CN110596739A - 基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统及方法 - Google Patents

基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于物联网感知技术领域，具体涉及一种基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统及方法。该系统包括卫星定位模块、具有计算和存储功能的核心控制模块以及WiFi模块。主要步骤为利用卫星定位模块获得该系统的经纬度与高度等位置数据，利用WiFi模块获取建筑物中无线路由器的信号，通过信号强度计算探测到的无线路由器的经纬度和高度，然后用计算获取的无线路由器的位置分布数据建立建筑物特征并存储。当系统再次进行探测时就可以根据存储的建筑物特征数据进行比对判断识别建筑物。通过卫星定位和WiFi模块计算建筑物中无线路由器的位置分布数据作为建筑物特征，实现了可移动物联网设备对建筑物的识别。

Description

基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统及方法
技术领域
本发明属于物联网感知技术领域，具体涉及一种基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统及方法。
背景技术
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，有非常广阔的发展前景。越来越多的物联网设备出现在各种实际应用场景中，而大量的物联网设备需要更好的感知环境以提供更准确快捷的服务。对于可移动互联网设备，其周围的环境也是随移动不断变化的。建筑物作为环境中重要的一部分，当物联网设备不断移动时，如何让设备自主的识别不同建筑物就成为了物联网场景感知中的重要问题。
目前对建筑物的识别主要有两种方法：一种是图像识别的方法，通过图像处理判断识别建筑物，另一种是基于经纬度的方法，但这两种方法仍然存在一些问题：
图像识别的方法要求可移动设备需要配备摄像头以对建筑物图像进行拍摄，然后通过多种方法进行处理，获取建筑物的特征进行识别。但是一般情况下，同一区域中的建筑物类型大致相同，其建筑物墙面配色也属于同一类型，难以分辨同类型建筑物。同时在对同一建筑物的识别过程中，一年中不同季节、一天中不同时间甚至同一建筑物的不同角度获得的图像都是不同的，容易受光照、外围植物、雨雪等天气的影响，即使使用深度学习等方法进行图像的处理依旧会存在很大的难度，而且深度学习等方法庞大的计算量与较低的识别准确度不适合应用在可移动物联网设备中。
基于经纬度的方法需要人工预先将建筑物与经纬度的对应关系存入设备，设备只需要使用卫星定位模块获取当前经纬度就可以识别其所处位置周围的建筑物，此种方法相对简单，但是需要人工前期做大量的工作，而且如果想要让物联网设备了解更多该建筑物的信息都需要事先进行存储，难以获得更多的环境数据，较多的人工干预不利于物联网设备的发展和使用。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种通过在不同位置探测建筑物中无线路由器的经纬度和高度，以无线路由器的位置分布数据作为建筑物的特征进行存储，当再次接近该建筑物时就可与存储的建筑物特征信息进行比对识别该建筑物的基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统及方法。
本发明具体采用如下技术方案：
基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统，包括卫星定位模块、核心控制模块和WiFi模块，核心控制模块与卫星定位模块以及WiFi模块的连接实现数据的传输以及控制指令的发送和接收；
所述卫星定位模块用于获取卫星系统定位的经纬度和高度信息，并将该数据传输给核心控制模块；
所述核心控制模块用于接收卫星定位模块获取的经纬度和高度数据，同时向WiFi模块发送指令，对周围无线路由器进行探测，获取探测到的无线路由器的信息，然后根据获取到的无线路由器的数据和卫星定位数据对建筑物中无线路由器的位置进行计算与存储；
所述WiFi模块根据核心控制模块的命令探测周围的无线路由器，获取周围无线路由器的MAC地址、信号强度，将获取的数据传输给移动设备进行存储和计算。
优选地，所述核心控制模块包括微处理器、存储模块和电源模块；
所述微处理器对获取的数据进行过滤，计算，并将计算的结果存储到存储模块中；
所述电源模块为核心控制设备、卫星定位模块以及WiFi模块进行供电，电源模块配备的锂电池能使系统在停电情况下正常工作。
基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别方法，采用如上所述的基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统，包括以下步骤：
