基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

王宏宇，張乃靈，馮 浩，柳宜江，呂 濤

（中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 信息與安全工程學(xué)院， 湖北 武漢430073）

基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

王宏宇，張乃靈，馮 浩，柳宜江，呂 濤

（中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 信息與安全工程學(xué)院， 湖北 武漢430073）

本文通過(guò)對(duì)比分析幾種常見(jiàn)的室內(nèi)定位系統(tǒng)解決方案，發(fā)現(xiàn)基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)提供的室內(nèi)定位解決方案具備很多優(yōu)勢(shì)，又橫向比較分析并改進(jìn)了無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)室內(nèi)定位的算法，最后通過(guò)指紋信息預(yù)測(cè)模型法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于W LAN的室內(nèi)定位系統(tǒng).同時(shí)在系統(tǒng)中加入了模擬的位置信息服務(wù)提供機(jī)制，為系統(tǒng)后期的實(shí)用性擴(kuò)展提供了可能.

LBS；室內(nèi)定位；無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)；預(yù)測(cè)模型

1 引言

在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，人們可以隨時(shí)隨地的接入到互聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行信息交換，這使得人們對(duì)于信息提供的及時(shí)性和原屬地性有了更高的要求.因此，基于位置的服務(wù)（LBS，Location Based Service）被廣泛的應(yīng)用到了各類(lèi)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，這種基于用戶(hù)實(shí)時(shí)位置的準(zhǔn)確、迅速的信息提供，極大地方便了人們的生產(chǎn)生活.而LBS應(yīng)用的核心，便是即時(shí)提供有效的位置信息.

目前的定位服務(wù)主要有兩種提供方法，一種是使用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System），通過(guò)環(huán)地同步衛(wèi)星提供覆蓋全球的空間定位；另一種基站定位的方法，則是使用無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)基地臺(tái)的坐標(biāo)進(jìn)行定位預(yù)估.

在戶(hù)外方面，GPS定位技術(shù)以及基站定位技術(shù)已經(jīng)具有全天候、高精度、自動(dòng)測(cè)量等特點(diǎn)，在軍事、交通、測(cè)繪及人們?nèi)粘Ｉ畹确矫娴玫搅藦V泛應(yīng)用.然而一旦進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境中，由于建筑物的阻擋，定位信號(hào)難以穿透建筑物，使得傳統(tǒng)定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境中無(wú)法精確地使用，從而無(wú)法提供精準(zhǔn)的室內(nèi)LBS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，導(dǎo)致用戶(hù)無(wú)法在室內(nèi)環(huán)境下享受基于位置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)所帶來(lái)的快捷與方便.

所以，在人們的生產(chǎn)生活越來(lái)越多地集中在室內(nèi)的情況下，尋求一種能在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行高精度且易實(shí)現(xiàn)的定位技術(shù)，來(lái)彌補(bǔ)目前GPS及基站定位技術(shù)在室內(nèi)定位中的不 足 是 十 分 必 要 的.在 眾 多 室 內(nèi) 定 位 系 統(tǒng)（IPS，Indoor Positioning System）的解決方案中，具有代表性的有近場(chǎng)通訊技術(shù) （NFC，Near Field Communication）；無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification）；Zig-Bee雙向無(wú)線(xiàn)識(shí)別技術(shù)以及無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)（WLAN）等.

2 WLAN室內(nèi)定位方案的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)對(duì)比四中常見(jiàn)的IPS解決方案（表1中清晰地對(duì)比分析了四種常見(jiàn)的IPS解決方案），不難發(fā)現(xiàn)，由于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)易組網(wǎng)、易擴(kuò)展、成本低以及其在國(guó)內(nèi)覆蓋的普遍性等一系列的優(yōu)勢(shì)，基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)定位技術(shù)在今后必將會(huì)有更深層次的發(fā)展.同時(shí)，基于WLAN的IPS系統(tǒng)能夠方便及時(shí)地接入到互聯(lián)網(wǎng)中，從而為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的LBS服務(wù).

