畢業(yè)設計基于wifi的室內定位系統(tǒng)設計

1、  本 科 畢 業(yè) 論 文 題 目基于wifi的室內定位系統(tǒng)設計學生姓名xx學 號x專 業(yè)電子信息工程班 級x指導教師xx 2012 年 4 月摘 要本文設計及實現了一個基于 wifi 射頻信號強度指紋匹配的移動終端定位系統(tǒng)，并設計實 現了一種基于權重值選擇的定位算法。該算法為每個掃描到的 ap 的 rssi 設定了選擇區(qū)間，指 紋庫中落在此區(qū)間的所有位置點設平均權值， 最后選取權重值最大者為待定位點的位置估計， 如 有相同權重值，則比較信號強度距離，取最小者，這種算法在一定程度上克服了 rssi 信號隨機 抖動對定位的影響，提高了定位的穩(wěn)定性和精度。經

2、實驗測試，此系統(tǒng)在 4 米范圍內具有良好的 定位效果?？刹渴鹪谡桂^、校園、公園等公共場所，為客戶提供定位導航服務。定位算法運行于 服務端，客戶端為配備 wifi 模塊的 android 手機。借助該定位系統(tǒng)，基于 android 系統(tǒng)的移動終端可方便地查詢自身位置，并獲取各種基于位置服務。 關鍵詞: 接收信號強度；無線室內定位；射頻指紋；android 操作系統(tǒng) abstractthis paper designs and implements an indoor location system based on wifi for mobile user with android handse

3、t. a locating arithmetic based on weight-select is introduced to filter the random noise of rssi. for each location in radio map, a weight is set if the rssi of the ap scanned is in the interval preset. then max-weighted location or the min-rssi-distance among them will be selected as the estimated

4、position. according to experiments, 4-metre locating precision is available. it can be used for locating and navigating in such scene as exhibition center, campus, park, and so on. users equipped with android handset could get its location and some intelligent services. it is also an open and extens

5、ible system. some locating arithmetic also could be tested on this system. key words: received signal strength, wireless indoor locating, radio map, android operating system目 錄第一章 緒 論61.1關于位置信息確定的意義及方法61.1.1位置信息確定的意義及方法61.1.2本文主要介紹的定位系統(tǒng)71.2本文的主要研究內容以及各章安排71.2.1主要內容71.2.2本文安排7第二章 目前主要定位方式及各種測量方法82.1

6、gps定位系統(tǒng)介紹82.1.1gps的發(fā)展82.1.2 gps國內外動態(tài)102.2 wifi定位技術112.2.1 wifi的利用原理112.2.2定位需要兩個先決條件122.3定位運用的各種測量方法122.3.1 通過傳播時間測量方法132.3.2信號衰減測量方法132.3.3改進的toa算法132.4本章總結14第三章無線定位系統(tǒng)和物聯(lián)定位系統(tǒng)的介紹143.1無線定位系統(tǒng)方案143.1.1系統(tǒng)方案143.1.2特點與指標163.2 locatesys物聯(lián)定位系統(tǒng)173.2.1系統(tǒng)概述173.2.2工作原理183.2.3特點與指標183.2.4產品資料193.2.5應用領域213.3 本章總

7、結21第四章基于 wifi 的室內定位系統(tǒng)設計與實現214.1系統(tǒng)設計214.2系統(tǒng)的實現234.2.1客戶端設計234.2.4. activity 生命周期244.2.5獲取周邊 ap 信號強度254.3 程序流程264.4. 服務端軟件設計274.4.1. web 服務器274.4.2. 定位服務器284.5.客戶端與服務端通信284.6. 2算法描述314.6. 3算法分析314. 7實驗324.7. 1實驗過程324.7.2. 實驗結果334.8. 總結33致謝34參考文獻35第一章 緒 論1.1關于位置信息確定的意義及方法1.1.1位置信息確定的意義及方法位置信息在人們的日常生活中扮

8、演著重要的作用。在郊外、展覽館、公園等陌生環(huán)境 中，使用定位導航信息可為觀眾游覽提供更便 捷的服務；在倉儲物流過程中，對物品進行實時定位跟蹤將大大提高工作效率；在監(jiān)獄環(huán)境中，及時準確地掌握相關人員的位置信息，有助于提高安全管理水平，簡化監(jiān)獄管理工作。 目前全球定位系統(tǒng)（ gps ， global positioning system）是獲取室外環(huán)境位置信息基金資助：國家自然基金(60873244、60973310、60772070)、北 京自然基金(4102059) 聯(lián)系作者：雷地球，e-mail：leidiqiu 的最常用方式。近年來，隨著無線移動通信技術的快速發(fā)展，gps 和蜂窩網絡相結合

9、的 a-gps（assisted global positioning system）定 1 位方式在緊急救援和各種基于位置服務 （lbs，location-based services）中逐漸得到了應用。但由于衛(wèi)星信號容易受到各種障礙物遮擋，gps/apgs 等衛(wèi)星定位技術并不適用于室內或高樓林立的場合，目前無線室內定位 術迅速發(fā)展，已成為 gps 的有力補充。 一般來講， 使用無線信號強度獲取目標位置信息的過程，就是建立無線信號強度和位置信息穩(wěn)定映射關系的過程。 現有室內無線定位系統(tǒng)主要采用紅外、超聲波 2 、藍牙、wifi （wireless fidelity） 、rfid（radio

