CN112839312B - 物联网中的室内定位方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了物联网中的室内定位装置和方法，在物联网通信芯片中集成一个WLAN AP标识接收模块来实现室内定位，共享了物联网通信芯片中的硬件，物联网通信功能提供了和服务器的通信交互，可以在服务器根据AP标识来查询终端位置，并能够显著降低成本。本发明在没有校验码的情况下通过对WLAN帧类型(frame type)进行模糊识别，当识别到有很大可能是beacon frame时，则存储此帧（frame）的后续信号，然后采用非实时离线模式进行AP标识的解调解码，无需等到解调完所有比特，大大减少了数据接收量和处理量，缩短了接收时间以及运算时间。

Description

物联网中的室内定位方法和装置

技术领域

本发明属于物联网定位技术领域，涉及物联网中的室内定位方法和装置。

背景技术

大量的物联网终端有定位的要求，如资产跟踪，共享单车，电动车，可穿戴设备，等等。即将大量商用的mMTC（大规模物联网）包括NB-IoT, eMTC等低功耗广域网技术。在这些新型网络中的终端如何实现定位功能是这个领域的新课题。

蜂窝物联网（比如NB-IoT）将用有限的网络容量支持海量的终端。和以前的终端（例如智能手机）相比，mMTC（例如NB-IoT）的终端具有以下特点：

1.终端的软硬件简单，存储容量小，成本低

2.终端要求很低功耗

3.终端的流量和连接次数有限

4.一个特定终端只支持非常有限的应用程序和功能

室外定位基本都采用卫星信号，也就是终端接受GNSS（包括GPS，北斗等）提供的卫星导航信号进行定位。由于卫星信号强度非常微弱，一般只有在室外才能接收到，所以在室内基本无法利用卫星信号进行定位。然而，大量的应用需要在室内定位，例如资产跟踪、库存管理、包裹递送、可穿戴设备，等等。室内定位的应用场景巨大。在智能手机和专用的定位跟踪器中，一般利用WLAN信号进行室内定位，就是根据检测到的WLAN AP（Access point）的标识（例如MAC地址），然后在服务器上查表，就可以确定终端的大概位置。还可以同时利用检测到的附近几个WLAN信号的强度来提高定位精度。这个方案在智能手机商用中可行，是由于智能手机中已经有WLAN芯片来提供无线上网功能。 这个方案在一些专用定位跟踪器中也可行，是由于专用的定位跟踪器售价较高，体积较大，电池可充电，所以从成本、功耗和设备大小上可以接受用现有普通WLAN芯片来专门提供定位功能的方案。

然而，如果物联网终端不需要用WLAN的无线上网的功能，那么它用一颗现有普通WLAN芯片来进行定位则很难商用化。这是由于物联网终端对成本、功耗、面积有很大的限制。现有技术中尚无令人满意的低成本低功耗小尺寸物联网定位方案。

SSID (Service Set Identifier)一般是一个WLAN网络的名字。BSSID (BaseService Set Identifier) 一般用来标识不同的WLAN AP。在通常情况下， BSSID就是WLANAP的MAC （Media Access Control）地址。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种物联网中的室内定位方法和装置，其中装置为能够解调WLAN AP的标识信息（例如AP SSID以及BSSID或者MAC地址）的接收模块，其集成在物联网芯片中，不需要用现有普通WLAN芯片，从而极大降低了物联网中利用WLAN定位的成本和功耗。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

物联网中的室内定位装置，包括WLAN AP标识接收模块，WLAN AP标识接收模块用于接收无线信号，并采用模糊识别方式解调AP广播中含有AP标识的帧，当解调出含有AP标识的帧后，对此帧进行多径信号识别分离，提取各路多径信号；所述模糊识别方式包括：当信号强度大于一个阈值，且帧结构开始部分字节符合含有AP标识的帧类型，且它们的幅值都大于一个阈值，则认为该帧为含有AP标识的帧。