表1 IPS常見(jiàn)解決方案的對(duì)比分析

3 基于WLAN的室內(nèi)定位算法

目前，基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位算法主要有信號(hào)到達(dá)角度（AOA，Angle of Arrival）分析法、信號(hào)到達(dá) 時(shí)間 差（TDOA，Time Difference of Arrival）分析法、接 受信號(hào)強(qiáng)度（RSSI，Received Signal Strength Indication）分析法以及指紋信息預(yù)測(cè)模型法四種.

信號(hào)到達(dá)角度法（AOA）利用方向性天線(xiàn)來(lái)判斷信號(hào)源的方向.當(dāng)接收到兩個(gè)以上已知發(fā)射端的方向角度后，就可以利用發(fā)射端和接收端的相對(duì)角度估算出待定位移動(dòng)臺(tái)的位置.此方法估測(cè)精度雖然高，但由于需要額外的天線(xiàn)架設(shè)，所以成本偏高，難以實(shí)際應(yīng)用；信號(hào)到達(dá)時(shí)間差法（TDOA）是根據(jù)點(diǎn)播從移動(dòng)臺(tái)到基站的傳播時(shí)間以及點(diǎn)播的傳播速度，得到點(diǎn)播地距離基站的距離.TDOA法是依據(jù)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)不同基站的時(shí)間差，使點(diǎn)播地位于以?xún)蓚€(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線(xiàn)上，從而建立兩個(gè)雙曲線(xiàn)方程，則該雙曲線(xiàn)焦點(diǎn)即為點(diǎn)播地的二維位置坐標(biāo).由于這種方法要求用戶(hù)與基站之間達(dá)到實(shí)時(shí)同步，這加大了系統(tǒng)的成本，使得大范圍普及應(yīng)用較為困難；接受信號(hào)強(qiáng)度法（RSSI）是利用無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度在空間內(nèi)隨著距離的改變而呈現(xiàn)變化分布的特點(diǎn)，通過(guò)比對(duì)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)參考位置的確定.而這些參考位置點(diǎn)采集來(lái)自于不同無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)（AP，Access Point）的信號(hào)強(qiáng)度值.在定位時(shí)，通過(guò)模式匹配算法比較實(shí)時(shí)采集的RSSI信息和已采集到的信息，估計(jì)用戶(hù)的位置.但是由于室內(nèi)桌椅、墻壁等障礙物的阻礙，通過(guò)接受信號(hào)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的方法存在誤差大、不精確的缺點(diǎn).

指紋信息預(yù)測(cè)模型法是通過(guò)采集室內(nèi)環(huán)境中多臺(tái)接入點(diǎn)發(fā)出的在不同坐標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度值，經(jīng)過(guò)模型匹配，找出信號(hào)強(qiáng)度變化與距離接入點(diǎn)遠(yuǎn)近之間的關(guān)系，形成預(yù)測(cè)模型并記錄.當(dāng)待定位終端進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境中時(shí)，根據(jù)預(yù)測(cè)模型即可確定其具體位置.由于收集了多臺(tái)AP的記錄，同時(shí)使用了預(yù)測(cè)模型進(jìn)行匹配，此方法可以有效地提高定位精度，減少障礙物所造成的誤差.

綜合分析上述算法，指紋信息預(yù)測(cè)模型法可以有效的在效率與誤差中取得平衡.基于指紋信息預(yù)測(cè)模型的定位算法主要包括以下兩個(gè)階段：（1）離線(xiàn)階段，即指紋信息采集階段；（2）連線(xiàn)階段，即對(duì)終端進(jìn)行定位的階段.

4 定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

為了實(shí)現(xiàn)精確、高效、簡(jiǎn)單的室內(nèi)定位，可以在定位環(huán)境中布放多臺(tái)AP，用于實(shí)現(xiàn)指紋信息的匹配與收集.AP臺(tái)可以將收集到的周?chē)拘畔?，通過(guò)本地局域網(wǎng)，使用FTP協(xié)議回傳給本地的服務(wù)器，服務(wù)器端不停的接收到多臺(tái)AP傳回的基站勘察信息，通過(guò)移動(dòng)平均算法找出對(duì)應(yīng)設(shè)備即時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度值.這里采用了由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)收集信號(hào)強(qiáng)度的方法，減少了待定位終端的工作量，同時(shí)也提升了系統(tǒng)效率.如圖1所示.