10、frequency identification）等短距離無線技術。其中基wifi網絡的無線定位技術由于部署廣泛且低成本較低，因此備受關注3,4。其中由微軟開發(fā)的 radar 系統(tǒng)是最早的基于wifi 網絡的定位系統(tǒng)。它采用射頻指紋匹配方法，從指紋庫中查找最接近的 k個鄰居，取它們坐標的平 5 均作為坐標估計。而文獻介紹的室內定位系統(tǒng)則基于rssi 信號的統(tǒng)計特性，采用貝葉斯公式，通過計算目標位置的后驗概率分布，來進行定位。1.1.2本文主要介紹的定位系統(tǒng) 本文同樣基于wifi 網絡，設計和實現了 一種無線室內定位系統(tǒng)， 但與上述定位方法不同，本文采用了基于權值選擇的定位算法，在一定程度上減少

11、了rss.信號隨機變化引起的定位誤差，實驗結果表明，該系統(tǒng)可獲得較好的定位精度（4 米）。 1.2本文的主要研究內容以及各章安排1.2.1主要內容本文研究內容為將具有wifi模塊是android手機作為客戶端、服務端、定位算法進行定位確定。1.2.2本文安排第一章 緒 論第二章 目前主要定位方式及各種測量方法第三章 無線定位系統(tǒng)和物聯(lián)定位系統(tǒng)的介紹第四章 基于 wifi 的室內定位系統(tǒng)設計與實現第二章 目前主要定位方式及各種測量方法2.1 gps定位系統(tǒng)介紹2.1.1gps的發(fā)展隨著 gps 定位技術的發(fā)展，gps 技術已經超越了初始的設計目標。最主要的突破是人們提出了差分 gps 定位技術。

12、差分 gps 定位技術分為局域差分 gps 定位技術和廣域差分 gps 定位技術。局域差分 gps 實時定位技術是由基準站、數據通訊鏈路和用戶站組成。基準站和用戶站間隔在一定范圍內(一般不超過 150km)并同步觀測相同的 gps 衛(wèi)星。對于同一衛(wèi)星同一歷元的觀測值，基準站和用戶站包含幾乎相同的誤差。因此，在基準站計算出每一顆 gps 衛(wèi)星的誤差改正信息后，通過數據通訊鏈路傳輸至用戶站，用戶站對觀測值進行改正，即可提高定位精度。一般用戶站定位精度約為 1- 5m。由于基準站和用戶站的誤差相關性與它們之間的距離有關，因而用戶站定位精度的改善在很大程度上受到基準站和用戶站之間的距離限制（葉世榕，2

13、002）。廣域差分 gps 技術的基本思想是對 gps 的衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差及電離層延遲等主要誤差源加以區(qū)分，并單獨對每一個誤差源分別加以“模型化”，計算其誤差修正值，然后將計算出的每一誤差源的數值通過數據通訊鏈傳輸給用戶，以對用戶 gps 接收機的觀測值誤差加以改正，達到削弱這些誤差源改善用戶定位精度的目的。因而在廣域差分 gps 系統(tǒng)中，只要數據鏈路有足夠能力，基準站和用戶站間的距離原則上是沒有限制的 。在一般情況下，廣域差分 gps 的定位精度在1000- 1500km 的范圍內約為 1- 5m。局域差分和廣域差分 gps 定位技術顯然還無法滿足高精度測量的要求。長期以來，人們在利用

14、載波相位觀測值進行定位方面做了大量的卓有成效的研究工作，其中載波相位相對定位技術得到了廣泛的應用。類似于碼差分定位技術，載波相位相對定位采用兩臺及以上的接收機進行同步觀測。靜態(tài)相對定位的精度一般可以達到厘米級或毫米級。在動態(tài)定位方面，人們又提出了rtk 技術。它是一種實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。載波相位差分可分為兩類：一類是修正法，另一類是差分法。所謂修正法，即將基準站的載波相位修正值發(fā)送給用戶，以改正用戶接收到的載波相位，再求解坐標。所謂差分法即是將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶，進行求差解算坐標（徐紹銓，2003）。對于單基準站動態(tài)定位，一般要求基準站和用戶站之間的距離為 1

15、0- 15km，定位的精度為厘米級。為了不受距離的限制，人們又提出了多基準站rtk，虛擬參考站（vrs）等技術，利用這些技術在 5070 公里內可實現厘米級實時動態(tài)定位（葉世榕,2002）。載波相位相對定位雖然可以達到很高的精度，但通常要受到測站間距離的限制。對于有些應用如精密的海洋劃界，精密海洋工程等，原有的定位手段無法滿足需求，需要尋求新的定位方式或技術（劉焱雄，2005）。精密單點定位（precise point positioning,ppp）這一概念首先由美國噴氣推進實驗室(jpl)的 zumberge 等人于 1997 年提出(zumberge，1997) 在他們開發(fā)的數據處理軟件

