混合室内定位系统设计与实现*

王 博，陈虹玉，张福鼎

(江苏第二师范学院物理与信息工程学院 江苏省基础教育大数据应用工程研究中心,江苏 南京 210013)

0 引言

自从在20世纪70年代起,人们就开始着手位置服务的研究[1]。随着移动通信、空间定位、卫星导航等技术的产生与迅速发展,GPS被广泛应用军事与交通等多个领域。而室内情况较为复杂,存在着大量的干扰源,噪声和其他无线设备的干扰也对室内定位的精度有着很大程度的影响。GPS标准误差较大,无法应用于面积较小的室内,同时在建筑的遮挡下信号条件变得更加差,卫星和接收机之间无法做到视距传输,若要在室内情况较为复杂的环境下实现精度较高的定位着实有些困难,无线蜂窝网也同样如此[2]。

室内定位技术可用于对商品、消费者的定位、广告发布、地图导航等方面[3]。国外的室内定位技术已经有数十年的研究历史。红外传感、超声波、802.11、RFID等,这些不同类型的定位系统有着它们各自的优点和不足之处。由于红外线和超声波定位技术容易被视距传播所限制,它们的主要应用还是集中在一些范围较小的区域,在这些区域内进行高精度的定位,而对于大范围的室内进行精确定位主要依靠802.11无线网络[4]。

现阶段我国的这类研究依旧在发展阶段,国内虽然在室内定位导航系统方面有着很大的需求,但迄今为止依然没有成熟的产品。与国外相比,国内关于WiFi网络以及各种信号基站的建设较为滞后,对于WiFi网络的研究也落后于其他国家,但随着我国近几年来的迅速发展,国内关于WiFi室内定位技术的研究正在如火如荼的进行中,各种位置服务和应用也迅速融入了人们的生活之中,国内正在进行定位研究,希望能够在定位效果方面有更加深层次的突破[5]。

我国对于基于位置服务关注度正在快速上升中,首先为用户提供位置信息,然后在此基础上为用户提供与位置有关的服务。在很多领域室内定位技术可以广泛地作用在很多领域,无论是商业还是公共安全,室内定位技术的开发都有着较为深远的价值[6]。目前市场上最广为流传被人们所熟知的室内定位技术主要是基于指纹匹配和基于测距的定位两种。研究重点在于如何将定位精度、健壮性和成本进行三者有效结合以达到最高的性价比,未来趋势是考虑如何将卫星导航、通信技术以及室内定位技术三者进行有效的结合起来,通过利用各自的优点来弥补定位系统中的不足,研究出一种同时有着高精度、高响应速度的定位,也可以有一个较为广阔的定位覆盖,真正实现广而精准的定位。

1 混合室内定位技术系统设计

1.1 系统框架

系统总体架构可分为数据库和定位部分。数据库部分负责对整体数据采样、分析和处理,定位部分负责完成对位置信息的获取和显示。这两个部分相互独立又可以通过数据之间的传输完成交互信息的作用,数据库部分决定了定位信息的显示地点,定位部分无需对数据库进行数据反馈。这样可以减少数据传递所造成的时间损耗,大大提高了系统的效率。数据库模块与定位模块只进行着由定位模块读取数据库内容的单向性操作,并不会对数据库重点内容进行修改,从而加强了数据库的安全性。并且这样的单向性的数据交互能够很大程度的减少数据间交换所需要的时间,提高了定位的效率。

数据库中存放的是当前测试环境中各个区域的位置信息,主要为所采集到的坐标距离信息,每条信息对应一个坐标点与信号发射器之间的距离关系。在对数据库的建立时要对各块区域进行紧密的数据采集以获得足够多的数据信息,并对所采集到的数据进行整合处理将各个区域的数据进行详细的划分,以实现在定位阶段能够对各个区域进行详细的定位。建立阶段存储各个测试点与信号发射点之间的距离信息,在对测试区域进行简单的区域划分后,对当前区域进行信号采集,并把采集的信号大小信息转换为与之对应的距离信息,建立距离数据库,经过整理的数据更加具有参考性,也更能提高定位的精度。

