混合室內定位系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

王 博，陳虹玉，張福鼎

(江蘇第二師范學院物理與信息工程學院 江蘇省基礎教育大數(shù)據應用工程研究中心,江蘇 南京 210013)

0 引言

自從在20世紀70年代起,人們就開始著手位置服務的研究[1]。隨著移動通信、空間定位、衛(wèi)星導航等技術的產生與迅速發(fā)展,GPS被廣泛應用軍事與交通等多個領域。而室內情況較為復雜,存在著大量的干擾源,噪聲和其他無線設備的干擾也對室內定位的精度有著很大程度的影響。GPS標準誤差較大,無法應用于面積較小的室內,同時在建筑的遮擋下信號條件變得更加差,衛(wèi)星和接收機之間無法做到視距傳輸,若要在室內情況較為復雜的環(huán)境下實現(xiàn)精度較高的定位著實有些困難,無線蜂窩網也同樣如此[2]。

室內定位技術可用于對商品、消費者的定位、廣告發(fā)布、地圖導航等方面[3]。國外的室內定位技術已經有數(shù)十年的研究歷史。紅外傳感、超聲波、802.11、RFID等,這些不同類型的定位系統(tǒng)有著它們各自的優(yōu)點和不足之處。由于紅外線和超聲波定位技術容易被視距傳播所限制,它們的主要應用還是集中在一些范圍較小的區(qū)域,在這些區(qū)域內進行高精度的定位,而對于大范圍的室內進行精確定位主要依靠802.11無線網絡[4]。

現(xiàn)階段我國的這類研究依舊在發(fā)展階段,國內雖然在室內定位導航系統(tǒng)方面有著很大的需求,但迄今為止依然沒有成熟的產品。與國外相比,國內關于WiFi網絡以及各種信號基站的建設較為滯后,對于WiFi網絡的研究也落后于其他國家,但隨著我國近幾年來的迅速發(fā)展,國內關于WiFi室內定位技術的研究正在如火如荼的進行中,各種位置服務和應用也迅速融入了人們的生活之中,國內正在進行定位研究,希望能夠在定位效果方面有更加深層次的突破[5]。

我國對于基于位置服務關注度正在快速上升中,首先為用戶提供位置信息,然后在此基礎上為用戶提供與位置有關的服務。在很多領域室內定位技術可以廣泛地作用在很多領域,無論是商業(yè)還是公共安全,室內定位技術的開發(fā)都有著較為深遠的價值[6]。目前市場上最廣為流傳被人們所熟知的室內定位技術主要是基于指紋匹配和基于測距的定位兩種。研究重點在于如何將定位精度、健壯性和成本進行三者有效結合以達到最高的性價比,未來趨勢是考慮如何將衛(wèi)星導航、通信技術以及室內定位技術三者進行有效的結合起來,通過利用各自的優(yōu)點來彌補定位系統(tǒng)中的不足,研究出一種同時有著高精度、高響應速度的定位,也可以有一個較為廣闊的定位覆蓋,真正實現(xiàn)廣而精準的定位。

1 混合室內定位技術系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)總體架構可分為數(shù)據庫和定位部分。數(shù)據庫部分負責對整體數(shù)據采樣、分析和處理,定位部分負責完成對位置信息的獲取和顯示。這兩個部分相互獨立又可以通過數(shù)據之間的傳輸完成交互信息的作用,數(shù)據庫部分決定了定位信息的顯示地點,定位部分無需對數(shù)據庫進行數(shù)據反饋。這樣可以減少數(shù)據傳遞所造成的時間損耗,大大提高了系統(tǒng)的效率。數(shù)據庫模塊與定位模塊只進行著由定位模塊讀取數(shù)據庫內容的單向性操作,并不會對數(shù)據庫重點內容進行修改,從而加強了數(shù)據庫的安全性。并且這樣的單向性的數(shù)據交互能夠很大程度的減少數(shù)據間交換所需要的時間,提高了定位的效率。

數(shù)據庫中存放的是當前測試環(huán)境中各個區(qū)域的位置信息,主要為所采集到的坐標距離信息,每條信息對應一個坐標點與信號發(fā)射器之間的距離關系。在對數(shù)據庫的建立時要對各塊區(qū)域進行緊密的數(shù)據采集以獲得足夠多的數(shù)據信息,并對所采集到的數(shù)據進行整合處理將各個區(qū)域的數(shù)據進行詳細的劃分,以實現(xiàn)在定位階段能夠對各個區(qū)域進行詳細的定位。建立階段存儲各個測試點與信號發(fā)射點之間的距離信息,在對測試區(qū)域進行簡單的區(qū)域劃分后,對當前區(qū)域進行信號采集,并把采集的信號大小信息轉換為與之對應的距離信息,建立距離數(shù)據庫,經過整理的數(shù)據更加具有參考性,也更能提高定位的精度。