16、 gipsy 上給予實現。精密單點定位是一種利 ，用衛(wèi)星精密星歷和衛(wèi)星鐘鐘差數據，以及雙頻碼和載波相位觀測值，采用非差模型進行精密單點定位的方法。非差定位模式和其它差分模式相比具有很多優(yōu)點：可用觀測值多；保留了所有觀測信息；能直接得到測站坐標；測站和測站之間沒有距離限制；各接收機不需同步觀測。精密單點定位由于只需要一臺接收機就能工作，還具有數據采集簡單，效率高，費用省等優(yōu)點。而且可以得到全球一致的厘米級的定位精度。精密單點定位的精度在很大程度上依賴于精密星歷和衛(wèi)星鐘鐘差的精度。igs 所提供的優(yōu)于 5cm的 gps 衛(wèi)星精密軌道和優(yōu)于 0.1ns 的精密衛(wèi)星鐘鐘差數據為精密單點定位技術的出現奠

17、定了基礎。當前的精密單點定位技術的實現主要是基于gps 觀測數據。但 gps 作為一種基于衛(wèi)星的定位技術，系統(tǒng)的可用性、定位結果的可靠性和精度在很大程度上取決于觀測到的衛(wèi)星的數量。在有些場合，如城市峽谷、露天礦區(qū)域和山區(qū)，可見衛(wèi)星的數量往往是不夠的。增加系統(tǒng)的可用性和可靠性的一個可行的辦法是組合 gps 和 glonass。目前，glonass 系統(tǒng)正在改變以前衛(wèi)星數量嚴重不足的局面，已經有 16 顆衛(wèi)星在軌運行而且根據 glonass 系統(tǒng)的現代化計劃，glonass 衛(wèi)星星座很快將擁有 24 顆工作衛(wèi)星，這就為 gps 和 glonass 兩種系統(tǒng)的組合提供了基礎。由于更多的衛(wèi)星資源能被使

18、用以及由此改善的系統(tǒng)可用性，可靠性和定位精度，組合的 gps/glonass 精密單點定位將具有更廣闊的應用前景。2.1.2 gps國內外動態(tài)精密單點定位這一概念最初是由 jpl 的zumberge 等人于 1997 年提出并在他們開發(fā)的數據處理軟件 gipsy 上給予實現。它是一種利用高精度的 gps 衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘鐘差數據以及雙頻碼和載波相位觀測值采用非差模型進行精密單點定位的方法，其單天解的精度為：水平方向±1cm，高程方向為±2cm(zumberge，1997)。還有人提出了全球實時動態(tài)精密單點定位技術。利用非差雙頻載波相位觀測值，在經過一段時間初始化后進行單歷元

19、實時動態(tài)精密單點定位。試驗結果表明平面位置的定位精度為±（1020）cm. 加拿大卡爾加里大學提出了精密單點定位 p1- p2- cp 模型，該模型不像傳統(tǒng)模型那樣在碼和碼之間形成消電離層組合，而是在相位和碼之間形成消電離層組合，試驗結果證明，該模型比傳統(tǒng)模型具有更好的性能。gao 等也研究了在各種動態(tài)環(huán)境下，使用實時精密星歷和衛(wèi)星鐘產品精密單點定位的性能。試驗結果表明厘米級的定位精度是可以獲得的。gao科研小組還研究開發(fā)了商業(yè)化的精密單點定位軟件(p3)。除此之外，由code 研制的著名的 gps 數據處理軟件 bernese 在 4.2 版本中增加了用非差載波相位觀測值進行精密單

20、點定位的功能。國際上從事非差gps 數據處理研究的機構除了 code，還有jpl、gfz、nrcan 等。jpl 研制了基于平方根濾波方法，采用非差觀測值的定軌、定位軟件 gipsy。德國的 gfz則研制了基于最小二乘估計的非差相位定軌和定位軟件 epos。nrcan 的heroux 等人也研究了采用非差相位進行精密單點定位的方法。國內學者也對精密單點定位技術進行了深入研究。武漢大學葉世榕在博士論文中利用自行研制的定位軟件進行了試算。單天解的精度為：緯度方向優(yōu)于 1cm，經度方向優(yōu)于2cm，高程方向優(yōu)于3cm。動態(tài)定位時初始化時間約為 15min，初始化后單歷元解的精度在緯度經度和高程方向的精

21、度均優(yōu)于 20cm,大部分解的精度優(yōu)于 10cm。利用 gps 的精密預報星歷和實時衛(wèi)星鐘差計算得到的實時動態(tài)定位的精度為40cm（葉世榕,2002）。武漢大學張小紅教授也對精密單點定位進行了深入研究。張獨立研發(fā)了后處理精密單點定位軟件 - trip，并成功的將其應用于航空測量，試驗結果表明采用精密單點定位技術可以獲得幾個厘米的動態(tài)定位精度。香港理工大學比較了非差，衛(wèi)星間單差，歷元間單差，歷元衛(wèi)星間差，四種不同單點定位差分模型的定位精度和其他指標。宋偉偉等研究了精密單點定位中周跳探測與修復的方法（宋偉偉，2007）。目前對于gpss 單點定位的研究主要還是采用測碼偽距觀測值，因而定位精度在米級

