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基于三角定位算法的WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)設計

0引言

【研究意義】近年來，隨著智能手機的普及，城市中WiFi熱點(Access Peint,AP)的覆蓋率大幅度提高，因此對WiFi室內(nèi)定位服務需求逐漸增加，WiFi室內(nèi)定位技術的商業(yè)化必將帶來一波創(chuàng)新應用高潮，各種基于室內(nèi)定位技術的商業(yè)應用將出現(xiàn)在我們的生活中，尤其是在O2O領域[1]。例如在大型綜合體商場停車場里面借助室內(nèi)定位導航快速找到停車位，商鋪也可以根據(jù)用戶的具體位置向用戶推送定制的促銷商品信息等，這些商業(yè)應用會極大地提高O2O體驗，提高用戶購物消費的滿意度?！厩叭搜芯窟M展】目前用于室內(nèi)定位的技術有很多，比如藍牙、ZigBee、射頻、紅外線、超聲波、計算機視覺等。這些技術與WiFi室內(nèi)定位技術相較，無論從硬件設計、軟件設計、工程實施難度來說，還是從定位效果方面考察，其優(yōu)勢都明顯不如后者[2]。楊潤鋒等[3]設計了一種以Android移動終端為控制平臺的無線WiFi通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于WiFi技術實現(xiàn)作者的設計目的;張明華等[4]設計了一種WiFi定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠的室內(nèi)定位?！颈狙芯壳腥朦c】基于WiFi技術的室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位精度取決于AP的個數(shù)、信號的穩(wěn)定程度以及算法的選擇。本文從算法的選擇方面入手，采用三角定位算法，改善和增加WiFi室內(nèi)定位的準確率?！緮M解決的關鍵問題】在Android平臺上實現(xiàn)WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)，改善室內(nèi)定位系統(tǒng)的質(zhì)量。

1WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)的設計目標是在Android智能手機上實現(xiàn)實時的WiFi室內(nèi)定位。如圖1所示,該系統(tǒng)采用Android手機客戶端/云服務器的網(wǎng)絡架構,包括定位云服務器，Android智能手機客戶端和WiFi熱點(AP)，其中的AP需要與Internet相連，Android智能手機客戶端和定位云服務器通過TCP連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖1WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)框架

Fig.1WiFi indoor positioning system diagram

本系統(tǒng)定位過程為Android手機客戶端進行WiFi無線信號掃描，然后通過AP把數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉ㄎ辉品掌?，云服務器獲得數(shù)據(jù)后進行定位計算，然后把計算結果發(fā)回手機客戶端界面顯示手機所處位置。

2WiFi定位算法

每一個無線AP都有一個全球唯一的MAC地址。智能手機客戶端可以掃描并收集周圍的AP信號，無論信號是否加密，或者是否已連接,都可以獲取到AP廣播出來的MAC地址。每個AP有MAC地址和信號強度兩個重要數(shù)據(jù)，MAC地址可以決定是哪個AP；信號強度理論上與智能手機和AP之間的距離有函數(shù)對應關系，根據(jù)信號強度可以算出智能手機和AP之間的距離[5]。智能手機將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到定位云服務器，定位云服務器就可以用算法計算出智能手機的室內(nèi)位置。

WiFi定位算法基本上可以分為兩大類：第一類不基于WiFi信號強度RSSI，例如 TOA(Time of Arrival)，TDOA(Time Difference of Arrival)，AOA(Angle of Arrival)。但是這些值在智能手機上無法獲取,需要特殊的WiFi模塊，所以這類方法在本系統(tǒng)中無法使用。第二類基于WiFi信號強度RSSI，在智能手機上可以通過Android系統(tǒng)SDK獲取周圍各個AP發(fā)送的信號強度RSSI及AP位置，利用RSSI來定位是最可行的方法[6]?；赗SSI定位算法主要為三角定位算法,三角定位算法需要提前知道AP的位置。如果已經(jīng)知道AP的位置，就可以利用信號衰減模型估算出智能手機與各個AP之間的距離,然后以智能手機到周圍AP的距離為半徑畫圓，其交點就是該智能手機的位置(圖2)。WiFi信號強度RSSI的表達式如下[7]：