进一步的，WLAN AP标识接收模块在检测到一个AP中含有AP标识的帧后，继续在此射频频段或者其它射频频段搜寻下一个AP的含有AP标识的帧。

进一步的，还包括处理器和存储器，存储器用于存储所述多径信号，处理器采用非实时离线处理的方式解调解码在存储中的数字信号信息来获取AP标识。

进一步的，处理器在关掉信号收发通道的状态下进行解调解码。

进一步的，WLAN AP标识接收模块由应用或者定时器控制打开和关闭。

进一步的，WLAN AP标识接收模块设置在物联网通信芯片中。

本发明还提供了一种物联网中的室内定位方法，包括如下步骤：

步骤1，接收WLAN频段的信号；

步骤2，采用模糊识别方式解调信号中含有AP标识的帧，模糊识别过程为：当信号强度大于一个阈值，而且解调输出的帧结构开始部分字节符合含有AP标识的帧的帧类型，而且它们的幅值都大于一个阈值后，则判断此帧为含有AP标识的帧；当判断出该帧不是含有AP标识的帧时，继续判断下一帧；

步骤3，当解调出含有AP标识的帧后，对此帧进行多径信号识别分离，将多径信号提取出来后，把各路多径信号存入存储中；

步骤4，关掉信号收发通道，处理器解调解码在存储中的数字信号信息来获取AP标识。

进一步的，在检测到一个AP的含有AP标识的帧后，继续在此射频频段或者其它射频频段搜寻下一个AP的含有AP标识的帧。

本发明还提供了一种物联网中的室内定位方法，包括如下步骤：

步骤一，终端内的通信模块获取定位请求；

步骤二，通信模块将定位请求传给应用处理器；

步骤三，应用处理器将AP 标识的扫描请求发给物联网中的室内定位装置；

步骤四，物联网中的室内定位装置采用上述物联网中的室内定位方法进行扫描接收，获取扫描标识发送给定位请求发送方；

步骤五，定位请求方将AP标识信息通过通信模块传给定位服务器；

步骤六，定位服务器实现定位，将定位结果传给定位请求发送方。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明在没有校验码的情况下通过对WLAN帧类型(frame type)进行模糊识别，当识别到有很大可能是beacon frame时，则存储此帧（frame）的后续信号，然后采用非实时离线模式进行AP标识的解调解码，无需等到解调完所有比特，大大减少了数据接收量和处理量，缩短了接收时间以及运算时间。

（2）本发明会连续扫描尽可能多的WLAN AP，而不进入接入某个AP或者接收其它WLAN帧的流程，结合非实时离线模式，进一步节约通信时间。

（3）本发明在物联网通信芯片中集成一个WLAN AP标识接收模块来实现室内定位，而不是用完整的WLAN接收机来实现，共享了物联网通信芯片中的很多硬件，物联网通信功能（例如NB-IoT）提供了和服务器的通信交互，可以在服务器根据AP标识来查询终端位置，并能够显著降低成本。

（4）本发明的WLAN AP标识接收模块的解调解码采用DSP中的软件来实现，提供了很多灵活性。

附图说明

图1为本发明提供的物联网中的室内定位装置结构及流程图。

图2为802.11b的beacon frame的结构。

图3为WLAN AP标识接收模块和NB-IoT接收模块共享芯片内通路和资源的一种实现方案。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明提供的物联网中的室内定位装置，其至少包括设置在物联网通信芯片中的WLAN AP标识接收模块。如图1所示，WLAN AP标识接收模块集成在物联网芯片中，该芯片还包括应用处理器和NB-IoT通信模块。此外，还应具备存储元件等常规部件，但在图1中未示出。

WLAN AP标识接收模块仅具有接收无线信号的功能，不需要发射无线信号的功能。该模块优选接收一个WLAN频段的信号，例如只接受2.4GHz的WLAN信号，能够有效降低成本。本例中，该接收模块接收802.11b的信号。这是由于WLAN协议 （802.11 family）向下兼容的要求，AP都支持802.11b的信号。但该具体信号协议仅作为示例，此接收模块应不限于仅支持802.11b的信号，也可以支持其他无线信号，例如支持其他802.11协议组中的协议，例如802.11g。

WLAN AP标识接收模块接收无线信号后，解调AP广播中含有AP标识（AP SSID和BSSID或者MAC地址信息）的frame(帧) 。例如，beacon frame(beacon帧) 中就含有这些AP标识信息。每个AP周期性广播beacon frame (一般是每大约100毫秒广播一次)。 Beaconframe中包括室内定位所需的AP的标识信息，例如SSID和MAC地址（BSSID）。