22、。要想達到厘米級的定位精度，必須進行基于載波相位觀測數據的精密單點定位。2.2 wifi定位技術做這項技術是由一家成立于2003年叫skyhook wireless(2.2.1 wifi的利用原理1），wifi熱點（也就是ap，或者無線路由器）越來越多，在城市中更趨向于空間任何一點都能接收到至少一個ap的信號。（在美國，每個點收到3、5個ap信號的情況相當多見。中國也會越來越多的） 2），熱點只要通電，不管它怎么加密的，都一定會向周圍發(fā)射信號。信號中包含此熱點的唯一全球id。即使距離此熱點比較遠，無法建立連接，但還是可以偵聽到它的存在。 3），熱點一般都是很少變位置的，比較固定。  

23、     這樣，定位端只要偵聽一下附近都有哪些熱點，檢測一下每個熱點的信號強弱，然后把這些信息發(fā)送給網絡上的skyhook的服務器。服務器根據這些信息，查詢每個熱點在數據庫里記錄的坐標，然后進行運算，就能知道客戶端的具體位置了，最后坐標告訴客戶端。容易理解的是，收到的ap信號越多，定位就會越準2.2.2定位需要兩個先決條件1），客戶端能上網 2），偵聽到的熱點的坐標在skyhook的數據庫里有 第一條不消說了，不管是wifi還是edge，只要能連上skyhook的服務器就行。第二條是skyhook的金礦所在。對于skyhook如何知道每個ap的坐標信息有

24、兩種說法：1. 有一種說法是靠網友自己搜集，然后發(fā)給skyhook，skyhook會付錢。   2. 不過官方網站上的說法是開著車滿大街轉悠，邊走邊采集ap信號，并用gps定位，從而就有了坐標信息。而且他們會定期重新開車采集數據，以適應熱點的變化。相對之下，第2條更靠譜，而且成本并不高。比方說采集北京，設備上一個帶gps和wifi的pda足以，然后裝到出租車上，每月給司機200、300的，讓他就正常拉客人。只要有3、5個司機合作，數據就采集下來了，并不斷地更新。司機也一定會很樂呵，這純粹是無成本的額外收入呀，還能享受一下gps。所以現階段在大陸地區(qū)只有北京能用，不知道在中國

25、有沒有其他網絡應用可以實現wifi定位。wifi定位精度比gps要低，受服務范圍限制，而且沒有方向、速度等數據，不能導航，更不能離線使用。不過它有比gps更優(yōu)越的地方，就是在人口、樓群越密集的地方，使用的效果會更好。gps啟動時間長，在室內是無效的，天氣不好的時候表現也欠佳，樓群太密集的地方也不太好用。而這些因素都被wifi定位克服了。2.3定位運用的各種測量方法2.3.1 通過傳播時間測量方法它通過在已知傳播速度的情況下，無線電波傳播的距離與它傳播的時間成正比。但上述方法存在兩個問題，影響了方法的使用性：第一是時鐘精度。 因為藍牙信號的傳播速度很快，又考慮到各種延遲，所以為了減小測量誤差必須

26、使用高精度的時鐘，時間單位采用ns，這對硬件的要求過高，不實用。第二是時鐘同步。 參與同一個定位過程的參考點之間必須保證時鐘的同步，這樣才能保證測量結果的正確性和精度。2.3.2信號衰減測量方法在理想的傳播環(huán)境下，無線信號的衰減與1r2成正比(其中r為傳播距離)。但實際上，無線信號在空間傳播時能量的衰減是多種因素共同作用的結果，而不單單與傳播距離有關。在一個地形地物較為復雜的環(huán)境中，無線信號傳播時的衰減會受到反射、折射、多徑效應等多種因素的影響，所以這種利用能量衰減測量距離的方法不如傳播時間測量方法精度高。2.3.3改進的toa算法從可行性和精度兩個方面綜合考慮之后，我們決定采用依靠經驗的定位

27、方法：它同樣是基于無線電波能量來定位的，不同的是它不是根據能量衰減與距離平方的正比關系來計算距離，而是通過一個數據庫來記錄一定數量的參考位置的信號強度，然后把待測物體檢測到的信號強度與之相比而得到待測物體的信號強度。如果參考位置足夠多的話，這種方法具有很好的精度，并且不受實際地理位置的影響，因為參考位置正是從實際的測量中來的。這種方法的一個缺陷是它要求每次實施時要測量大量的參考位置上的信號強度，并且隨著時間推移，地理環(huán)境必定會有所改變，這時又要對所有的參考位置重新進行測量。如圖4所示，系統(tǒng)從檢測到的有效藍牙點(通過id判斷)選取三個點利用圖3所示方法定位。我們檢測到的信號強度值在263230，

28、隨著距離增大而減小，但不是線性變化。通過數據分析發(fā)現03 m，36 m，69 m區(qū)間內可以近似成三個線性區(qū)間。于是分別測量并統(tǒng)計了一些藍牙點0，3，6，9 m的信號強度值，用來輔助計算。藍牙信號強度數據擬合結果如圖5所示。2.4本章總結本章介紹gps相關內容以及常用的幾種距離算法第三章無線定位系統(tǒng)和物聯(lián)定位系統(tǒng)的介紹3.1無線定位系統(tǒng)方案3.1.1系統(tǒng)方案系統(tǒng)包含三部分：定位標簽、定位傳感器和定位引擎軟件。其中：定位標簽由電池供電，在定位傳感器信號覆蓋的范圍內自由移動，發(fā)射和接收css射頻信號，測量與傳感器之間的距離；定位傳感器位置固定，能夠與標簽進行通訊，對標簽進行測距和控制。同時定位傳感器

