基于改進型KNN算法和Android平臺的室內定位技術研究

李昂　肖甫　李雷

摘 要：通過分析基于WiFi定位的傳統(tǒng)位置指紋算法的不足之處，文中提出了一種旨在提高精度并減小計算復雜度的改進型KNN算法。通過Android平臺對該算法進行實現(xiàn)和測試，分析比較K的取值、AP的位置及數(shù)量等因素對定位精度的影響。測試結果表明，該算法不但能夠保證位置指紋室內定位的精度，還能有效減小計算復雜度，具有一定的可行性。

關鍵詞：精度；計算復雜度；改進型KNN算法；Android平臺

中圖分類號：TP301；TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-05

0 引 言

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)應用的快速發(fā)展，人們在室內停留的時間越來越多，室內位置信息對人們的日常生活愈加重要，因此人們對室內定位有著愈發(fā)強烈的需求[1-3]。由于利用GPS和AGPS這兩種定位方式進行室內定位時，信號會受到各種障礙物的遮擋[4]，因此亟待出現(xiàn)新型的室內定位方式。

隨著無線局域網(wǎng)絡（Wireless Local Area Networks，WLAN）遍布各地，智能手機和平板電腦等個人電子設備發(fā)展迅速，這些設備幾乎都使用WiFi連接網(wǎng)絡，用戶可使用WiFi進行定位[5-7]。iOS，Android和WP是目前三大主流移動操作系統(tǒng)。其中，Android系統(tǒng)所占的市場份額日益增大，因此完全可以選擇Android系統(tǒng)作為載體，設計基于WiFi的室內定位系統(tǒng)[8-11]。本文基于Android平臺設計了一種基于改進的位置指紋算法，首先收集采樣點的信號強度值信息，并將其保存到數(shù)據(jù)庫中，然后將定位時的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫相互對比進行估算，得到所要定位的坐標信息。

1 基于WiFi的室內定位技術簡介

雖然目前實現(xiàn)WiFi室內定位的方法有很多，但主要使用基于測距的定位方法。其中基于RSSI的定位方法最受關注[12-16]?；赗SSI的定位算法流程如圖1所示。

2 傳統(tǒng)位置指紋定位技術

目前，在研究基于WiFi的室內定位時，位置指紋定位技術使用較多[17-21]，受到了廣泛關注。

2.1 技術原理

基于位置指紋定位算法的原理圖如圖2所示。

從圖2可以看出，位置指紋定位算法主要包括離線工作階段和在線工作階段。離線階段即數(shù)據(jù)收集階段，首先選擇一個區(qū)域，從中選取多個采樣點，然后收集這些點WiFi信號的強度值RSSI，并將其作為位置指紋保存到指紋數(shù)據(jù)庫中。在這個指紋數(shù)據(jù)庫中，每個指紋都由一組RSSI值組成，且對應一個位置坐標。在線階段即定位階段，將待測目標定位的信息與指紋庫進行匹配，最后估算出當前位置坐標，完成定位[22]。在WiFi環(huán)境下，使用位置指紋定位算法RSSI定位工作過程如圖3所示。

在選取的定位區(qū)域中，l個采樣點可以收集n個RSSI值來表示一個指紋，遍歷所有采樣點并獲得各自的RSSI值，保存于指紋庫中。指紋庫內容如式（1）所示：

其中：RSSIji表示在第i個采樣點所測的WiFi信號的第j個RSSI值；FPi=（RSSI1i，RSSI2i，…，RSSImi）表示任意一個位置的指紋數(shù)據(jù)，同時該指紋數(shù)據(jù)也可用坐標（x，y）表示。因此，指紋數(shù)據(jù)與坐標相互對應，其坐標如式（2）所示：

位置指紋數(shù)據(jù)庫由式（1）和式（2）共同組成。

除了在離線階段創(chuàng)建一個比較準確的指紋數(shù)據(jù)庫，在線階段指紋庫的匹配算法也十分重要[23]。常用的匹配算法有最近鄰法、K近鄰法和加權K近鄰法。

（1）最近鄰算法（NN）

最近鄰算法是一種比較常用的匹配算法，當待測目標進入定位所選區(qū)域時，可獲得一個相關的指紋信息lf=（RSSI1，RSSI2，…，RSSIn），然后將這個指紋信息與指紋數(shù)據(jù)庫中的信息相匹配，再算出它們之間的距離，其距離如式（3）所示[24，25]，其中距離最小也就是相似度最大指紋信息min（d（lf，F(xiàn)Pi）），即待測目標的位置。