WLAN AP标识接收模块在解调时进行数据的同步搜索和帧类型识别。本发明中帧类型识别采用模糊识别方式，当信号强度大于一个阈值，而且解调器输出的帧类型及子类型的所有比特都符合beacon frame的帧类型及子类型，而且它们的幅值都大于一个阈值后，表明此帧有很大可能性是beacon frame，则认为识别成功，进行后续处理。如果识别不成功，则说明是beacon frame的可能性不大，就不需要存储此帧的后续信号。

以beacon frame为例，说明模糊识别的具体过程如下：

标识帧(beacon frame)结构如图2所示，解调帧结构中最开始的（MAC header）第1个字节（8个比特），得到第3个比特到第8个比特的硬判决以及软判决（soft decision）。硬判决是对于每个比特，判断是0或者1。软判决是一个符号（正号或者负号）乘以一个幅值。幅值越大，表示这个判决的可靠性越大。 软判决可以通过常规的DBPSK的解调算法得到。

如果下面两个条件同时成立，则判断此帧是标识帧（beacon frame）：

（1） 第3个比特到第8个比特的硬判决是001000

（2） 第3个比特到第8个比特的软判决的绝对值（6个数）中的任何一个数都大于一个阈值

由于能够用于帧类型判断的校验码在帧尾，常规方法需要把整个帧（最长有2000多字节）全部解调才能够识别帧类型。而本发明提供的模糊识别仅需要解调第一个字节就能很可靠的判断此帧是否是beacon frame，而无需等到解调完所有比特（整个帧的长度可达2000字节即16000比特以上），大大减少了数据接收量和处理量，将接收时间以及运算时间缩短了几百倍到1000倍以上。

WLAN AP标识接收模块随后对此帧进行多径信号识别分离，将多径信号提取出来后，把各路多径信号存入存储中。然后关掉射频、ADC、数字电路、WLAN AP标识接收模块。处理器开始用非实时离线处理的方式解调解码在存储中的数字信号信息来获取AP标识。

WLAN AP标识接收模块的工作模式是由应用或者定时器控制打开，打开后它会连续扫描尽可能多的WLAN AP，也就是说在检测到一个AP的beacon frame后，不会去尝试接入到此AP或者任何AP，也不会接收该AP下其它WLAN帧的流程，而会继续在此射频频段或者其它射频频段搜寻下一个AP的beacon frame。这和普通WLAN接收机接入AP的流程不同。本模块能够接收附近多个AP（可设定上限值，例如6个）广播的AP标识信息以及信号强度信息。应用或者time-out定时器控制将WLAN AP标识接收模块关闭。这样做的好处是当应用需要位置时候才打开这个模块进行定位，而不是像普通WLAN接收机总是打开的，能够节约能源。这一系列的操作流程是为定位为目标而设计的。

WLAN AP标识接收模块获取AP标识后，通过物联网通信功能（例如NB-IoT）将一个或者多个AP的标识信息和信号强度信息发给服务器，实现定位计算。

WLAN AP标识接收模块可单独配置处理器和存储器，亦可共享物联网芯片中的资源，如图3所示，WLAN AP标识接收模块共享物联网芯片中的接收通路和资源，包括射频通路，数字基带通路，处理器，存储等等。这会大大降低成本。

本发明提供的物联网中的室内定位方法，基于图2所示的物联网中的室内定位装置架构实现，其中，物联网芯片包括WLAN AP标识接收模块、应用处理器和NB-IoT通信模块。本发明方法包括如下步骤：

步骤1，接收WLAN频段的信号；

步骤2，采用模糊识别方式解调信号中含有AP标识的帧，模糊识别过程为：当信号强度大于一个阈值，而且解调输出的帧结构开始部分字节符合含有AP标识的帧的帧类型及子类型，而且它们的幅值都大于一个阈值后，则判断此帧为含有AP标识的帧；当判断出该帧不是含有AP标识的帧时，采用本步骤2判断下一帧；