29、還負責組網和數據通信，回傳系統(tǒng)數據給定位軟件平臺；定位引擎軟件管理所有的傳感器和標簽，獲取、分析并傳輸位置信息給用戶和其他相關信息系統(tǒng)。并可對整個系統(tǒng)進行網絡和性能配置。圖1典型的系統(tǒng)配置結構圖圖2 多樓層無縫定位示意圖3.1.2特點與指標(1) 物聯(lián)（脈沖）定位系統(tǒng)的性能指標最高精度達 60cm的實時 2d 定位，數據刷新率達到 5hz；一般定位精度1-2米。支持 2.4g ism 通訊頻段的定位信號處理，功耗低于 100mw；工業(yè)級設計，溫度為-2060度，ip65防護等級；擴展組網通信：傳感器與標簽之間的典型通訊距離為60米（視實際情況會有所不同），區(qū)域感知范圍為60米，一維定位長度為6

30、0米，二維定位面積大小為40米x40米；（2）超寬帶射頻技術uwb定位技術指標物三維位置信息，并通知監(jiān)控中心。蜂窩狀子區(qū)域定位管理，能夠覆蓋無限空間范圍內的人、物。能對人員的位置、行進路線、距離、速度進行監(jiān)控與統(tǒng)計。 支持2d/3d 定位，在3d 模式下，定位精度達到15cm。能對人員的停留時間、地點到達次數等數據進行分析。根據客戶的需求生成并存儲各種數據，為后場館以及客戶管理提供參考依據。（3） wifi、rfid實時定位在無線信號覆蓋區(qū)域內，標簽自動漫游。完成人員及資產實施定位跟蹤。定位精度可達3到5米，成本低，施工維護簡單。讀卡器專利技術，擴展能力強，多頻段設計，支持以太網、r

31、s485總線、wifi無線傳輸等，此外容易和gps、gprs、3g等技術整合，實現無縫定位。室外涵蓋距離： 最遠 200 米（650 英尺）室內涵蓋距離： 最遠 80 米（260 英尺）3.2 locatesys物聯(lián)定位系統(tǒng)3.2.1系統(tǒng)概述locatesys物聯(lián)定位系統(tǒng)®是采用基于線性調頻擴頻技術構建的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現1.5米以內的定位精度，這是wifi、zigbee和rfid技術所不能達到的。系統(tǒng)包含三部分：定位標簽、定位傳感器和定位引擎軟件。其中：定位標簽由電池供電，在定位傳感器信號覆蓋的范

32、圍內自由移動，發(fā)射和接收css射頻信號，測量與傳感器之間的距離；定位傳感器位置固定，能夠與標簽進行通訊，對標簽進行測距和控制。同時定位傳感器還負責組網和數據通信，回傳系統(tǒng)數據給定位軟件平臺；定位引擎軟件管理所有的傳感器和標簽，獲取、分析并傳輸位置信息給用戶和其他相關信息系統(tǒng)。并可對整個系統(tǒng)進行網絡和性能配置。典型的系統(tǒng)配置結構如圖：3.2.2工作原理在該系統(tǒng)中，標簽與傳感器之間采用對稱雙邊雙向時間同步技術（sds-twr：symmetrical double-sided two way ranging）測量直線距離，獲得標簽與多個固定位置傳感器之間的直線距離，通過專用的算法解算標簽的坐標。由于

33、采用基于時間的測距技術，確保了較高的定位精度和室內應用環(huán)境的可靠性，而通常這些室內應用極具挑戰(zhàn)性：墻壁和金屬物的反射，導致較強的多路徑效應。locatesys物聯(lián)定位系統(tǒng)通過軟硬件的專門設計大大減少了這些影響；傳感器通常按照蜂窩單元(cell)的形式進行組織，典型的劃分方式是矩形單元，附加的傳感器根據其幾何覆蓋區(qū)域進行增加；每個定位單元中，主傳感器配合其他傳感器工作，并與單元內所有檢測到位置的標簽進行通訊；通過類似于移動通訊網絡的蜂窩單元組合，能夠做到較大面積區(qū)域的覆蓋；標簽的位置通過標準以太網線發(fā)送到定位引擎軟件；定位引擎軟件將數據進行綜合，并通過api接口傳輸到外部程序或locatesys

34、定位軟件平臺，實現空間信息的處理以及信息的可視化；由于標簽能夠在不同定位單元(cell)之間移動，定位引擎軟件能夠自動在一個主傳感器和下一個主傳感器之間實現切換。在建立系統(tǒng)時，需要對整體的多單元空間結構指定參考坐標系。當標簽在參考坐標系內的多個單元中移動時，可視化模塊能夠實時顯示標簽位置。針對實際的應用，locatesys通過應用的不同環(huán)境和需求設計了滿足應用需求和物理環(huán)境的系統(tǒng)?？紤]：定位區(qū)域的幾何劃分，不同區(qū)域的定位精度要求，哪些物體附著定位標簽，哪一種速度是正常的，期望物體間產生何種的操作與交互行為，哪些是固定或未加標簽的物資，電池壽命的需求，供電的方式或以太網通訊的方式，與其他rf系統(tǒng)