式中：RSSIj和RSSIji分別為定位點和指紋點的強度值；n是WiFi信號的個數(shù)。

最近鄰算法操作十分簡單，且容易實現(xiàn)，但是其可選擇的參考點較為單一，定位時容易產生誤差，精度不高。

（2）K近鄰算法（KNN）

相較于最近鄰算法，K近鄰算法可選擇的參考點有所增多。匹配待測目標的指紋信息，并找出與指紋數(shù)據(jù)庫中最近鄰的K（K>2）個指紋信息，通過計算坐標的平均值就可以估算出待測目標的位置，其位置如式（4）所示[26，27]：

式中：（xi，yi）是被選擇的第i個指紋數(shù)據(jù)庫中的信息所對應的坐標。

（3）加權K 近鄰法（WKNN）

加權K近鄰法是對K近鄰法的一種改進。K近鄰法選取的K個最小距離對最后的定位結果貢獻相同，取平均值，但距離越小對定位結果坐標的貢獻越大。因此，對所取的K個最小距離進行權值分配，距離越小，權值越大。K個權值ωk之和為1。ωk可自行設定，也可由式（5）計算得出[28，29]：

2.2 技術性能與存在的問題

當前的位置指紋算法雖然可以實現(xiàn)室內定位，但該算法依然存在一些問題，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）算法模型過于簡單，僅能滿足較為簡單的室內環(huán)境的定位要求。當室內環(huán)境較為復雜，如家具等陳設較多、有移動物體或人走動時，該傳統(tǒng)算法的定位精度無法滿足要求。

（2）該算法在線工作階段的運算量較大，尤其當AP個數(shù)較多或K取值較大時，運算量急劇增長，無疑增加了該算法的運行成本和復雜度。

3 一種改進的KNN算法

考慮到上述傳統(tǒng)位置指紋算法存在的問題，對傳統(tǒng)位置指紋算法作如下改進：

（1）面對更復雜的室內環(huán)境，應當建立更加符合實際的模型。傳統(tǒng)位置指紋算法的模型主要采用MK模型，如式（6）所示：

L（d）=L+10nlgd+NωLω+NfLf （6）

其中：L表示距離發(fā)射端1 m處的傳播損耗；n是路徑傳播損耗系數(shù)；d是發(fā)射端到接收端的距離；Nω和Nf分別是傳播路徑上穿過的墻壁和地板個數(shù)；Lω和Lf 分別是墻壁和地板的損耗系數(shù)?？梢?，傳統(tǒng)模型對于室內環(huán)境只考慮了墻壁和地板，而對于更復雜的情況沒有考慮。

因此提出一種新的更符合實際的模型，充分考慮了除墻壁和地板外包括人在內的其他障礙物，如式（7）所示：

式（7）與式（6）的不同之處在于最后一項，假設共有m種障礙物，Pi表示遇到第i種障礙物的概率，可以通過最小二乘法計算得出；Ni表示穿過第i種障礙物的個數(shù)，Li表示第i種障礙物的損耗系數(shù)。

（2）針對運算量較大的問題，提出一種減少運算復雜度的新方法。經試驗證明，在RSSI算法中，信號強度的衰減速度與傳輸距離成指數(shù)關系，即距離小時衰減快，距離大時衰減慢。尤其當?shù)竭_一定距離后，其衰減速度趨于平緩，即信號強度變化較小。因此，如果按照傳統(tǒng)KNN算法讓所有的RSSI值都參與到計算中，勢必會造成較大的冗余開銷。

基于上述現(xiàn)象，需確定一個距離閾值，大于該距離時RSSI變化較小，可以舍棄，而小于該距離時則為有效點，應予以采納。由此可較大程度地減小運算量。在實際仿真中發(fā)現(xiàn)，該門限距離取8 m和10 m時定位精度差距不大，但運算量減小了約50%。

對于運算和精度有同樣重要影響的還有AP的個數(shù)與算法中K的取值。仿真試驗表明，AP的個數(shù)對于精度和運算量影響巨大。當AP數(shù)量增加且分布較均勻時，定位的精度較高，但同時運算量較大。而K的取值對于精度和運算量的影響則呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，并非K的取值越大精度越高。因此，AP的個數(shù)與K的取值應當在精度和運算量之間權衡。