步骤1，利用卫星定位模块获取当前的经纬度和高度；
步骤2，利用WiFi模块探测周围无线路由器的信息；
步骤3，根据获取到的无线路由器的信息和经纬度及高度数据计算在当前位置与周围每个无线路由器的距离并存储所有数据；
步骤4，查询数据库，判断新获取的周围的路由器数据是否已经存储，如果没有存储进行步骤5，如果已存储进行步骤12；
步骤5，移动系统到新的位置，判断移动位置的次数是否大于设置的阈值，如果大于设置的阈值则进行步骤6，否则返回进行步骤1；
步骤6，根据系统在不同位置获取的数据以及与无线路由器的距离计算每个无线路由器的经纬度和高度并存储；
步骤7，判断系统是否进入建筑物内部，如果是，进行步骤8，否则进行步骤9；
步骤8，根据已经存储的周围无线路由器的位置计算新的无线路由器的位置并存储；
步骤9，判断新增的无线路由器的数据量是否达到了设置的阈值，如果是进行步骤10，否则返回进行步骤1；
步骤10，对存储的所有无线路由器的位置数据进行聚类分析；
步骤11，根据聚类分析的结果将每一类确定为一个独立建筑物进行编号并存储完成建筑物特征的建立，进行步骤15；
步骤12，将数据库数据与新获取数据进行比对；
步骤13，判断匹配率是否达到设置的阈值，如果是，进行步骤14，否则进行步骤5；
步骤14，根据数据库中数据获取建筑物编号完成建筑物的识别；
步骤15，删除计算过程中的中间数据，输出建筑物特征的建立与识别的结果。
优选地，所述步骤2中通过WiFi模块探测的周围无线路由器信息包括MAC地址及信号强度，WiFi模块根据移动设备的指令对每个无线路由器进行不止一次的信号探测，以获取多组无线路由器的信号强度，发送给移动设备，选择一个稳定值进行计算，通常选择中位数作为稳定值。
优选地，所述步骤2中，核心控制模块通过在不同位置对建筑物内无线路由器信号进行探测，获取信号强度，计算不同位置的设备与每个无线路由器的距离；核心控制设备能够根据不同位置的设备与每个无线路由器之间的距离计算无线路由器的经纬度和高度。
优选地，所述步骤11中，建筑物特征是使用建筑物中大部分无线路由器的位置分布特征建立的；建筑物特征中选取的无线路由器是设备在多个位置进行探测获取的多组数据中信号稳定且无线路由器相对距离小于15米的各无线路由器位置数据组成。
优选地，所述步骤6中，计算无线路由器经纬度和高度的依据是在三维空间中需要不在同一平面的四个点来计算一个未知点的坐标；不在同一平面的四个点的坐标为移动设备在建筑物外围进行移动，通过卫星定位模块获取的每个位置的经纬度和高度数据作为坐标进行计算。
本发明具有如下有益效果：
基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别与图像识别方法相比较，不受光照，天气，四季植物变化的影响，所需计算量小，可以使用功耗更低的芯片进行计算，所需的数据存储空间页更小，实施成本低，节省更多资源。
由于建筑物中无线路由器的分布不仅与该建筑物的位置有关，还与该建筑物的高度，占地规模和建筑物结构有关，根据获取到的建筑物特征信息还可以估算出该建筑物的高度，占地规模以及根据无线路由器的分布区域对建筑物进行区域的划分，来为物联网设备中与位置或区域有关的功能提供服务。使用基于卫星定位和WiFi模块的建筑物特征识别系统及方法可以让移动设备有效且快捷的识别建筑物，为物联网设备提供了新的可感知的场景信息。
附图说明
图1为基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统框图；
图2为基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别方法流程框图；
图3为基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统的位置计算原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
如图1所示，基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统，包括卫星定位模块、核心控制模块和WiFi模块，核心控制模块与卫星定位模块以及WiFi模块的连接实现数据的传输以及控制指令的发送和接收；
卫星定位模块用于获取卫星系统定位的经纬度和高度信息，并将该数据传输给核心控制模块；
核心控制模块用于接收卫星定位模块获取的经纬度和高度数据，同时向WiFi模块发送指令，对周围无线路由器进行探测，获取探测到的无线路由器的信息，然后根据获取到的无线路由器的数据和卫星定位数据对建筑物中无线路由器的位置进行计算与存储；核心控制模块中存储的无线路由器的位置分布数据为每个无线路由器的经纬度和高度以及MAC地址等其他相关数据，核心控制模块可以采用但不仅限于STM32系列芯片、8051系列芯片以及树莓派等。
WiFi模块根据核心控制模块的命令探测周围的无线路由器，获取周围无线路由器的MAC地址、信号强度，将获取的数据传输给移动设备进行存储和计算；可以采用但不仅限于esp8266系列芯片等。
