第一章  緒論 

1.1  論文研究背景與意義
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及智能移動(dòng)終端設(shè)備的普及，移動(dòng)用戶對(duì)位置感知的實(shí)時(shí)性和就地性的需求與日俱增  [1]，使得位置感知技術(shù)得到越來(lái)越多的關(guān)注。根據(jù)定位技術(shù)所應(yīng)用的環(huán)境的差異，可以把定位技術(shù)分為室內(nèi)定位和室外定位兩種。目前，室外定位系統(tǒng)主要有全球定位系統(tǒng)（GPS,  Global  Positioning System）[2]，蜂窩網(wǎng)定位系統(tǒng)[3]，A-GPS（Assisted Global Positioning System）輔助全球定位系統(tǒng)[4-5]等，在空曠的室外環(huán)境，GPS 的定位誤差已達(dá)到 10m 以?xún)?nèi)，完全可以滿足人們對(duì)日常位置信息的需求。然而，現(xiàn)有的室外定位技術(shù)并不適用于復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，因?yàn)?GPS 在室內(nèi)無(wú)法搜索到足夠的衛(wèi)星數(shù)量進(jìn)行精確定位，蜂窩網(wǎng)定位系統(tǒng)定位精度較低無(wú)法滿足需求，使得如何實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行穩(wěn)定和高精度定位成為定位技術(shù)研究的熱點(diǎn)[6]。 近年來(lái)，人們深入的研究了室內(nèi)定位技術(shù)并提出了多種解決方案[7]。主要有射頻標(biāo)簽（RFID）定位系統(tǒng)[8]、藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)[9-10]、超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)(UWB)[11-12]等。然而，這些定位系統(tǒng)都需要額外的專(zhuān)用設(shè)備、需要重新部署設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)連接并且應(yīng)用范圍較小，導(dǎo)致它們都未能得到大范圍的推廣。 自 1990 年無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)制定以來(lái)，無(wú)線局域網(wǎng)獲得快速的發(fā)展和普及[13]；基于 WLAN 具有成本低，安裝簡(jiǎn)單方便，傳輸速率快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，WLAN 被廣泛的應(yīng)用到社會(huì)的不同環(huán)境當(dāng)中，如學(xué)校、辦公大樓、醫(yī)院和家庭等�，F(xiàn)在 WLAN 幾乎已經(jīng)成為一種基本的基礎(chǔ)設(shè)施，覆蓋了人們活動(dòng)的絕大多數(shù)室內(nèi)環(huán)境。基于 RSS 的 WLAN 的定位不用添加其他裝置，僅通過(guò)純軟件編碼便可以在任何一款內(nèi)置無(wú)線模塊的智能移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)定位，且利用指紋法可以有效的降低多徑傳播和陰影衰落對(duì)定位系統(tǒng)的影響，成為本文研究的出發(fā)點(diǎn)[14]。目前，WLAN 指紋室內(nèi)定位技術(shù)仍不成熟，推廣前還有許多問(wèn)題需要解決。例如，離線階段工作量大、實(shí)時(shí)性較差、系統(tǒng)的普適性低等。本文圍繞如何降低終端差異對(duì) WLAN 指紋定位系統(tǒng)的影響，提高定位系統(tǒng)的定位精度和普適性這一關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究和分析，針對(duì)這一問(wèn)題提出加權(quán)余弦相似度算法，并在加權(quán)余弦相似度算法的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了便攜式室內(nèi) WiFi 定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可應(yīng)用在監(jiān)護(hù)老人、看護(hù)病人和室內(nèi)火災(zāi)救助等領(lǐng)域，具有廣闊的商業(yè)開(kāi)發(fā)前景。 
