CN106686547A - 一种基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法，属于通信技术领域。该方法包含如下步骤：S1确定采样的布局和系统坐标系；S2离线采集阶段，在各个采样点处采集接收信号强度指示RSSI值；S3存储采集点处的RSSI值、MAC地址和采集点处的坐标，构建Radio Map数据库；S4在待定位处采集RSSI值，采集的信号强度值与数据库中信号强度值进行匹配；S5：匹配成功的指纹作为待测点的位置坐标。该方法采用了区域划分策略和网络拓扑结构搭建网络，提高了指纹库信息的准确度及在线匹配精度，并且定位稳定，定位的同时增强了网络系统稳定性。

Description

一种基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法
技术领域
本发明属于涉及通信技术领域，更具体地说，涉及一种基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法。
背景技术
随着通信技术的发展，作为移动通信和个人通信服务的一部分，位置服务变得越来越重要。指纹定位技术是位置服务中的一种常用技术，可以在无线网络中基于移动终端接收到的基站信号强度等特征参数，确定移动终端的位置。由于基站信号的多径传播对环境具有依赖性，对于每个位置而言，该位置上信道的多径结构是唯一的，移动终端发射的无线电波经过反射和折射，产生与周围环境密切相关的特定模式的多径信号，这样的多径特征可以作为该位置的“指纹”。指纹定位技术可以基于上述多径特征，实现对移动终端的定位。
通常情况下，指纹定位技术包括离线采样和在线定位两个阶段。其中，在离线采样阶段，指纹定位系统获取可见基站在各个指纹采样点处的基站信号强度以及指纹采样点的位置坐标(包括经度、纬度和高度等)等数据，生成相应的指纹记录，并将该指纹记录存入指纹数据库中。此外，还可以在离线指纹采样阶段对指纹记录进行预处理，例如，剔除可见基站集合重合且位置坐标相近的指纹，以提高定位性能。
在线定位阶段中，移动终端将实测数据上报给指纹定位系统，该实测数据包括基站的标识和基站信号强度等信息，其中，基站的标识可以为蜂窝基站的Cell ID(小区标识)或者WLAN AP的SSID(Service Set Identifier，服务集标识)。指纹定位系统基于预设规则或数理统计理论对移动终端上报的实测数据与指纹数据库中的指纹记录之间的相似性进行度量和匹配，使用KNN(K-Nearest Neighbor algorithm，K最邻近结点算法)优选算法选择出与实测数据最接近的K个优选指纹，并以各个优选指纹与实测数据之间的相似度作为权重，将该K个优选指纹所在位置的加权均值处理结果作为移动终端的位置。在上述指纹定位过程中，可见基站可以为蜂窝小区基站，也可以为WLAN AP(Wireless Local AreaNetwork Access Point，无线局域网接入点)，且移动终端需要具备相应的通信能力。例如，当可见基站为WLAN AP的情况下，移动终端需要具备WLAN通信能力。上述指纹定位技术主要通过高密度、大量的指纹采集和匹配来保证定位的准确度，定位的精度一般可以达到100米以内，并适用于室内外各种场景。
中国专利文申请公布号：CN102480678A，申请公布日2012年5月30日，发明专利名称为：一种指纹定位方法和系统。该发明公开了一种指纹定位方法和系统，所述系统接收用户设备上报的用户实测数据和指纹数据库中存储的各个指纹采样点的信息，计算所述用户实测数据中的基站信号强度与各个指纹采样点的基站信号强度之间的最优相似度，根据各指纹采样点的可见基站分别于所述用户设备上报的用户实测数据中的可见基站的交集中的基站数量，确定其中基站数量多的指纹采用点；根据确定出的指纹采样点的信息以及所述最优相似度，从所述指纹数据库中选择优选指纹，根据选择出的优选指纹的信息得到对所述用户设备的定位结果。但该专利在系统接收用户设备上的用户实测数据和指纹数据库中存储的各个指纹采集点的信息时，没有明确如何采集用户上报的数据，以及对用户上报的数据是否合理以及数据指纹库的由来没有说明，因此在建立数据指纹库时，所采集的指纹是不精确的。