卫星定位模块功能为获取经纬度和高度数据，所使用定位技术包括但不仅限于北斗卫星定位技术、GPS等。
核心控制模块包括微处理器、存储模块和电源模块；
微处理器对获取的数据进行过滤，计算，并将计算的结果存储到存储模块中；
电源模块为核心控制设备、卫星定位模块以及WiFi模块进行供电，电源模块配备的锂电池能使系统在停电情况下正常工作。
如图2所示，基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别方法，采用如上所述的基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统，包括以下步骤：
系统启动后，利用卫星定位模块获取移动设备当前的经纬度和高度，发送到核心控制设备；核心控制设备收到定位数据后，利用WiFi模块探测周围无线路由器的信号，获取周围可探测无线路由器的信号强度和MAC地址：
步骤1，利用卫星定位模块获取当前的经纬度和高度；
步骤2，利用WiFi模块探测周围无线路由器的信息；通过WiFi模块探测的周围无线路由器信息包括MAC地址及信号强度，WiFi模块根据移动设备的指令对每个无线路由器进行不止一次的信号探测，以获取多组无线路由器的信号强度，发送给移动设备，选择一个稳定值进行计算。核心控制模块通过在不同位置对建筑物内无线路由器信号进行探测，获取信号强度，计算不同位置的设备与每个无线路由器的距离；核心控制设备能够根据不同位置的设备与每个无线路由器之间的距离计算无线路由器的经纬度和高度。
步骤3，根据获取到的无线路由器的信息和经纬度及高度数据计算在当前位置与周围每个无线路由器的距离并存储所有数据；根据信号强度计算距离的公式如下：
d＝10^((abs(rssi)-A)/(10*n))
其中，d为计算出的距离，rssi为WiFi模块获取到的信号强度，A为接收机和发射机间隔1米时的信号强度，其中n为环境衰减因子，一般情况下取值范围在3.25到4.5。
步骤4，查询数据库，判断新获取的周围的路由器数据是否已经存储，如果没有存储进行步骤5，如果已存储进行步骤12；
步骤5，移动系统到新的位置，判断移动位置的次数是否大于设置的阈值，如果大于设置的阈值则进行步骤6，否则返回进行步骤1；
步骤6，根据系统在不同位置获取的数据以及与无线路由器的距离计算每个无线路由器的经纬度和高度并存储；如图3所示，计算无线路由器经纬度和高度的依据是在三维空间中需要不在同一平面的四个点来计算一个未知点的坐标；不在同一平面的四个点的坐标为移动设备在建筑物外围进行移动，通过卫星定位模块获取的每个位置的经纬度和高度数据作为坐标进行计算
步骤7，判断系统是否进入建筑物内部，如果是，进行步骤8，否则进行步骤9；
步骤8，根据已经存储的周围无线路由器的位置计算新的无线路由器的位置并存储；
步骤9，判断新增的无线路由器的数据量是否达到了设置的阈值，如果是进行步骤10，否则返回进行步骤1；
步骤10，对存储的所有无线路由器的位置数据进行聚类分析；
步骤11，根据聚类分析的结果将每一类确定为一个独立建筑物进行编号并存储完成建筑物特征的建立，进行步骤15；建筑物特征是使用建筑物中大部分无线路由器的位置分布特征建立的；建筑物特征中选取的无线路由器是设备在多个位置进行探测获取的多组数据中信号稳定且无线路由器相对距离小于15米的各无线路由器位置数据组成。
步骤12，将数据库数据与新获取数据进行比对；
步骤13，判断匹配率是否达到设置的阈值，如果是，进行步骤14，否则进行步骤5；
步骤14，根据数据库中数据获取建筑物编号完成建筑物的识别；
步骤15，删除计算过程中的中间数据，输出建筑物特征的建立与识别的结果。
建筑物中无线路由器的总体位置分布与建筑物的位置与空间特征具有一一对应关系，可经如下分析得到验证：
在人员众多的区域，如学校、商业区等，无线路由器的分布是非常广泛的，在同一建筑物中，路由器的分布也是相对密集的，其分布区域也是物联网设备需求最大的区域。
路由器一般放在建筑物的房间内，一般是不经常移动的，每个路由器的空间位置是确定的，而且路由器的总体位置分布与建筑物空间结构有关，比如根据总体中最高路由器的高度就可以判断出建筑物的最低高度。
路由器在一定范围内是可以被其他WiFi模块探测到的，可以获取其热点名称、MAC地址以及信号强度等信息。
可以在多个位置根据无线路由器的信号强度进行计算来确定无线路由器的经纬度和高度等数据。
无线路由器的信号一般比较稳定，一般情况下会受环境中墙壁或植物的影响，具有一定的波动性，但在一段时间内的变化是有限的，总体是比较稳定的。
建筑物之间一般有绿化带或道路隔开，不同建筑物中的无线路由器重合可能性很小，在建立建筑物特征时可以通过计算比较去掉影响特征识别的无线路由器的数据，最终建立的建筑物特征是独立的且易识别的。
无线路由器分布广泛，一般建筑物中的无线路由器是均匀分布的，可能会有一些无线路由器比较集中。
无线路由器发射的信号具有一定的穿墙能力，可以在建筑物外被探测到。