由于定位模块对于定位的效率要求十分的高,因此在保留了一部分必须拥有的数据处理功能的基础上,尽可能的降低其他处理用时,实现大大降低定位所需要时间的目的。在数据库中所存储的是处理过的位置距离信息,在进行实时定位时通过信号的路径损耗模型公式将所接收到的信号强度转化为相应的距离信息,再与数据库中存放的信息进行算法匹配得出位置信息,最终通过计算转化为坐标位置信息反馈给用户。

1.2 模块设计

在离线阶段,可通过测量特定点的信号强度大小并结合信号的传播模型公式来推测出公式中的未知量路径损耗系数和墙壁与地面损耗系数。在一个信号波动较为稳定的环境下进行测试,信号的传播也相对稳定,影响传播的因素较少,可视为定量。在这样的环境下,读取到的信号参数都可转化为一个稳定的距离信息。在进行定位测试的区域范围内选取多个数据参考点,对参考点的实际距离以及所处位置上来自各个信号发射点的信号强度大小进行测量,通过模型公式计算出信号的路径损耗系数。在墙壁两端相对位置分别测量信号大小,通过计算得出墙体的损耗系数。每次计算取大量数据通过计算取最终的平均值作为最终数据。将每个参考点所接收的不同信号发射器的强度值按公式计算出距离长度,并将这样一组一组的距离信息存储到数据库中以备定位阶段的使用。

在线阶段,通过定位系统测试当前待定点的信号强度大小,然后将信号强度转化为测试点与不同信号发射点之间的距离关系,并通过计算得出当前测试点的坐标位置,处理误差后在地图上显示出当前坐标的位置信息。由于用户的位置是不固定的,处在一个动态的定位过程中,因此还要求定位数据能够做到实时的更新。

1.3 实验测试

实验测试区域是一处家庭室内环境,在图中,信号的发射点为CMCC、LAPTOP、LOVE分别是WiFi路由器、苹果手机和笔记本电脑,A、B、C、D、E、F是选取的定位参考点,分别记录了该点处接收到的信号值大小,并将其依据信号传播公式转化为距离数值,测试点1、2是实际定位测试阶段的实验点。表1为测试点1和测试点2所测得的信号强度大小以及在当前位置处数据库采集阶段所测得的信号强度大小。

表1 信号强度dbm 单位:dbm

图1 参考点与信号发射位置分布

根据传播模型公式将所测得的信号强度转化为距离信息分别记录在表2和表3中,并与现实的坐标信息进行对比。

表2 点1距离信息记录 单位:cm

表3 点2距离信息记录 单位:cm

表4 坐标位置信息记录 单位:cm

表5 波动误差

在增加了两个参考点后测试点1的误差值由575.8 cm降低为265.7 cm,测试点2的误差值由294.4 cm降低为190.0 cm,总体误差值大幅度降低。由此可见定位精度与参考点的密集程度有关,要得到较为精准的定位就需要大量的参考点。

在参考点设立并非特别密集的情况下,与参考点距离越近的测试点误差越大,考虑到在定位阶段WiFi信号波动的影响,对数据库记录中的信号值大小取波动数值+1,-1。如测试点A记录的信号大小为(-86,-73.8,-78.2)取+1后重新计算距离,与原先记录的距离的误差为77.2,同样计算-1时的误差为83.71。将后者记录为允许误差即当测试点与参考点A进行欧式距离计算时若计算值小于83.71则将测试点直接定位到点A处。同样计算F点的误差范围分别为51.8和47.8,测试点2与F的欧式距离为101.1,不在误差范围之内,则无法将其定位到点F处。对于其他的参考点分别计算记录的信号的误差变化范围,定位时若在误差范围内可直接定位在参考点处。

2 结束语

采用这种方式可减少在参考点的设立较为疏散情况下的定位误差,在保证一定定位精度的同时降低了定位所需要的时间,大大提高了定位的效率。