中国专利授权公布号：CN102932911A，授权公告日：2013年2月13日，专利名称为：位置指纹定位方法及定位系统。该发明公开了一种位置指纹定位方法，该方法将定位点所在第一区域分割为多个第二区域，在每个第二区域内选定多个采样点，采样点的信息录入到数据库中，建立区域属性和接入点介质访问控制地址列表的对应表，取接入点信号接收强度最高的前m个采样点的接入点截止访问控制地址，在所述对应表中进行检索，匹配出与所述m个采样点的接入点介质访问控制地址重合度最高的n个区域，从所述数据库中取出所述n个区域内的位置指纹点，和被定位点的采样信息进行数据相关运算，获取被定位点的位置坐标信息。但该专利在第二个区域里面选定多个采集点，这样会加大系统计算量，减低系统效率，同时采集点的增加使得指纹数据库非常庞大，增加了维护成本，降低了匹配方面的速度和准确度。
发明内容
针对现有技术中存在的室内无线定位精确度及匹配度低等问题，本发明提供了一种应用室内无线定位的方法，它可以实现在存在反射、折射、阴影衰落等环境的影响下，定位准确、匹配度高且定位稳定，定位的同时不影响整个网络的性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法，方法步骤如下：
S1:确定采样的布局和系统坐标系；
S2:离线采集阶段，在各个采样点处采集接收信号强度指示RSSI值；
S3:存储采集点处的RSSI值、MAC地址和采集点处的坐标，构建Radio Map数据库；
S4:在待定位处采集RSSI值，采集的信号强度值与数据库中信号强度值进行匹配；
S5:匹配成功的指纹作为待测点的位置坐标。
更进一步的，步骤S1中，确定采样的布局和系统坐标系的步骤为在一定的空间里面建立二维直角坐标系，将该坐标系分割成许多小区域，在每个小区域里面布置一个无线接入点AP节点。
更进一步的，步骤S2中离线采集阶段中采样点为无线接入点AP节点。
更进一步的，步骤S3中构建Radio Map数据库为把每个AP节点采集到的RSSI值与坐标建立一一映射的关系。
更进一步的，步骤S4中待定位处采集RSSI值为将无线接入点AP节点放在检测区域。
更进一步的，步骤S4中采集的信号强度值与数据库中信号强度值选择K近邻算法进行匹配。
更进一步的，步骤S5中匹配成功指指选择匹配度最高的指纹，将该指纹坐标作为定位的位置坐标。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明中将室内大的区域划分为更小的区域，使得在定位确定大致的范围更加缩小，提高定位的精确度；
(2)本发明中移动用户分别在各个AP点采集无线信号的强度，然后把MAC地址、RSS值、信号的强度等信息存入到数据库中，同时在采集的时候应响应进行处理，减少数据，有助于提高精度和稳定度；
(3)本发明中位置指纹定位技术利用多径传播来构建位置信息，多径呈现出非常强的位置特殊性。对于每一个位置来说，该信道的多径结构是唯一的，减少了信号传播过程中受地形和障碍物等环境因素的影响；
(4)本发明中利用信号强度值对划分各个小区域里面确定信号强度值并建立与坐标一一对应的映射关系，最后在匹配的时候使用了K近邻匹配的定位算法，可以大大减小信号匹配时带来匹配度低的问题，提高了信号匹配度，从而提高室内定位精确度；
(5)本发明中根据网络联通性建立网络拓扑结构，参考节点加入到网络状的拓扑里面，在构建的网络里面有协调器，会自动寻求节点，并通过发送和接收数据包判断是否能够加入，因此网络不会因为某个节点挂掉而影响整个网络使网络瘫痪。
(6)本发明是通过将室内区域划分并在每个区域布置AP节点以此建立传感网网络。根据网络联通性建立网络拓扑结构，在此拓扑中每个终端节点交换彼此信号的强度值，最后把每个节点的本身信息都发给协调器，这样通过协调器与上位机进行通信，在协调器里面建立指纹数据库，这样能够使得在定位的时候能准确定位每个节点的位置，通过网络的联通性使得节点间的信息交换更加准确。
附图说明
图1为本发明方法的原理图；
图2为本发明方法流程图；
图3为本发明方法场景应用示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
本发明的方法在室内进行，比如商场、医院、会议厅、超市等场所，这种场合使用室外GPS定位比较不精确，为了解决室内环境所带来精确度影响的问题，采用指纹定位的方法来进行室内的定位，在这个大的区域里面划分更加小的区域，这样使得在定位确定大致的范围更加缩小，同时利用信号强度值对划分各个小区域里面确定信号强度值并建立与坐标一一对应的映射关系，最后在匹配的时候用K近邻算法进行匹配使得匹配度更高，提高了定位精确度。
