CN108449712B - 一种基于Wi-Fi信号指纹信息的建筑物楼层确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子、通信与自动控制技术领域，涉及一种基于Wi‑Fi信号指纹信息的建筑物楼层确定方法。本发明利用建筑物每一楼层接收机可接收到AP(无线接入点)标识与信号强度的差异，建立楼层信息数据库；当接收机进入建筑物内时，其根据接收到的Wi‑Fi信号信息与数据库中的数据进行匹配，经过粗分层及细分层处理来获取其当前所处楼层。本发明的效果和益处是除了Wi‑Fi接入点，不需要其他辅助设备，只利用建筑物内已布置的接入点即可以实现接收机高度定位，且计算复杂度低，楼层高度确定准确度较高。

Description

一种基于Wi-Fi信号指纹信息的建筑物楼层确定方法

技术领域

本发明属于电子、通信与自动控制技术领域，涉及到基于Wi-Fi信号的用户定位，特别涉及到利用Wi-Fi信号指纹信息来确定接收机所在建筑物楼层的算法。

背景技术

目前，室内建筑物楼层确定技术主要是采用地磁感应仪和惯性陀螺仪等设备来获得接收机的运动信息，以此来判断接收机上楼或者下楼的运动状态，从而判断接收机的楼层变化。但是这些技术需要额外的设备，定位成本较高，并且现今安装在移动接收机上的地磁感应仪和惯性陀螺仪等设备精度相对较低，对于楼层确定的准确度不高。另外利用气压计等设备，将接收机采集的气压与海平面的气压进行比较，可以获得接收机的海拔高度，从而确定其所位于的楼层。但是现今移动设备中气压计的普及率较低，并且精度不高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于Wi-Fi信号指纹信息的建筑物楼层确定方法，解决室内建筑物楼层确定问题。本发明基于Wi-Fi信号指纹信息确定建筑物楼层，不需要额外的辅助设备。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于Wi-Fi信号指纹信息的建筑物楼层确定方法，其中，Wi-Fi指纹信息是指Wi-Fi的信号强度等信息，本发明利用指纹法确定接收机所在楼层。在每一层楼，接收机可以接收到的AP(无线接入点)标识与信号强度将不相同，根据每一层楼的接入点AP信号信息建立楼层信息数据库。当接收机进入到某一楼层时，其根据接收到的信号信息与数据库中的数据进行匹配，经过在线粗分层和细分层处理，就可以获得当前时刻其所位于的楼层。需要事先建立信号强度(RSSI，Received Signal Strength Indication)数据库，在定位过程中再进行RSSI匹配，因此数据处理分为离线数据处理阶段和在线定位阶段两个阶段。

本发明的有益效果为：本发明确定接收机所在楼层的方法除了Wi-Fi接入点，不需要其他辅助设备，只利用建筑物内已布置的接入点AP即可以进行定位。相较于传统的指纹定位法来说，减少了计算复杂度，提高了楼层高度确定准确率。

具体实施方式

以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种基于Wi-Fi信号指纹信息的建筑物楼层确定方法，利用指纹法确定接收机所在楼层，需要事先建立信号强度(RSSI，Received Signal Strength Indication)数据库，在定位过程中再进行RSSI匹配，因此数据处理分为离线数据处理阶段和在线定位阶段两个阶段。

1.离线数据处理阶段

首先建立离线楼层数据库。在每一层内选取N个位置点作为指纹点，采集在这些点处可以接收到的接入点AP及信号强度。统计在这些指纹点收集到的RSSI信息后可获得每一楼层可以接收到的接入点AP以及对应的信号强度范围。设定建筑物内所有接入点AP的总信号强度范围为Γ＝[ξ_min,ξ_max]，其中ξ表示信号强度值。将此范围分为M段，则每一段内的信号强度范围为：

其中，m＝1,2,…,M。并且：

M的取值由实际环境决定。令：

G＝{Γ₁Γ₂...Γ_M} (4)

为确保信号的可靠度，将每一层接收到的接入点AP按照信号强度的最大值，由大到小进行排序，选取前K₁个接入点AP建立集合

其中，i为楼层标识，j为AP标识且j＝1,2,…,K₁。定义

为A_i,j的信号强度在Γ_m中出现的次数，则A_i,j的次数矩阵为：

将A_i,j的信号强度在Γ_m中出现的频率定义为：

其中，m＝1,2,…,M。这样，可形成频率矩阵：

K₁的值取决于建筑物内实际测量的Wi-Fi信号强度，统计每一楼层上信号强度最大值大于某一阈值的接入点AP个数，记为B_i，其中i为楼层标识。然后比较B_i，选取最小值作为K₁的值，即K₁＝min(B_i)，i＝1,2,…,H，H为建筑物的总楼层数。这样可建立如表1所示的离线数据库，其中F_i表示第i层楼，P_i,j表示第i层楼第j个接入点AP的频率矩阵。

表1.离线楼层数据库

2.在线定位阶段

当接收机位于某一楼层的某一位置点时，首先测量附近可访问接入点AP的信号强度，并将接收到的信号强度按从大到小排列，选取信号强度最强的K₂个接入点AP建立集合

其中，K₂的取值与K₁的取值有关，由于K₁取决于整个建筑物内接入点AP的信号强度范围，而K₂取决于接收机所在楼层的信号强度范围，因此K₂<K₁。

然后接收机进行接入点AP匹配分类，共分为两个阶段。第一阶段，选取数据库中第i层楼的数据，1≤i≤H，判断待定位点能访问的接入点AP是否存在于第i层的离线数据库中。定义