4.1 離線(xiàn)階段

圖1 定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

指紋信息采集階段，在室內(nèi)環(huán)境中多個(gè)訓(xùn)練點(diǎn)（TP，Tracking Point）多次測(cè)量并記錄下室內(nèi)AP的對(duì)應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度值，并通過(guò)算法建立預(yù)測(cè)模型：

1、由服務(wù)器搜集并分析路由器傳回的即時(shí)RSSI文件，并根據(jù)指紋采集設(shè)備的MAC地址以及室內(nèi)的測(cè)量坐標(biāo)，插入到數(shù)據(jù)庫(kù)中保存.

2、依據(jù)指紋信息數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)類(lèi)Matlab中的polyfit函數(shù)進(jìn)行接受信號(hào)強(qiáng)度與單臺(tái)AP距離之間的擬合，并記錄此定位算法建模的模型參數(shù).

4.2 連線(xiàn)階段

終端定位階段，在終端上設(shè)計(jì)程序，便可以實(shí)現(xiàn)終端上定位結(jié)果的實(shí)時(shí)反饋，同時(shí)也可以為終端提供基于位置的信息服務(wù).定位過(guò)程中，服務(wù)器收到終端上安裝的客戶(hù)端的定位請(qǐng)求，通過(guò)分析環(huán)境中多臺(tái)AP傳回的實(shí)時(shí)RSSI文件，找到相應(yīng)終端的MAC，調(diào)用算法計(jì)算出坐標(biāo)值回傳給客戶(hù)端.具體流程如下：

1、用戶(hù)終端上開(kāi)啟定位服務(wù)客戶(hù)端，請(qǐng)求與服務(wù)器TCP通訊.建立連接后，傳輸MAC地址，并不停地向服務(wù)器發(fā)送定位請(qǐng)求.

2、服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)到TCP端口傳來(lái)的客戶(hù)端請(qǐng)求，依據(jù)路由器及時(shí)回傳的RSSI文件，套用定位算法，計(jì)算出客戶(hù)端當(dāng)前坐標(biāo)值，回傳給客戶(hù)端.

3、客戶(hù)端依據(jù)響應(yīng)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地更新畫(huà)布，將收到的坐標(biāo)位置實(shí)時(shí)顯示在相應(yīng)客戶(hù)端地圖的相應(yīng)點(diǎn)上.

同時(shí)，還可以在客戶(hù)端地圖上預(yù)設(shè)一些興趣點(diǎn)的信息（POI，Point Of Interest），在客戶(hù)端與服務(wù)器進(jìn)行交互時(shí)，便可以通過(guò)這些興趣點(diǎn)，為用戶(hù)提供多樣化的位置信息服務(wù).

5 定位系統(tǒng)的搭建與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)涉及到了三個(gè)部分的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，下面將分別對(duì)AP、服務(wù)器、客戶(hù)端進(jìn)行介紹：

（1）AP端.為了實(shí)現(xiàn)AP臺(tái)的自動(dòng)基站信號(hào)收集，可以使用很多嵌入式的路由器操作系統(tǒng)，如Tomato、Open-WRT、DD-WRT等，這些系統(tǒng)都是基于Linux的，所以可以通過(guò)編寫(xiě)shell腳本實(shí)現(xiàn)基站信號(hào)勘察，將RSSI信息寫(xiě)入文件，并通過(guò)FTP將一系列操作傳遞給服務(wù)器.

（2）服務(wù)器端.由于頻繁的讀取AP傳回的RSSI文件，同時(shí)可以響應(yīng)終端定位請(qǐng)求和終端的位置信息服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)端使用了良好的多線(xiàn)程支持語(yǔ)言—Java來(lái)進(jìn)行圖形界面的開(kāi)發(fā).圖2為服務(wù)器端離線(xiàn)階段的運(yùn)行圖.離線(xiàn)階段，要求采集用戶(hù)輸入室內(nèi)環(huán)境的基礎(chǔ)信息，如長(zhǎng)、寬、名稱(chēng)等.之后選擇指紋采集設(shè)備的MAC地址，由服務(wù)器端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端的信號(hào)強(qiáng)度值，并由采集用戶(hù)手動(dòng)記錄其坐標(biāo)值，重復(fù)此動(dòng)作，直到完成打點(diǎn)工作，服務(wù)器便調(diào)用前文的定位算法，建立預(yù)測(cè)模型，記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中.