綜合上述兩個方面的改進，本文提出了一種用于室內定位的改進KNN算法。

4 改進KNN算法的Android實現(xiàn)與測試

本文所設計的定位系統(tǒng)包括收集部分和定位部分，客戶端為Android移動端APP，在運行時用戶首先通過收集模塊將采樣點信號的信息提交給數(shù)據(jù)庫，然后定位時將定位信息與數(shù)據(jù)庫進行匹配，即可估算出位置。這款軟件的理論設計內容如圖4所示。

4.1 實現(xiàn)

（1）收集模塊設計

當位置指紋定位算法處于離線收集階段時，首先需要選取合適的區(qū)域進行信息收集，理論上需要在選取的區(qū)域內放置4個無線路由器，其WiFi信號的強度值RSSI比較穩(wěn)定，測試結果誤差較小，但本文的收集模塊選用4個隨機WiFi信號以及各自對應的強度值作為參考點。然后在區(qū)域內選取若干個采樣點，其位置已知，將檢測到的每個采樣點的4種信號強度值均放入創(chuàng)建的指紋數(shù)據(jù)庫中，此時指紋庫中的每個采樣點將由一系列RSSI值組成[30]。如果此時的室內環(huán)境發(fā)生變化，那么RSSI值也將發(fā)生變化且定位出現(xiàn)誤差[31]。收集模塊流程如圖5所示。

（2）定位模塊設計

當位置指紋定位算法處于在線定位階段時，首先獲取待測目標位置的RSSI值，然后使用本文提出的改進KNN算法即可估算出待測目標的位置。定位模塊流程如圖6所示。

（3）指紋數(shù)據(jù)庫設計

考慮到數(shù)據(jù)量并不龐大，因此選擇SQLite數(shù)據(jù)庫。創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫如圖7所示。

4.2 測試方案與結果分析

（1）測試方案

在本次測試中選取了C104，C108，C112三間教室和大廳作為測試場地。

在這三間教室中，C112面積最大，約10 m×10 m；C104與C108面積較小且相近，約7 m×7 m；而大廳面積與C112相近，但較為空曠，如圖8、圖9所示。計劃每間教室分別選取4個角落位置作為采樣點，三間教室共12個采樣點；而大廳內計劃選取6個采樣點，如圖10所示。本測試主要檢測在面積大小、AP個數(shù)、K取值和室內環(huán)境均不相同的條件下，所提出的改進KNN算法的性能。

（2）測試結果

教室C104，C108和C112測試結果見表1所列。

從表1可知，由教室C104和C108所測得的4組數(shù)據(jù)的誤差系數(shù)明顯小于C112的數(shù)據(jù)。

教室C108內有人時的測試結果見表2所列。

由表2可知，相較于無干擾時的結果，有干擾時得出的定位誤差系數(shù)大，即誤差較大。大廳測試結果見表3所列。

由表3可知，相較于環(huán)境復雜的教室，在較為空曠的大廳所獲得的誤差系數(shù)較小，較準確。

（3）測試結果分析

a.同一間教室有無干擾時的結果對比分析

根據(jù)在教室C108測得的兩組數(shù)據(jù)，對采樣點的真實位置和定位結果進行對比分析，如圖11所示。

在圖11中，實心圓表示采樣點的真實位置，空心圓表示教室內無干擾時定位的結果，空心三角形表示教室內有干擾時定位的結果。真實位置和定位結果兩點相連，其連線直觀地顯示了兩點間的差距，這種差距即定位誤差。相較于教室內有干擾時的定位結果，無干擾時產生的誤差明顯較小。

b.大小相近的教室與空曠空間的結果對比分析

在教室測試的數(shù)據(jù)里隨機抽取6組并與在大廳測試的數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖12所示。

在圖12中，折線1表示教室內采樣點的測試誤差系數(shù)，折線2表示大廳內采樣點的測試誤差系數(shù)?？梢院苊黠@地看出，折線1的誤差系數(shù)整體比折線2大，因此，在大廳內產生的誤差較小。

5 結 語

本文針對基于WiFi的室內定位常用的傳統(tǒng)KNN算法中存在的問題，提出了一種改進型KNN算法，在面對更復雜的室內環(huán)境時可以保證精度，并有效降低運算復雜度?；贏ndroid平臺對這一改進算法進行了實現(xiàn)和測試，測試結果表明，該算法達到了預期效果，具有一定的可行性。

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