其中，i为楼层标识，且j＝1,2,…,K₂。将Ω₀中所有接入点AP的d_i,j值求出后，可求得该层楼的粗分层值D_i，其定义为：

第二阶段，将所有楼层的D值进行比较来确定接收机所位于的楼层。令

D_max＝max(D_i),i＝1,2,...,H (12)

定义：

其中，F表示建筑物内可以取得最大D值的楼层总数。令：

Q＝{q₁q₂...q_F} (15)

其中，Q为f_i等于1的所有楼层标识的集合，q_i为楼层标识。如果F＝1，则Q中唯一的元素所对应的楼层即为接收机所位于的楼层；如果F>1，即有多个楼层的D值大于1，则接收机将无法利用D值确定其位于哪个楼层，此时需要将Q中所有楼层的相关数据进行下一步处理来确定接收机位于哪个楼层，在这里称为细分层。

细分层主要分两步进行。第一步假定接收机位于楼层i，然后将接收机可接受到的接入点A_j的信号强度ξ_j与Γ_m进行比较。定义

其中i为楼层标识且i∈Q，j＝1,2,…,K₂。则对于第i层楼，匹配矩阵为

利用式(8)给出的接入点AP出现频率P_i,j(Ω₀)对T_i,j(Ω₀)进行加权，则可获得接收机在第i层楼时的细分层值E_i

利用式(18)可以求出Q中所有楼层的细分层值，然后对这些值进行比较，最大的E值所对应的楼层即为定位点所在楼层。

Claims (1)

1.一种基于Wi-Fi信号指纹信息的建筑物楼层确定方法，其特征在于，步骤如下：

(1)离线数据处理阶段

首先建立离线楼层数据库；在每一层内选取N个位置点作为指纹点，采集指纹点能够接收到的接入点AP及信号强度；统计在这些指纹点收集到的RSSI信息后获得每一楼层能够接收到的接入点AP以及对应的信号强度范围；设定建筑物内所有接入点AP的总信号强度范围为Γ＝[ξ_min,ξ_max]，其中ξ表示信号强度值；将此范围分为M段，则每一段内的信号强度范围为：

其中，m＝1,2,…,M；并且：

M的取值由实际环境决定；令：

G＝{Γ₁ Γ₂...Γ_M} (4)

为确保信号的可靠度，将每一层接收到的接入点AP按照信号强度的最大值，由大到小进行排序，选取前K₁个接入点AP建立集合：

其中，i为楼层标识，j为AP标识且j＝1,2,…,K₁；定义

为A_i,j的信号强度在Γ_m中出现的次数，则A_i,j的次数矩阵为：

将A_i,j的信号强度在Γ_m中出现的频率定义为：

其中，m＝1,2,…,M；

形成频率矩阵：

K₁的值取决于建筑物内实际测量的Wi-Fi信号强度，统计每一楼层上信号强度最大值大于阈值的接入点AP个数，记为B_i，其中i为楼层标识；然后比较B_i，选取最小值作为K₁的值，即K₁＝min(B_i)，i＝1,2,…,H，H为建筑物的总楼层数；这样建立如下离线数据库：

楼层标识：F₁...F_i...F_H...；

接入点：A_1，1...A_i，1...A_H，1...；

信号出现次数及频率矩阵：Ψ_1,1、P_1,1…Ψ_i,1、P_i,1…Ψ_H,1、P_H,1…；

其中，F_i表示第i层楼，P_i,j表示第i层楼第j个接入点AP的频率矩阵；

(2)在线定位阶段

当接收机位于某一楼层的某一位置点时，首先测量附近可访问接入点AP的信号强度，并将接收到的信号强度按从大到小排列，选取信号强度最强的K₂个接入点AP建立集合

其中，K₂的取值与K₁的取值有关，由于K₁取决于整个建筑物内接入点AP的信号强度范围，而K₂取决于接收机所在楼层的信号强度范围，因此K₂<K₁；

然后接收机进行接入点AP匹配分类，共分为两个阶段；

第一阶段，选取数据库中第i层楼的数据，1≤i≤H，判断待定位点能访问的接入点AP是否存在于第i层的离线数据库中；定义：

其中，i为楼层标识，且j＝1,2,…,K₂；将Ω₀中所有接入点AP的d_i,j值求出后，可求得该层楼的粗分层值D_i，其定义为：

第二阶段，将所有楼层的D值进行比较来确定接收机所位于的楼层；令：

D_max＝max(D_i),i＝1,2,...,H (12)

定义：

其中，F表示建筑物内可以取得最大D值的楼层总数；令：

Q＝{q₁ q₂...q_F} (15)

其中，Q为f_i等于1的所有楼层标识的集合，q_F为楼层标识；如果F＝1，则Q中唯一的元素所对应的楼层即为接收机所位于的楼层；如果F>1，即有多个楼层的D值大于1，则接收机将无法利用D值确定其位于哪个楼层，此时需要将Q中所有楼层的相关数据进行下一步处理来确定接收机位于哪个楼层，进行细分层；

细分层主要分两步进行；第一步假定接收机位于楼层i，然后将接收机可接收到的接入点A_j的信号强度ξ_j与Γ_m进行比较；定义：

其中，i为楼层标识且i∈Q，j＝1,2,…,K₂；则对于第i层楼，匹配矩阵为

利用式(8)给出的接入点AP出现频率P_i,j(Ω₀)对T_i,j(Ω₀)进行加权，则可获得接收机在第i层楼时的细分层值E_i：

利用式(18)求出Q中所有楼层的细分层值，对这些值进行比较，最大的E值所对应的楼层即为定位点所在楼层。