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1.2  國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
本節(jié)首先分析了幾種經(jīng)典的室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位原理、定位精度和定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，其次研究了幾種典型的 WLAN 指紋定位系統(tǒng)。近年來(lái)，紅外線(Infrared)在室內(nèi)定位技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。紅外線室內(nèi)定位系統(tǒng)的工作原理是在室內(nèi)環(huán)境布置密集的傳感器，通過(guò)事先布置的傳感器采集由室內(nèi)紅外線移動(dòng)標(biāo)簽發(fā)射的紅外線來(lái)進(jìn)行估算紅外線移動(dòng)標(biāo)簽在待測(cè)區(qū)域的位置信息。 Active Badge 室內(nèi)定位系統(tǒng)[15]是由Cambridge大學(xué)首次開(kāi)發(fā)的利用紅外線進(jìn)行室內(nèi)定位的系統(tǒng)，系統(tǒng)有移動(dòng)標(biāo)簽，傳感器和服務(wù)器組成；移動(dòng)標(biāo)簽連續(xù)地向周?chē)l(fā)射用于唯一標(biāo)識(shí)的紅外信號(hào)；安裝在室內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)捕捉到移動(dòng)標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)并傳輸?shù)椒⻊?wù)器，服務(wù)器采用近似法估算出移動(dòng)標(biāo)簽所在的區(qū)域。但是Active Badge 系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)標(biāo)簽做出區(qū)域判別。為了降低紅外線定位系統(tǒng)的定位誤差，可以在室內(nèi)部署大量的光感傳感器并且與光學(xué)照相機(jī)進(jìn)行聯(lián)合定位。Firefly 系統(tǒng)[16]是一款經(jīng)典的利用密集型傳感器和光學(xué)照相機(jī)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)光學(xué)跟蹤室內(nèi)定位系統(tǒng)，系統(tǒng)定位精度可達(dá)到3mm。但是，由于系統(tǒng)要用到相機(jī)陣列，設(shè)備成本較高；要在室內(nèi)待測(cè)區(qū)域事先安裝密集的紅外線接收設(shè)備，工作量大；另外，F(xiàn)irefly 系統(tǒng)所覆蓋的范圍也比較小。 綜上所述，雖然利用紅外線進(jìn)行定位能夠?qū)崿F(xiàn)較高的定位精度。但是需要布置大量的傳感器，成本較大，并且定位系統(tǒng)只適合在空曠的室內(nèi)環(huán)境，定位系統(tǒng)的定位誤差受環(huán)境光線的影響較大等原因，導(dǎo)致其無(wú)法在大型超市、博物館、展覽廳等公共建筑內(nèi)應(yīng)用。 
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第二章  WLAN 指紋室內(nèi)定位技術(shù)的理論基礎(chǔ) 

