关系，将未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值，转换为该未知节点与各个信标节点的距离；
基于极大似然定位算法，根据未知节点与各个信标节点的距离，以及各个信标节点的坐标数据，计算出该未知节点的坐标。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定未知节点的坐标之后，所述方法还包括：
将未知节点的坐标以电子地图形式显示。
6.一种室内定位装置，其特征在于，所述装置包括：
关系建立模块，用于布置坐标已知的多个信标节点；基于室内接收信号强度RSSI测距实验，建立RSSI值与距离的转换关系；
数据发送模块，用于将一个或多个信标节点的坐标数据，发送至未知节点；
位置确定模块，用于根据未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值、接收到的所述坐标数据，以及所述转换关系，确定未知节点的坐标。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述关系建立模块包括：
信号强度确定单元，用于在每个信标节点的指定范围内，设置多个测量点；将各个测量点接收到的信标节点所发射数据的RSSI值的平均值，确定为该信标节点的RSSI值；
关系建立单元，用于基于每个测量点接收到的RSSI值，以及每个测量点到对应信标节点的距离，建立RSSI值与距离的转换关系。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述位置确定模块包括：
转换单元，用于根据所述转换关系，将未知节点检测到的各个信标节点的RSSI值，转换为该未知节点与各个信标节点的距离；
坐标计算单元，用于基于极大似然定位算法，根据未知节点与各个信标节点的距离，以及各个信标节点的坐标数据，计算出该未知节点的坐标。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
显示模块，用于将未知节点的坐标以电子地图形式显示。
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