由于定位模塊對于定位的效率要求十分的高,因此在保留了一部分必須擁有的數(shù)據處理功能的基礎上,盡可能的降低其他處理用時,實現(xiàn)大大降低定位所需要時間的目的。在數(shù)據庫中所存儲的是處理過的位置距離信息,在進行實時定位時通過信號的路徑損耗模型公式將所接收到的信號強度轉化為相應的距離信息,再與數(shù)據庫中存放的信息進行算法匹配得出位置信息,最終通過計算轉化為坐標位置信息反饋給用戶。

1.2 模塊設計

在離線階段,可通過測量特定點的信號強度大小并結合信號的傳播模型公式來推測出公式中的未知量路徑損耗系數(shù)和墻壁與地面損耗系數(shù)。在一個信號波動較為穩(wěn)定的環(huán)境下進行測試,信號的傳播也相對穩(wěn)定,影響傳播的因素較少,可視為定量。在這樣的環(huán)境下,讀取到的信號參數(shù)都可轉化為一個穩(wěn)定的距離信息。在進行定位測試的區(qū)域范圍內選取多個數(shù)據參考點,對參考點的實際距離以及所處位置上來自各個信號發(fā)射點的信號強度大小進行測量,通過模型公式計算出信號的路徑損耗系數(shù)。在墻壁兩端相對位置分別測量信號大小,通過計算得出墻體的損耗系數(shù)。每次計算取大量數(shù)據通過計算取最終的平均值作為最終數(shù)據。將每個參考點所接收的不同信號發(fā)射器的強度值按公式計算出距離長度,并將這樣一組一組的距離信息存儲到數(shù)據庫中以備定位階段的使用。

在線階段,通過定位系統(tǒng)測試當前待定點的信號強度大小,然后將信號強度轉化為測試點與不同信號發(fā)射點之間的距離關系,并通過計算得出當前測試點的坐標位置,處理誤差后在地圖上顯示出當前坐標的位置信息。由于用戶的位置是不固定的,處在一個動態(tài)的定位過程中,因此還要求定位數(shù)據能夠做到實時的更新。

1.3 實驗測試

實驗測試區(qū)域是一處家庭室內環(huán)境,在圖中,信號的發(fā)射點為CMCC、LAPTOP、LOVE分別是WiFi路由器、蘋果手機和筆記本電腦,A、B、C、D、E、F是選取的定位參考點,分別記錄了該點處接收到的信號值大小,并將其依據信號傳播公式轉化為距離數(shù)值,測試點1、2是實際定位測試階段的實驗點。表1為測試點1和測試點2所測得的信號強度大小以及在當前位置處數(shù)據庫采集階段所測得的信號強度大小。

表1 信號強度dbm 單位:dbm

圖1 參考點與信號發(fā)射位置分布

根據傳播模型公式將所測得的信號強度轉化為距離信息分別記錄在表2和表3中,并與現(xiàn)實的坐標信息進行對比。

表2 點1距離信息記錄 單位:cm

表3 點2距離信息記錄 單位:cm

表4 坐標位置信息記錄 單位:cm

表5 波動誤差

在增加了兩個參考點后測試點1的誤差值由575.8 cm降低為265.7 cm,測試點2的誤差值由294.4 cm降低為190.0 cm,總體誤差值大幅度降低。由此可見定位精度與參考點的密集程度有關,要得到較為精準的定位就需要大量的參考點。

在參考點設立并非特別密集的情況下,與參考點距離越近的測試點誤差越大,考慮到在定位階段WiFi信號波動的影響,對數(shù)據庫記錄中的信號值大小取波動數(shù)值+1,-1。如測試點A記錄的信號大小為(-86,-73.8,-78.2)取+1后重新計算距離,與原先記錄的距離的誤差為77.2,同樣計算-1時的誤差為83.71。將后者記錄為允許誤差即當測試點與參考點A進行歐式距離計算時若計算值小于83.71則將測試點直接定位到點A處。同樣計算F點的誤差范圍分別為51.8和47.8,測試點2與F的歐式距離為101.1,不在誤差范圍之內,則無法將其定位到點F處。對于其他的參考點分別計算記錄的信號的誤差變化范圍,定位時若在誤差范圍內可直接定位在參考點處。

2 結束語

采用這種方式可減少在參考點的設立較為疏散情況下的定位誤差,在保證一定定位精度的同時降低了定位所需要的時間,大大提高了定位的效率。