2.1 WLAN 信號(hào)強(qiáng)度的特征 
本次實(shí)驗(yàn)選擇在人員走動(dòng)較少的時(shí)間段內(nèi)收集數(shù)據(jù)，用紅米 note 手機(jī)在室內(nèi)某一參考點(diǎn)上對(duì)特定的 AP 采集 100 次，參考點(diǎn)距離特定 AP 的距離為 4 米左右，手機(jī)平放在桌面上，在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中保持手機(jī)靜止，記錄每一次的 RSS，圖 2.1 為在室內(nèi)某一參考點(diǎn)對(duì)特定 AP 在不同時(shí)間進(jìn)行采樣而形成的直方圖。由此可知，同一個(gè)參考點(diǎn)在不同的時(shí)間，所采集到的 AP 的信號(hào)強(qiáng)度是不同的，最大值和最小值相差 8dBm，大部分信號(hào)強(qiáng)度集中在 43dBm 和 45dBm 之間。RSS 時(shí)變特性的具體原因有以下幾點(diǎn)：a、多徑效應(yīng)：一般的室內(nèi)環(huán)境比較小而且環(huán)境復(fù)雜障礙物較多。使得電磁波在傳播過(guò)程中發(fā)生反射、折射的現(xiàn)象，導(dǎo)致電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)多種不同的路徑到達(dá)某一點(diǎn)，并不是僅通過(guò)直線傳播到達(dá)某一點(diǎn)，這使得在某一點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)不斷發(fā)生變化。 b、2.4GHz 電磁波信號(hào)的干擾：由于 WLAN 工作的 2.4GHz 頻段是免費(fèi)開(kāi)放的頻段，容易受到在這一頻段工作的電磁設(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)的干擾，例如無(wú)線打印機(jī)、藍(lán)牙信號(hào)、ZigBee 信號(hào)、微波爐等。
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2.2 WLAN 指紋室內(nèi)定位系統(tǒng)概述
由于電磁波在室內(nèi)環(huán)境傳播時(shí)受到的干擾較多，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的路徑損耗法進(jìn)行定位會(huì)產(chǎn)生較大定位誤差[38]，而場(chǎng)景分析法有利于減弱電磁波多徑傳播等對(duì)定位精度造成的影響，使得基于場(chǎng)景分析法的 WiFi 室內(nèi)定位技術(shù)成為目前研究的熱點(diǎn)。場(chǎng)景分析法并不是把 WiFi 信號(hào)強(qiáng)度直接轉(zhuǎn)換為距離，而是利用 WiFi信號(hào)在不同的空間位置表現(xiàn)出的獨(dú)特的、易辨識(shí)的特性建立 RSS 與位置的映射關(guān)系，并利用該關(guān)系對(duì)移動(dòng)用戶在待測(cè)區(qū)域內(nèi)的位置進(jìn)行估計(jì)。場(chǎng)景分析法定位系統(tǒng)一般由離線階段和在線階段完成定位。系統(tǒng)的定位原理框如圖 2.4 所示，離線階段建立有效的指紋庫(kù)是定位系統(tǒng)的根本，把室內(nèi)空間均勻地按照適當(dāng)?shù)拈g隔劃分為不同的區(qū)域，形成參考點(diǎn)網(wǎng)格，在每一個(gè)參考點(diǎn)處接收周?chē)?AP 的 RSS并建立樣本向量，每個(gè)參考點(diǎn)的位置信息與對(duì)應(yīng)的 RSS 樣本向量構(gòu)成位置指紋，然后，將所有參考點(diǎn)的位置指紋信息存儲(chǔ)起來(lái)構(gòu)成指紋庫(kù)。WLAN 信號(hào)強(qiáng)度與空間位置的映射特性是 WLAN 定位技術(shù)的基礎(chǔ)。但是，室內(nèi)環(huán)境的不可預(yù)測(cè)性嚴(yán)重影響著定位系統(tǒng)的定位精度。另外，終端差異使得在線階段測(cè)量的 RSS 向量與所建立的指紋庫(kù)不能有效的匹配，降低了定位系統(tǒng)的普適性。 
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第三章  降低終端差異性算法研究 ....... 19 
3.1 移動(dòng)智能終端信號(hào)差異概述 ........... 19 
3.2 不同移動(dòng)定位終端的接收 AP 的 RSS 的差異性 ........... 20 
3.3 指紋差值法 ....... 20 
3.4 加權(quán)余弦相似度算法 ....... 21
3.5 算法仿真分析 ........... 26 
3.5.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景 ........ 26 
3.5.2 指紋庫(kù)的建立 ........ 26 
3.5.3 算法的定位精度 .... 27 
3.6 本章小結(jié) ........... 29 
第四章  便攜式室內(nèi)定位系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) ........... 30 
4.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹 ........... 30
4.2 便攜式定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ....... 31
4.3 便攜式定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程 ........... 32 
4.4 移動(dòng)定位終端開(kāi)發(fā) ........... 33
4.5 服務(wù)器開(kāi)發(fā) ....... 36
4.6 系統(tǒng)性能測(cè)試 ........... 40
4.7 本章小結(jié) ........... 43 
第五章  總結(jié)與展望 ....... 44 