RSSI=-(10n log10d+R),

(1)

其中，d為定位智能手機節(jié)點與參考AP點之間的距離，單位為m；R為定位智能手機節(jié)點與參考AP點之間的距離為1 m時所測得的RSSI值；n為信號衰減因子，一般為2～4(文獻[8])。

圖2三角定位法

Fig.2Triangle positioning method

定位AP的平面坐標集合為{(xA，yA)，(xB，yB)，(xC，yC)}，定位點所對應RSSI信號強度為{RA，RB，RC}，那么定位點到AP的距離集合為{dA，dB，dC}，建立二元二次方程組，公式如下:

(2)

理論上3個圓至少有一個公共交點，但是無線WiFi信號在室內(nèi)的傳播比較復雜，導致WiFi信號覆蓋范圍估計不準確，所以很多情況下3個圓只是兩兩相交(圖3)。

圓B與圓C交點P1的位置求解為公式：

(3)

同理求得交點P2、P3的位置(x2，y2)和(x3，y3)，則智能手機定位點位置(X，Y)為

(4)

圖3WiFi信號實際覆蓋情況

Fig.3Actual coverage of WiFi signal

3算法測試

首先將智能手機固定在一個點，這個點被3個AP包圍；再用智能手機客戶端做100次定位操作，同時把定位信息發(fā)給云服務器，云服務器把定位結果返回客戶端顯示，記錄下100次定位結果；然后做數(shù)據(jù)分析。實驗結果按距離排序，用excel畫一個分布圖(圖4)，從這個圖可以大致分析定位效果：100個點中，距離誤差小于1 m的有5個點；有94個點的距離誤差在1 m到4 m，大致呈均勻分布態(tài)勢；距離誤差大于4 m的有1個點。

圖4WiFi定位實驗

Fig.4WiFi positioning experiment

4結束語

WiFi室內(nèi)定位有著巨大的商業(yè)應用前景，本文通過實際的實驗環(huán)境分析WiFi無線信號的分布特點，基于三角定位算法，在Android平臺上實現(xiàn)WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)。算法的測試結果表明該系統(tǒng)的定位效果比較好，定位誤差較小。

參考文獻：

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(責任編輯：米慧芝)

WiFi Indoor Positioning System Design Based on the Triangle Positioning Algorithm

黃華晉，秦建息

HUANG Huajin，QIN Jianxi

(廣西瀚特信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，廣西桂林541004)

(Guangxi Hunter Information Industry Co.，Ltd.，Guilin，Guangxi，541004，China)

摘要：【目的】改善室內(nèi)定位系統(tǒng)的質(zhì)量，提高室內(nèi)定位的準確率和效率?！痉椒ā坷脽o線WiFi信號自身的特點，在Android平臺的基礎上設計一種基于三角定位算法的WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)?！窘Y果】實驗測試結果表明該WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)能準確地進行室內(nèi)定位?！窘Y論】基于三角定位算法的WiFi室內(nèi)定位系統(tǒng)定位準確率高，具有很高的商業(yè)使用價值。

關鍵詞：WiFi室內(nèi)定位Android

Abstract:【Objective】Improve the quality, accuracy and efficiency of indoor positioning.【Methods】Based on the Android platform,this paper designs a WiFi indoor positioning system by triangulation algorithm based on the WiFi platform.【Results】The test results show that the WiFi indoor positioning system can be accurately positioned.【Conclusion】The WiFi indoor positioning system based on the triangle positioning algorithm is high accuracy and has great commercial value.

Key words:WiFi，indoor positioning，Android

中圖分類號：TN92

文獻標識碼：A

文章編號：1002-7378(2016)01-0059-03

作者簡介：黃華晉(1982-)，男，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)方面研究。

收稿日期：2015-09-10

網(wǎng)絡優(yōu)先數(shù)字出版時間:2016-01-27

網(wǎng)絡優(yōu)先數(shù)字出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/45.1075.N.20160127.1616.008.html