35、的融合等等。3.2.3特點與指標（1）locatesys物聯(lián)定位系統(tǒng)的特點為：定位精度高：采用時間測距、專用算法和特殊的抗干擾設計； 多種應用場合：定位傳感器根據配置和部署方式的不同，可以實現區(qū)域感知、一維定位、二維定位三種不同的應用。范圍可擴展：通過多個定位單元可以擴大覆蓋范圍；部署簡單：定位傳感器之間無需時間同步；定位穩(wěn)定：采用到達時間測距技術，不受無線信號強度值變化的影響；接口豐富：軟件引擎平臺提供坐標數據通過網絡輸出接口，結合locatesys定位軟件平臺可以提供.net api接口；節(jié)能設計：標簽內置靈敏的振動傳感器，盡可能節(jié)約電能，延長使用時間。（2）locatesys物聯(lián)定位系統(tǒng)

36、的性能指標：系統(tǒng)定位精度：室內*1二維2.5米，室外*1二維1.5米；數據刷新率：1hz；標簽使用時間：1000mah電量，1hz，標簽每天工作6小時情況下，為一個月；定位數據延遲：2秒；擴展組網通信：傳感器與標簽之間的典型通訊距離為60米（視實際情況會有所不同），區(qū)域感知范圍為60米，一維定位長度為60米，二維定位面積大小為40米x40米；單元覆蓋范圍：開闊環(huán)境60米；*1室內室外均為典型環(huán)境，即沒有大型遮擋物、大面積樹木和金屬，沒有混凝土或磚墻阻隔3.2.4產品資料物聯(lián)定位傳感器wlsensor2000室內型定位傳感器。重量：350克體積：160mmx160mmx40mm安裝：螺孔固定ip

37、地址：可配置以太網：rj45接口供電：12vdc，功耗3瓦天線：外置2.4g天線，sma接頭工作頻率：ism 2.4ghz工作條件：溫度-20-60（標準）濕度 0-95% （無冷凝）物聯(lián)定位標簽標準型wlsensor2060-x重量：48克體積：70mmx45mmx18.5mm供電：鋰電池，容量650mah天線：內置2.4g天線工作頻率：ism 2.4ghz工作條件：溫度-20-60（標準）濕度 0-95% （無冷凝）物聯(lián)定位標簽擴展型wlsensor2060-ex可擴展定位標簽（帶按鍵和語音播報）重量：100克體積：94.5mmx51mmx12.5mm佩戴方式：掛繩供電：？工作時間：？天線

38、：內置2.4g天線工作頻率：ism 2.4ghz物聯(lián)定位引擎軟件wllec3.2.5應用領域locatesys物聯(lián)定位系統(tǒng)憑有著廣泛的應用領域：人員管理、資產管理、倉儲物流、自動控制、智能監(jiān)控，其中包括：人員管理：人員監(jiān)控、人員定位、醫(yī)療看護、icu 管理、病區(qū)管理；安全管理：緊急狀況和涉及限制區(qū)域的特殊場所人員管理、跟蹤；資產管理：貴重資產、車輛定位等；倉儲物流：全自動倉庫、貨物監(jiān)控；自動控制：生產自動化、機械自動化控制；智能監(jiān)控：閘口控制、人員和機械監(jiān)控等。3.3 本章總結主要介紹無線定位和物聯(lián)定位系統(tǒng)的原理、性能、特點。最后歸結于wifi的室內定位系統(tǒng)第四章基于 wifi 的室內定位系統(tǒng)

39、設計與實現4.1系統(tǒng)設計 本系統(tǒng)可為移動終端客戶在展館、商場、 校園等應用場景提供定位服務。 鑒于移動終端 受到計算能力、 存儲容量和電池電量等諸多限 制，所以僅完成簡單的信號采集工作，定位計 算由定位服務端完成。 定位系統(tǒng)的架構體系如圖 1 所示。服務端 主要負責定位計算和響應終端的定位請求?；谪撦d均衡考慮，響應位置請求的 web 服務 器和運行定位計算的定位服務器分離， 數據交 換方式采用客戶端和 web 服務器相同的數據 交換方式?？蛻舳艘栏接诰唧w對象，主要負責 采集周邊 ap 的無線信號強度，并向服務端提 交信號特征， 服務器使用客戶端采集的信號特 征進行定位計算，獲得移動終端的位置

40、估計?？蛻舳撕头斩送ㄐ挪捎脴藴实?http 協(xié) 議，編程方便，可擴展性好，客戶端程序功能 可根據需要進行擴充。圖 1 定位系統(tǒng)網絡結構圖2 為本定位系統(tǒng)的信息交互流程圖。移動終端向 web 服務器提交 get 請求，get 請 求中包含了信號強度特征向量， web 服務器收 到請求后，以同樣的方式傳達給定位服務器， 定位服務器查詢數據庫， 并進行相關的定位運 算操作，從而得到移動終端的位置估計。圖 2 移動終端與服務器間的信息交互 4.2系統(tǒng)的實現4.2.1客戶端設計 本系統(tǒng)客戶端采用 android 系統(tǒng)手機6。 android 系統(tǒng)是 google 在 2007 年發(fā)布的基于 linux

