劉業(yè)輝

室內(nèi)Wi-Fi定位系統(tǒng)設(shè)計與組合算法研究

劉業(yè)輝

北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院電氣與信息工程學院，北京 100042

隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展，無線定位服務的需求量也日益激增。如何基于新一代信息技術(shù)實現(xiàn)精確可靠的室內(nèi)定位是各方人員的研究熱點。在搭載Wi-Fi技術(shù)的基礎(chǔ)之上，提出了一種面向Android操作平臺的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計方案，同時配套提出了Wi-Fi技術(shù)背景下室內(nèi)定位算法優(yōu)化方式。在利用指紋定位方法初步篩選定位區(qū)域后，經(jīng)信號損耗確定測距模型，最后通過鄰近算法匹配指紋參考點，使室內(nèi)定位結(jié)果更為精確與可靠。

室內(nèi)Wi-Fi；定位系統(tǒng)；組合算法

室內(nèi)定位作為當前無線領(lǐng)域中的一大研究熱點，如何縮短定位時間，提高定位精度是各方人員高度關(guān)注的一項課題。雖然目前GPS定位技術(shù)已經(jīng)發(fā)展至成熟穩(wěn)定階段，但也僅適用于室外定位，對室內(nèi)定位適用性不足。為解決這一問題，在Wi-Fi技術(shù)支持下構(gòu)建一套適用于室內(nèi)定位系統(tǒng)方案已成為業(yè)內(nèi)人士高度重視的課題。

1 室內(nèi)定位系統(tǒng)總體設(shè)計方案

當前，Wi-Fi技術(shù)的應用已經(jīng)日趨成熟，搭載Wi-Fi技術(shù)下能夠最大限度剔除室內(nèi)環(huán)境多變性因素對室內(nèi)定位精度的影響，且在Wi-Fi技術(shù)下生成的無線電信號對室內(nèi)各類障礙物有良好的穿透性。同時，相較于GPS定位系統(tǒng)而言，基于Wi-Fi技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)對硬件設(shè)備的要求不高，具有更廣泛的適應性[1]。室內(nèi)定位系統(tǒng)圖見圖1?？紤]移動手持終端在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽脙r值以及普及性，本文提出一種建議在Android操作平臺下室內(nèi)Wi-Fi定位系統(tǒng)的設(shè)計方案，并提出優(yōu)化室內(nèi)定位精度的組合算法。

2 室內(nèi)定位模塊設(shè)計

以Android系統(tǒng)為例，開發(fā)基于Linux的開源操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有軟件層疊特征。為實現(xiàn)基于Wi-Fi技術(shù)的室內(nèi)定位功能，整體架構(gòu)中關(guān)鍵模塊應涵蓋客戶端登錄模塊以及手機端數(shù)據(jù)庫模塊這兩大部分，以下就關(guān)鍵設(shè)計要點展開分析：

圖1 室內(nèi)定位系統(tǒng)

針對客戶端登錄模塊而言，該模塊下需要支持實現(xiàn)的功能包括基于Wi-Fi技術(shù)的系統(tǒng)登錄。在系統(tǒng)登錄操作界面中，提供登錄賬號、密碼輸入框以及登錄按鈕。為確保用戶系統(tǒng)操作中的安全性與隱私性，登錄密碼輸入框所輸入?yún)?shù)信息以隱碼方式呈現(xiàn)，通過如下語句實現(xiàn)該操作“android： input Type = " text Password"”。虛擬機上運行測試功能中，考慮到圍繞整個應用軟件開發(fā)的工作量較大，故采取分部分的開發(fā)實現(xiàn)方案，對運行軟件程序進行隨時模擬并動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)bug，基于API版本插件以及系統(tǒng)鏡像創(chuàng)建虛擬機，定義為“Capital”。在Wi-Fi嵌入式登錄模塊中，可實現(xiàn)虛擬機環(huán)境下登錄模塊的主動運行，操作界面定義編程語句為“activity_main.xml”。

針對手機端數(shù)據(jù)庫模塊而言，為支持基于Wi-Fi技術(shù)室內(nèi)定位功能的實現(xiàn)，同時考慮到在手機端數(shù)據(jù)庫模塊與服務器端進行連接過程中存在失敗風險，且可能因服務器端故障而無法運行，開發(fā)數(shù)據(jù)庫模塊是非常重要的。以Android系統(tǒng)操作平臺為開發(fā)工具，該系統(tǒng)可直接對數(shù)據(jù)庫進行調(diào)用與編輯，數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建以及數(shù)據(jù)信息的插入可以通過Eclipse的方式實現(xiàn)，程序運行后將workspace所生成文件直接安裝于客戶手機終端中，以確保功能流暢運行[2]。

3 室內(nèi)Wi-Fi定位系統(tǒng)組合算法

當前室內(nèi)定位領(lǐng)域采取的算法方式邏輯簡單，結(jié)構(gòu)單一，直接應用常規(guī)算法難以保證同一空間中不同環(huán)境、不同位置影響下的定位精度。為解決這一問題，本文提出一種組合算法，以改進常規(guī)算法并加以融合，從而確保室內(nèi)定位的精確性?，F(xiàn)將基本步驟概述如下：