步骤3，当解调出含有AP标识的帧后，对此帧进行多径信号识别分离，将多径信号提取出来后，把各路多径信号存入存储中；

步骤4，关掉信号收发通道，处理器解调解码在存储中的数字信号信息来获取AP标识。解调解码采用DSP中的软件来实现，提供了很多灵活性。

更为具体的，本方法在检测到一个AP的beacon frame后，不会去尝试接入到此AP或者任何AP，而会继续在此射频频段或者其它射频频段搜寻下一个AP的beacon frame。

应用上述物联网中的室内定位方法的完整定位流程如下：

1.应用服务器请求终端位置。本例中，定位请求由应用服务器产生，此定位请求也可由终端内的应用处理器定时产生，图2没有显示后一种情况。

2.该定位请求通过NB-IoT通信模块下行发给终端，终端内的NB-IoT通信模块接收到此定位请求

3.NB-IoT通信模块将定位请求传给应用处理器。

4.应用处理器将AP 标识的扫描请求发给本发明提供的物联网中的室内定位装置

5.物联网中的室内定位装置进行扫描接收，将结果（AP的标识信息）发给应用服务器

本步骤中，即应用上述物联网中的室内定位方法。

6.应用服务器将AP标识信息通过NB-IoT通信模块传给定位服务器

7.定位服务器实现定位，将定位结果（终端的估计位置）传给应用服务器。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.物联网中的室内定位装置，其特征在于：包括WLAN AP标识接收模块，WLAN AP标识接收模块用于接收无线信号，并采用模糊识别方式解调AP广播中含有AP标识的帧，当解调出含有AP标识的帧后，对此帧进行多径信号识别分离，提取各路多径信号；所述模糊识别方式包括：当信号强度大于一个阈值，且帧结构开始部分字节符合含有AP标识的帧类型，且它们的幅值都大于一个阈值，则认为该帧为含有AP标识的帧。

2.根据权利要求1所述的物联网中的室内定位装置，其特征在于：WLAN AP标识接收模块在检测到一个AP中含有AP标识的帧后，继续在此射频频段或者其它射频频段搜寻下一个AP的含有AP标识的帧。

3.根据权利要求1所述的物联网中的室内定位装置，其特征在于：还包括处理器和存储器，存储器用于存储所述多径信号，处理器采用非实时离线处理的方式解调解码在存储中的数字信号信息来获取AP标识。

4.根据权利要求3所述的物联网中的室内定位装置，其特征在于：处理器在关掉信号收发通道的状态下进行解调解码。

5.根据权利要求1所述的物联网中的室内定位装置，其特征在于：WLAN AP标识接收模块由应用或者定时器控制打开和关闭。

6.根据权利要求1所述的物联网中的室内定位装置，其特征在于：WLAN AP标识接收模块设置在物联网通信芯片中。

7.物联网中的室内定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，接收WLAN频段的信号；

步骤2，采用模糊识别方式解调信号中含有AP标识的帧，模糊识别过程为：当信号强度大于一个阈值，而且解调输出的帧结构开始部分字节符合含有AP标识的帧的帧类型，而且它们的幅值都大于一个阈值后，则判断此帧为含有AP标识的帧；当判断出该帧不是含有AP标识的帧时，继续判断下一帧；

步骤3，当解调出含有AP标识的帧后，对此帧进行多径信号识别分离，将多径信号提取出来后，把各路多径信号存入存储中；

步骤4，关掉信号收发通道，处理器解调解码在存储中的数字信号信息来获取AP标识。

8.根据权利要求7所述的物联网中的室内定位方法，其特征在于，在检测到一个AP的含有AP标识的帧后，继续在此射频频段或者其它射频频段搜寻下一个AP的含有AP标识的帧。

9.物联网中的室内定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，终端内的通信模块获取定位请求；

步骤二，通信模块将定位请求传给应用处理器；

步骤三，应用处理器将AP 标识的扫描请求发给物联网中的室内定位装置；

步骤四，物联网中的室内定位装置采用权利要求7或8中所述的物联网中的室内定位方法进行扫描接收，获取扫描标识发送给定位请求发送方；

步骤五，定位请求方将AP标识信息通过通信模块传给定位服务器；

步骤六，定位服务器实现定位，将定位结果传给定位请求发送方。

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