41、 平臺的開源手機操作系統(tǒng)。近年來，基 于此平臺的手機市場占有率不斷提高， 加上 其良好的開放性和豐富的 api 接口， 可以很 方便地開發(fā)各種應用程序。4.2.2. android 系統(tǒng)架構簡介android 系統(tǒng)架構見圖 3，它建立于 linux 內核之上，包含了各種設備驅動和管理模塊， 囊括了非常齊全的類庫和框架， 包括輕量級數 據庫 sqlite、瀏覽器 webkit 等。整個系統(tǒng)建 立在 dalvik 虛擬機上，應用程序使用 java 語 言編寫。android 系統(tǒng)提供了豐富的框架（活 動管理、位置管理等）來管理系統(tǒng)的軟、硬件 資源，整合了常用的應用程序（聯(lián)系人、電話 本等） ，并開

42、放了很全面的 api 供用戶使用， 整個平臺具有良好的開放性和擴展性。 圖 3 android 系統(tǒng)架構圖4.2.4. activity 生命周期 android 系統(tǒng)上運行的應用程序一般包含 一個或多個 activity，主要由活動管理器進行 管理，activity 是 android 系統(tǒng)分配和管理資 源的基本單位。每個 activity 都有其對應的生 命周期（圖 4） 。圖 4 activity 生命周期 oncreate()方法在活動開始時調用，并依 次 調 用 onstart() 方 法 和 onresume() 方 法 ， activity 處于運行狀態(tài)，如有新活動啟動，則 調用

43、 onpause()，活動轉入后臺；如內存不足，活動進程則被關閉。退出程序則會依次調用 onstop()和 ondestroy()。 活動管理器對 activity 的管理體現在不同 生命周期對以上幾個方法的調用上， 用戶可根 據自己的需要重載這幾個方法。一般來講，主 程序類繼承 activity 類，用戶的功能代碼在重 載這些方法中實現。4.2.5獲取周邊 ap 信號強度 本文采用基于射頻指紋的定位方法， 移 動終端需要獲得周圍 ap 的 rssi 指紋特征， android 系統(tǒng)提供的接口可以很方便地實現 這一功能。 參見圖 5 示例代碼片段。 首先建立包含 響 應 掃 描 結 果 的 接

44、 收 器 (reciever) 并 重 載 onreceive()方法，此方法即為收到 wifi調函數，用戶自定義功能在此實現； 再 通 過 registerreceiver()方法將 receiver 向 android 系 統(tǒng) 進 行 注 冊 ， getsystemservice() 方法用于獲得操作 wifi 設備的句柄；最后 用 startscan()方法啟動掃描，當獲得掃描結 果后，系統(tǒng)會觸發(fā)注冊的回調函數，完成用戶代碼功能。信號的回 private wifimanager wifi; private broadcastreceiver receiver; receiver = ne

45、w broadcastreceiver() public void onreceive(context context, intent intent) list<scanresult> results = wifi.getscanresults(); . /注冊回調函數 registerreceiver(receiver, new intentfilter (wifimanager.scan_results_available_action); wifi= (wifimanager) getsystemservice (context.wifi_service); /啟動掃描 wi

46、fi.startscan(); 圖 5 掃描示例代碼實驗結果表明，從給出掃描指令，至接收 到掃描結果，耗時約 400-500ms，考慮到后臺 服務器算法運算及網絡通信開銷， 定位過程耗 時將超過 500ms。 4.3 程序流程 從程序的功能來看， 客戶端需完成 3 個功 能：定期掃描并獲得周圍 ap 的信號強度指紋 特征，向服務器提交指紋特征信息，得到定位 結果后更新界面顯示。程序流程如圖 6 所示。首先程序初始化并建立更新回調函數， 獲 得 wifi 服務句柄后注冊此回調函數，最后啟 動掃描進程周期掃描，直至系統(tǒng)結束程序。其中，回調函數首先獲取掃描結果，并格式化為字符串，然后通過 get 請

47、求提交給服務端，獲得定位結果后再更新顯示界面。圖 6 程序流程圖 4.4. 服務端軟件設計4.4.1. web 服務器 web 服務器用于對外通信， 接收外界的請 求，并返回相應的位置信息。web 服務器運行 apache tomcat 6.0.20， 響應網絡的定位請求，相應的軟件設置參數 為： 在%tomcat_home%webapps 目錄下建 立目錄：exservletweb-inf，建立 web.xml 描述文件和 classes 文件夾， web.xml 文件是描 述文件，classes 存放后臺處理的類文件。 web.xml 中定義了外部引用此服務的名字 和對應的類文件，內容片段

48、如下： <servlet> <display-name>servletremotelocate</display-name> <servlet-name>servletremotelocate</servlet-name> <servlet-class>com.ldq.servletremotelocate </servlet-class> </servlet> <servlet-mapping> <servlet-name>servletremotelocate</s