圖2 服務(wù)器端實(shí)做運(yùn)行圖——離線(xiàn)階段

連線(xiàn)階段，采用了和離線(xiàn)階段類(lèi)似的機(jī)理，由服務(wù)器開(kāi)啟多線(xiàn)程，持續(xù)監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端請(qǐng)求，如果收到客戶(hù)端的MAC信息，便實(shí)時(shí)檢索AP傳回的RSSI信息，調(diào)用預(yù)測(cè)模型計(jì)算坐標(biāo)后，傳回給客戶(hù)端.如果客戶(hù)端請(qǐng)求POI的信息，則查詢(xún)POI數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)信息發(fā)送給客戶(hù)端.圖3為系統(tǒng)連線(xiàn)階段運(yùn)行圖.

圖3 服務(wù)器端實(shí)做運(yùn)行圖——連線(xiàn)階段

（3）客戶(hù)端.客戶(hù)端采用了當(dāng)下最流行的開(kāi)源操作系統(tǒng)Android來(lái)實(shí)現(xiàn).并通過(guò)使用熱門(mén)的自定義地圖插件來(lái)實(shí)現(xiàn)已獲取定位信息的實(shí)時(shí)更新顯示.圖4為安卓客戶(hù)端的運(yùn)行圖，界面上的房子圖片是預(yù)設(shè)的POI點(diǎn).打開(kāi)程序后，由客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)送自身MAC地址，如果定位環(huán)境中檢測(cè)到其MAC地址，返回最新的POI信息，Android則更新POI信息，否則證明客戶(hù)端不存在于室內(nèi)定位環(huán)境中.接收到POI信息，Android便不斷的發(fā)送定位請(qǐng)求，并根據(jù)服務(wù)器回傳的坐標(biāo)值實(shí)時(shí)更新其在室內(nèi)環(huán)境的坐標(biāo).

圖4 安卓客戶(hù)端實(shí)做運(yùn)行圖——實(shí)時(shí)定位

當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊地圖上的POI點(diǎn)時(shí)，會(huì)彈出該點(diǎn)的簡(jiǎn)介，當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊該簡(jiǎn)介時(shí)，進(jìn)入到該點(diǎn)的詳細(xì)信息頁(yè)面，詳細(xì)信息是服務(wù)器傳給Android初始時(shí)請(qǐng)求到的POI信息.客戶(hù)端運(yùn)行圖如圖5.

圖5 安卓客戶(hù)端實(shí)做運(yùn)行圖——POI顯示

6結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)闡述了將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用到人們生活中的LBS技術(shù).同時(shí)，通過(guò)對(duì)比分析了幾種較為常見(jiàn)的室內(nèi)定位解決方案，發(fā)現(xiàn)了基于WLAN提供的室內(nèi)定位解決方案具備的眾多優(yōu)勢(shì).通過(guò)橫向比較WLAN定位的幾種算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的室內(nèi)定位系統(tǒng).系統(tǒng)由AP臺(tái)、服務(wù)器以及定位終端三部分組成，利用了建立預(yù)測(cè)模型和進(jìn)行指紋匹配的算法思想，經(jīng)過(guò)基于實(shí)地環(huán)境的應(yīng)用開(kāi)發(fā)與測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了2米以?xún)?nèi)誤差的室內(nèi)定位系統(tǒng)，并加入了模擬的信息服務(wù)提供機(jī)制，從而為系統(tǒng)后期的實(shí)用性擴(kuò)展提供了接口.

〔1〕胡先智,吳強(qiáng),梁艷.一種基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用,2013(10).

〔2〕王佶,單康康,張華,朱生,常曉 潔,江 肖強(qiáng).基于W i-Fi室 內(nèi)定位的校園信息服務(wù)平臺(tái)研究[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代,2013(4).

〔2〕胡秋明.WiFi環(huán)境 下的無(wú)線(xiàn)定 位技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)光 盤(pán)軟件與應(yīng)用,2013(23).

TP393.1

A

1673-260X（2014）06-0023-03

2013年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201310520061）