第一步，通過指紋定位方式初步篩選定位區(qū)域。指紋定位是指通過對實際地理信息以及所采集信號強度參數(shù)的綜合分析，在一定算法支持下實現(xiàn)定位，包括離線訓練以及在線實現(xiàn)這兩個環(huán)節(jié)?；舅悸罚簩⒄麄€需定位室內(nèi)空間劃分為多個區(qū)域，如圖2所示，整個室內(nèi)定位空間共劃分為8個區(qū)域，投票初選。假定在離線訓練階段中，對于任意i區(qū)而言，該分區(qū)中第j個采集信號強度參數(shù)的取值范圍為（riss-最小值，riss-最大值），同時在線上實現(xiàn)過程中移動終端所采集到的第j個采集信號強度參數(shù)同樣位于i區(qū)內(nèi)，則投票給i區(qū)。但在具體室內(nèi)定位算法實踐中，多個區(qū)域可能投票結(jié)構(gòu)一致。因此必須改進投票方法，以提高生成的定位結(jié)果的精確性。主要改進依據(jù)是在投票過程中引入對真實數(shù)據(jù)的分析，并通過概率模式加權(quán)改進投票原則。如以信號強度為依據(jù)，當信號強度取值在0～-45.0dBm的情況下時，加權(quán)投票數(shù)為3票；當信號強度取值在-46.0dBm～-59.0dBm的情況下，加權(quán)投票數(shù)為2票；當信號強度取值在-60.0dBm～-76.0dBm的情況下，加權(quán)投票數(shù)為1票；當信號強度取值在-77.0dBm～-∞dBm的情況下，加權(quán)投票數(shù)為0票。以加權(quán)投票的方式初步篩選定位區(qū)域具有更為突出的優(yōu)勢，如加權(quán)處理后仍然有部分區(qū)域投票數(shù)一致，則應進一步通過判斷臨近采集信號強度值的方式確定定位區(qū)域[3]。

圖2 室內(nèi)定位空間劃分

第二步，通過信號損耗的方式確定測距模型。通過指紋定位方式篩選定位區(qū)域的核心是對無線信號強度信息的采集。在Wi-Fi技術(shù)覆蓋背景下，測距距離會直接對Wi-Fi信號強度產(chǎn)生影響，兩者之間主要呈負相關(guān)關(guān)系[4]。為提高定位精確性，必須綜合考慮人員活動、電磁設(shè)備以及復雜布局等諸多因素對信號強度的影響，并在信號損耗的輔助下明確信號源與定位點之間的距離關(guān)系，具體關(guān)系如下式所示：

根據(jù)上式計算所的接收信號強度后，用測距模型得到定位點與室內(nèi)定位區(qū)域中某特定采集信號強度信號源之間的距離，以該距離為半徑做圓，所作圓與前一步周指紋定位所鎖定目標區(qū)域的參考點則可作為定位依據(jù)。在此基礎(chǔ)之上可通過鄰近算法的方式最終匹配得到強度誤差最小情況下的指紋參考點，作為室內(nèi)定位的最終結(jié)果[5]。

4 結(jié)束語

本文在搭載Wi-Fi技術(shù)的基礎(chǔ)之上，提出了一種面向Android操作平臺的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計方案，同時配套提出了Wi-Fi技術(shù)背景下室內(nèi)定位算法優(yōu)化方式。整套設(shè)計方案能夠彌補單一定位算法存在的局限性，克服傳統(tǒng)意義上GPS定位技術(shù)對復雜室內(nèi)環(huán)境以及諸多障礙物的局限性，完全可以滿足當前無線領(lǐng)域?qū)κ覂?nèi)定位的基本要求，對提高整套Wi-Fi室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位性能而言也非常重要，值得在室內(nèi)定位研究領(lǐng)域中深入探索與實踐。

[1]齊雁飛，蔣新華，吳赟，等.基于Wi-Fi的便攜式室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].上海師范大學學報（自然科學版），2017（1）：129-133.

[2]陳偉森，裴海龍，夏睿燦.基于超寬帶技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2017（11）：179-182.

[3]劉毅，李瑞祥，施偉斌，等.基于ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計[J].數(shù)據(jù)通信，2017（5）：16-18，34.

[4] 徐盛良，魯照權(quán)，周永燕，等.基于超聲波測距的室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].機械設(shè)計與制造工程，2017（11）：112-116.

[5]藍威濤，張衛(wèi)強，羅健宇，等.基于相位差測距的RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017（10）：85-88，91.

Research on Design and Combination Algorithm of Indoor Wi-Fi Positioning System

Liu Yehui

School of Electrical and Information Engineering, Beijing Polytechnic College, Beijing 100042

With the rapid development of wireless technology, the demand for wireless positioning services is increasing. How to achieve accurate and reliable indoor positioning based on the new generation of information technology is a hot topic for all the researchers. On the basis of carrying the Wi-Fi technology, the paper proposes an Android oriented operating platform of indoor positioning system design, while supporting the optimization methods of indoor positioning algorithm based on Wi-Fi technology background. After the preliminary screening location using fingerprint positioning method, indoor Wi-Fi positioning system determines measuring model by signal loss, and finally through the adjacent matching fingerprint reference point, make indoor positioning result more accurate and reliable.

indoor Wi-Fi; positioning system; combination algorithm

TN92

A

1009-6434（2017）11-0001-03

劉業(yè)輝（1969—），男，北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院電氣與信息工程學院教授，從事移動網(wǎng)絡(luò)工程、移動互聯(lián)應用系統(tǒng)研究等。