49、ervlet-name> <url-pattern>/servletremotelocate</url-pattern> </servlet-mapping>圖 7 web 服務器 web.xml 代碼片段圖4.4.2. 定位服務器 定位服務器用于運行算法， 硬件配置參數 為，cpu：intel core2 duo e7500 2.93ghz，內 存：2g，網卡：marvell yukon 88e8057 pci-e gigabit ethernet controller。軟件配置參數為， 操作系統(tǒng)：windows xp professional sp

50、3，web 服務器：apache tomcat 6.0.20。相應的軟件配 置參數與 web 服務器類似，web.xml 中代碼片段見圖 8。 <servlet> <description></description> <display-name>arithmaticservlets</display-name> <servlet-name>arithmaticservlets</servlet-name> <servlet-class> com.ldq.arithmatic.arithmatics

51、ervlets </servlet-class> </servlet> <servlet-mapping> <servlet-name>arithmaticservlets</servlet-name> <url-pattern>/arithmaticservlets</url-pattern> </servlet-mapping> 圖 8 定位服務器 web.xml 代碼片段 4.5.客戶端與服務端通信客戶端與服務端都接入 internet，通過標 準的 http 協(xié)議通信，簡化設計的同時，也為

52、以后 web 方式的應用留下了設計空間。 服務端 servlet 用于響應客戶端的請求， 客戶端只需在 get 請求中提交指紋信息即可 獲得定位結果。圖9 列出了客戶端從定位服務器中獲取位置信息的 java 示例代碼。其中 url 包含了服務器的 ip 地址和 rssi 指紋信息， getconnection()方法是向服務器發(fā)出 get 請 求，服務器將返回位置信息，獲得輸入流后讀 出位置信息， 并更新界面顯示即完成整個通信 過程。由于使用 http 協(xié)議，實現方法簡單， 適用于多種編程語言。 try /建立 url 的連接: url url=new url(”http:/”); httpu

53、rlconnection con = (httpurlconnection) url.openconnection(); /如果回應 ok,則刷新,否，則不刷新 if (con.getresponsecode() = httpurlconnection.http_ok) /獲得輸入流 inputstream is = con.getinputstream(); /字節(jié)數據用于接收 byte b = new byteis.available(); /讀入到字節(jié)數組 is.read(b); /轉換成字符串 string serverresult = new string(b); /關閉流 is.c

54、lose(); /刷新或進一步處理 handler.post(update); . catch (exception e) e.printstacktrace(); 圖 9 客戶端獲取位置信息的通信示例代碼 4.6.1定位算法 由于室內環(huán)境復雜， wifi 無線信號7具有 較強的時變特性圖 10。 無線信號傳播衰減模型 8 難以很好的表征距離與信號強度間的映射 關系，本文采用基于射頻指紋匹配定位方法， 它具有較好的定位魯棒性。 圖 10 信號強度的時變特性 指紋匹配方式定位算法 9 建立在實驗數 據基礎上， 它主要包括離線訓練和在線定位兩 個階段， 其中離線訓練階段的任務是建立射頻 信號強度向

55、量和客戶端位置間的一一對應關 系，形成一個指紋庫(radio map)10，定位階段 則使用實時采集的信號強度向量去匹配訓練 階段構建的指紋庫，從而獲得目標的位置估 計。 現有的基于射頻指紋匹配定位方法主要 包括確定型和概率型兩種。 其中確定型定位算 法一般在指紋庫中選擇與實時采集的射頻指 紋距離最小的幾個點的質心作為目標的位置 估計。確定型定位算法的計算效率較高，但精 度較低。 概率型定位算法一般采用貝葉斯估計 理論，通過不同的似然函數，如基于核函數的 似然函數11，計算目標位置的后驗概率，并取 后驗概率最大的位置點作為目標的最終位置 估計。 概率型定位算法具有較高的定位精度和 定位魯棒性，

56、但計算量相對較大。 本文采用快速選擇的定位算法， 訓練階段 指紋特征采用 rssi 均值，定位階段采用逐次 累加的 rssi 均值與指紋庫匹配的方法，從而 大大降低了運算的復雜度。 4.6. 2算法描述 指紋特征采用每個 ap 的 rssi 均值，即fl =（ ap1， ap 2， ）s s k也就是， 訓練階段對同一位置點采集的每 個 ap 的多次數據取平均， 定位階段也是如此， 區(qū)別在于訓練階段采集數據多， 以便得到盡量 多的信息，定位階段采集的數據少，減少定位 延時，一定程度上提高了實時性。 指紋匹配采用快速選擇的方式。偽碼如 下：1： initialization，for each li set ei = 0； 2： for each ap： 3： select li if rssiap（rssi-，rssi+） ；4： n=count（li） ； 5： if li selected 6： ei=1/n； 7： else 8： ei=0； 9： end if 10：end for 11：return li where max（ei） ； 對每個掃描到的 ap 的 rssi 值，設定一 個選擇區(qū)間rssi-，rssi+，為多次實 驗的經驗值， 在指紋庫中查找滿足此區(qū)間范圍 的位置點，若有 n 個位置點落在