即使某些路由器从一个建筑物移动到了另一个建筑物，但是由该建筑物中其他大部分无线路由器构成的空间位置分布关系是并没有完全改变，依然可以被识别。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统，其特征在于，包括卫星定位模块、核心控制模块和WiFi模块，核心控制模块与卫星定位模块以及WiFi模块的连接实现数据的传输以及控制指令的发送和接收；
所述卫星定位模块用于获取卫星系统定位的经纬度和高度信息，并将该数据传输给核心控制模块；
所述核心控制模块用于接收卫星定位模块获取的经纬度和高度数据，同时向WiFi模块发送指令，对周围无线路由器进行探测，获取探测到的无线路由器的信息，然后根据获取到的无线路由器的数据和卫星定位数据对建筑物中无线路由器的位置进行计算与存储；
所述WiFi模块根据核心控制模块的命令探测周围的无线路由器，获取周围无线路由器的MAC地址、信号强度，将获取的数据传输给移动设备进行存储和计算。
2.如权利要求1所述的基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统，其特征在于，所述核心控制模块包括微处理器、存储模块和电源模块；
所述微处理器对获取的数据进行过滤，计算，并将计算的结果存储到存储模块中；
所述电源模块为核心控制设备、卫星定位模块以及WiFi模块进行供电，电源模块配备的锂电池能使系统在停电情况下正常工作。
3.基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别方法，采用如权利要求1或2所述的基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用卫星定位模块获取当前的经纬度和高度；
步骤2，利用WiFi模块探测周围无线路由器的信息；
步骤3，根据获取到的无线路由器的信息和经纬度及高度数据计算在当前位置与周围每个无线路由器的距离并存储所有数据；
步骤4，查询数据库，判断新获取的周围的路由器数据是否已经存储，如果没有存储进行步骤5，如果已存储进行步骤12；
步骤5，移动系统到新的位置，判断移动位置的次数是否大于设置的阈值，如果大于设置的阈值则进行步骤6，否则返回进行步骤1；
步骤6，根据系统在不同位置获取的数据以及与无线路由器的距离计算每个无线路由器的经纬度和高度并存储；
步骤7，判断系统是否进入建筑物内部，如果是，进行步骤8，否则进行步骤9；
步骤8，根据已经存储的周围无线路由器的位置计算新的无线路由器的位置并存储；
步骤9，判断新增的无线路由器的数据量是否达到了设置的阈值，如果是进行步骤10，否则返回进行步骤1；
步骤10，对存储的所有无线路由器的位置数据进行聚类分析；
步骤11，根据聚类分析的结果将每一类确定为一个独立建筑物进行编号并存储完成建筑物特征的建立，进行步骤15；
步骤12，将数据库数据与新获取数据进行比对；
步骤13，判断匹配率是否达到设置的阈值，如果是，进行步骤14，否则进行步骤5；
步骤14，根据数据库中数据获取建筑物编号完成建筑物的识别；
步骤15，删除计算过程中的中间数据，输出建筑物特征的建立与识别的结果。
4.如权利要求3所述的基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别方法，其特征在于，所述步骤2中通过WiFi模块探测的周围无线路由器信息包括MAC地址及信号强度，WiFi模块根据移动设备的指令对每个无线路由器进行不止一次的信号探测，以获取多组无线路由器的信号强度，发送给移动设备，选择一个稳定值进行计算。
5.如权利要求3所述的基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别方法，其特征在于，所述步骤2中，核心控制模块通过在不同位置对建筑物内无线路由器信号进行探测，获取信号强度，计算不同位置的设备与每个无线路由器的距离；核心控制设备能够根据不同位置的设备与每个无线路由器之间的距离计算无线路由器的经纬度和高度。
6.如权利要求3所述的基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别方法，其特征在于，所述步骤11中，建筑物特征是使用建筑物中大部分无线路由器的位置分布特征建立的；建筑物特征中选取的无线路由器是设备在多个位置进行探测获取的多组数据中信号稳定且无线路由器相对距离小于15米的各无线路由器位置数据组成。
7.如权利要求3所述的基于卫星定位和WiFi模块的建筑物识别方法，其特征在于，所述步骤6中，计算无线路由器经纬度和高度的依据是在三维空间中需要不在同一平面的四个点来计算一个未知点的坐标；不在同一平面的四个点的坐标为移动设备在建筑物外围进行移动，通过卫星定位模块获取的每个位置的经纬度和高度数据作为坐标进行计算。
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