如图1所示，为本发明的方法原理图。
在整个设计方法中，主要分为两部分：一是节点离线信号强度值采集和节点的无线传感网络的构建，以及在坐标系与节点的一一对应关系确立和加入数据库建立数据库模型。二是设置一套对采集到的信息进行匹配策略和定位实时阶段。
如图2所示，为本发明方法流程图，包括以下步骤：
1.确定采样的布局和系统坐标系
在定位区域中，划分成更加小的模块，同时在这个大的区域里面建立坐标系，在每个模块里面布置AP节点，并为每个AP建立对应坐标。
2.离线采集阶段，在各个采样点处采集接收信号强度指示RSSI值；
3.存储采集点处的RSSI值、MAC地址和采集点处的坐标，构建Radio Map数据库建立的过程步骤如下：
步骤1)：利用AP装置来接收信号强度值并把它与自身的坐标作为一个指纹。
步骤2)：在步骤1的基础上，把每个AP采集到的指纹输入到一个数据库里面，这样就建立了一个指纹数据库。
4.在待定位处采集RSSI值，采集的信号强度值与数据库中信号强度值进行匹配
通过待测的节点处的信号强度与数据库里面的指纹进行配对，实现其定位以及位置坐标的确立。其过程如下：
步骤1)：在待测AP节点接收信号强度值。
步骤2)：用采集到的信号强度值与建立好的指纹数据库里的指纹进行匹配，并用K近邻算法进行匹配。
5.匹配成功的指纹作为待测点的位置坐标
匹配度最高的那个指纹作为待测节点的位置坐标。
如图3所示，通过将室内区域划分并在每个区域布置AP节点以此建立传感网网络。根据网络联通性建立网络拓扑结构，在此拓扑中每个锚节点交换彼此信号的强度值，最后把每个节点的本身信息都发给协调器，这样通过协调器与上位机进行通信，在协调器里面建立指纹数据库，这样能够使得在定位的时候精确定位到每个节点的位置，通过网络的联通性使得节点间的信息交换更加准确。
本发明中根据网络联通性建立网络拓扑结构，锚节点加入到网络状的拓扑里面，节点采用CC2530，用ZIGBEE进行无线通信。在构建的网络里面有协调器，会自动寻求节点，并通过发送和接收数据包判断是否能够加入，因此网络不会因为某个节点的故障而影响整个网络使网络瘫痪。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
S1：确定采样的布局和系统坐标系；
S2：离线采集阶段，在各个采样点处采集接收信号强度指示RSSI值；
S3：存储采集点处的RSSI值、MAC地址和采集点处的坐标，构建Radio Map数据库；
S4：在待定位处采集RSSI值，采集的信号强度值与数据库中信号强度值进行匹配；
S5：匹配成功的指纹作为待测点的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法，其特征在于，步骤S1中，确定采样的布局和系统坐标系的步骤为在一定的空间里建立二维直角坐标系，将该坐标系分割成许多小区域，在每个小区域里面布置一个无线接入点AP节点。
3.根据权利要求1所述的一种基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法，其特征在于，所述步骤S2中离线采集阶段中采样点为无线接入点AP节点。
4.根据权利要求1所述的一种基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法，其特征在于，所述步骤S3中构建Radio Map数据库为把每个AP节点采集到的RSSI值与坐标建立一一映射的关系。
5.根据权利要求1所述的一种基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法，其特征在于，所述步骤S4中待定位处采集RSSI值为将无线接入点AP节点放在检测区域。
6.根据权利要求1所述的一种基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法，其特征在于，所述步骤S4中采集的信号强度值与数据库中信号强度值选择K近邻算法进行匹配。
7.根据权利要求1所述的一种基于区域划分和网络拓扑的室内指纹定位改进方法，其特征在于，所述步骤S5中匹配成功指只选择匹配度最高的指纹，将该指纹坐标作为定位的位置坐标。
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