第四章  便攜式室內(nèi)定位系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 

通過(guò)前幾章的研究，本文選用加權(quán)余弦相似度算法來(lái)提高定位系統(tǒng)的精確度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了算法的有效性，開(kāi)發(fā)了便攜式室內(nèi) WiFi 定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Υ郎y(cè)區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)定位終端實(shí)現(xiàn)定位，可通過(guò)移動(dòng)監(jiān)測(cè)端實(shí)時(shí)查看移動(dòng)定位終端在待測(cè)區(qū)域內(nèi)的位置。 以下將從系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、移動(dòng)定位終端開(kāi)發(fā)、服務(wù)器開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)性能測(cè)試四個(gè)方面進(jìn)行介紹。 

4.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹 

本系統(tǒng)的移動(dòng)定位終端和移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端選擇 Android 系統(tǒng)智能移動(dòng)設(shè)備[50]。Android 操作系統(tǒng)的架構(gòu)由四層（Linux 內(nèi)核層、系統(tǒng)運(yùn)行庫(kù)層、應(yīng)用框架層、應(yīng)用層）組成；另外，Android 操作系統(tǒng)還提供了四大組件、豐富的系統(tǒng)控件、SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)、地理位置服務(wù)和傳感器等豐富的工具，由于 Android 系統(tǒng)的這些特點(diǎn)，使得Android操作系統(tǒng)快速地發(fā)展并占領(lǐng)移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)的90%以上的份額，并依然在快速的發(fā)展。 因此，移動(dòng)定位終端和監(jiān)測(cè)終端選擇基于 Android 平臺(tái)開(kāi)發(fā)，使得所開(kāi)發(fā)的便攜式室內(nèi)定位系統(tǒng)獲得更廣泛的應(yīng)用。 

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結(jié)論

近年來(lái)，隨著人們對(duì)室內(nèi)位置信息的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，室內(nèi)定位技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注并得到快速的發(fā)展。但是，智能移動(dòng)設(shè)備的多樣性給定位系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。目前，室內(nèi)定位系統(tǒng)僅適用于離線階段和在線階段移動(dòng)終端相同的情況，在存在終端差異時(shí)，定位系統(tǒng)的精度較低，，甚至?xí)霈F(xiàn)定位失敗的可能。本文針對(duì)以上問(wèn)題主要做了如下研究。 
（1）介紹了室內(nèi)定位系統(tǒng)經(jīng)典算法和面臨的挑戰(zhàn)，并通過(guò)對(duì)比在實(shí)際的環(huán)境內(nèi)采集 AP 的信號(hào)強(qiáng)度，并對(duì)采集的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出了不同因素對(duì)RSS 造成的影響。 
（2）研究了終端差異產(chǎn)生的原因，利用不同智能移動(dòng)設(shè)備在實(shí)際環(huán)境中采集 AP 的信號(hào)強(qiáng)度，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出移動(dòng)定位終端在同一參考點(diǎn)接收 AP 的信號(hào)強(qiáng)度的趨勢(shì)相同的結(jié)論。 
（3）針對(duì)終端差異的問(wèn)題，提出了加權(quán)余弦相似度算法，對(duì)加權(quán)相似度算法進(jìn)行詳細(xì)的論述，并通過(guò)采集實(shí)際環(huán)境的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了在存在終端差異的情況下算法的有效性，有效的降低了終端差異對(duì)定位系統(tǒng)的影響。 
（4）結(jié)合上述研究，本文基于 Android 平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一種利用 WiFi 信號(hào)特征的便攜式室內(nèi)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用加權(quán)余弦相似度算法，提高該系統(tǒng)在存在終端差異情況下的定位精度。該系統(tǒng)可以通過(guò)移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端實(shí)時(shí)的查看移動(dòng)定位終端的位置信息，具有便于攜帶和易于查看的優(yōu)點(diǎn)，在監(jiān)護(hù)老人、孩子和病人等方面具有廣闊的商業(yè)開(kāi)發(fā)前景。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號(hào)：63137