基于Android平台的室内定位系统设计与实现_李炜

1、第41卷增刊2013年10月华中科技大学学报(自然科学版J .Huazhon g Uni v .of Sci .&Tech .(Nat ural Science Editi on Vol .41Su p .Oct .2011收稿日期2013-07-10.作者简介李炜(1975-,女,副教授,E-mail :li vei0828hust .edu .cn .基于Andr oi d 平台的室内定位系统设计与实现李炜金亮陈曦(华中科技大学自动化学院,湖北武汉430074摘要在Andr oi d 平台上设计并实现了室内W i Fi 定位系统.该系统采用Andr oi d 系统的移动终端收集W

2、i Fi信号强度信号,利用W i ndo ws 平台电脑终端计算位置指纹生成数据库,通过移动客户端和服务器端的交互实现定位.当用户有定位需求时,向底层W i Fi 模块发出请求,读取不同无线路由器的信号强度信息,并发送到服务器端.服务器端采用基于k 近邻法的室内位置匹配算法进行位置定位,并将位置信息返回给移动端.测试结果表明:系统3m 内定位精度达到90%以上,5m 内定位精度达到95%以上,单次定位时间在5s 以内.关键词通信技术;室内定位系统;模型;k 近邻法;Andr oi d 平台中图分类号TP311文献标志码A文章编号1671-4512(2013S1-0422-03I ndoor p

3、 ositi oni n g s y st e m desi g n and i m p le m ent ati onbased on Andr oi d p l atfor mLi W eiJ i n Li an gChen Xi(Colle g e of Aut o mati on ,Huazhon g Uni versit y of Science and Technol o gy ,W uhan 430074,Chi na Abst r actW i Fi i ndoor p ositi oni n g s y st e m was desi g ned and i m p l e

4、ment ed based on t he Andr oi d p l at-f or m.The Andr oi d s y st e m mobil e t er m i nals wer e a pp lied t o coll ect W i Fi st r en g t h si g nals ,and t hen ori g i nal sa m p li n g dat a wer e calcul at ed t o obt ai n t he l ocati on fi n g er p ri nt dat abase usi n g t he W i ndo wsp l a

5、tf or m co m p ut er t er mi nal ,and fi nall y p ositi oni n g was i m p l e ment ed t hr ou g h t he i nt er acti on of mo-bil e client and ser ver .W hen users have p ositi oni n g de mands ,mobil e client p ut s f or war d r e q uest t o t he underl y i n g W i Fi modul e ,achieves si g nal st r

6、 en g t hs of differ ent w ir el ess r out ers and send t o t he ser ver .The i ndoor l ocati on mat chi n g al g orit h m was a pp lied based on k near est nei g hbor met hod ,and l ocati on i nf or mati on was r et ur ned t o t he mobil e client .The r es ult s ill ust r at e t hat t he accur ac y

7、 is above 90%w it hi n 3met ers ,above 95%w it hi n 5met ers and si n g l e p ositi oni n g ti me is l ess t han 5seconds .Ke y wor dsco mmunicati ons t echnol o gy ;i ndoor p ositi oni n g s y st e m ;modeli n g ;k near est nei g hbor met hod ;Andr oi d p l atf or m目前常用的室内定位技术有超声波、射频、Z i g bee 和w i

8、r el ess fi delit y (W i Fi 等技术1.超声波定位具有定位精度较高、结构简单等优点,但超声波易受多径效应和非视距传播的影响,并且需要大量的硬件设施投资,成本高.射频识别(RFI D 定位的作用距离短、不具备通信能力,因此不便于整合到其他系统之中2.Z i g bee 技术的优点是室内定位精度高、应对复杂环境能力强、信号穿透力好,缺点则是技术成熟度低、成本高.基于W i Fi 的室内定位技术无需额外的硬件装置,具备高精度、低成本和低功耗等优点3.本研究在分析信号传播模型和室内位置匹配算法的基础上,提出了基于Andr oi d 平台的室内定位系统设计方案,并通过试验验证了

9、其有效性.1信号传播模型由于建筑物内部的遮挡存在严重的多径干网络出版时间:2014-01-10 22:22涉、反射、衍射等现象,传统的路径损耗模型4不能精确的描述室内环境下的传播损耗.主导路径损耗模型如下5p r (L =p r (d 010n l g (L /d 0,(1式中:L 表示无线电波沿主导传播路径所经过的路径总长度;p r (L 为接收点距离发射点距离为L 时的接收信号强度;d 0为接收点的参考距离;n 为路径损耗指数,由环境因素决定.在传统路径损耗模型中, 并不是采用路径总长度,而是接收点到发射点的直线距离,在室内环境下直线距离往往误差很大,因为建筑物里面的电梯、铁门、钢筋混泥土

10、墙壁会阻挡电波的传播,所以电波的主要传播路径并不是两点间的直线,而是由几条避开障碍物的直线组成的.由于不同室内环境的路径损耗系数不同,比如钢筋混泥土墙壁的损耗系数较大,玻璃墙次之.损耗系数的不同造成了传播损耗模型的不同,因此本研究在主导路径信号传播损耗模型基础上进行了子空间划分,根据室内环境分析信号的主导传播路径,根据不同路径上的不同障碍物计算得到定位子空间的信号覆盖图,以提高定位精度.2室内位置匹配算法2.1算法思想本文将k 近邻法应用到室内定位算法中.根位置匹配算法描述步骤1采样.在待定位区域每隔1m 选取一个采样点,每个采样点对一组AP 的RSSI 值读取多次,采样完成后进行最大值滤波降

11、噪处理,形成指纹数据库.步骤2测试.同采样的操作相似,对待定位区域的所有采样点上再进行一次读取AP 的RSSI 值的工作,然后计算定位精度.步骤3定位.Andr oi d 客户端读取所在位置处的各个AP 的RSSI 值,进行滤波降噪处理后与服务器端通信,将客户端损耗值传输给服务器端,服务器端对客户端的损耗数组进行k 近邻算法处理,算出与指纹数据库中欧式距离最近的k 个参考位置点,再计算这k 个参考点的几何中心得到初始估计位置.步骤4调用子空间辅助定位模块进行修正,将最终得到的位置信息传输给客户端.3系统设计3.1系统总体设计如图1所示为基于Andr oi d 平台的室内定位系统总体结构图.系统

12、移动终端采用基于An-dr oi d 系统的手机或掌上电脑(P DA ,电脑终端采用W i ndo ws 平台,服务器端存储了指纹数据库并与电脑终端交互.整个定位过程由客户端和服务器端共同完成,用户有定位需求时,向底层W i Fi 模块发出请求,启动读取来自各个AP 的RSSI 值的程序,并将读取得到的损耗值发送给服务器端.服务器端调用定位算法进行定位,并将位置信息返回给移动客户端.图1基于Andr oi d 平台的室内定位系统总体结构3.2客户端设计Andr oi d 客户端系统主要功能包括AP 损耗值RSSI 的测量、位置信息显示以及与服务器端的交互.测AP 损耗值的这个模块主要调用了W

13、ifi M ana g er 和W ifiI nf o 这两个类,W ifi M ana g er 中的Scan Res ult 字段记录了扫描到的AP 的各种信息:扫描W i Fi 接入点的地址(BSSI D 、扫描W i Fi 接入点的网络名称(SSI D 、扫描W i Fi 信号点的强弱(l evel 等,此处需要用到的是l evel 值即RSSI 值,W ifiI nf o 中要用到的是g et M ac Addr ess 方法来获取AP 的M edia Access Cont r ol (MAC 地址.位置信息显示模块是将客户端收到的当前位置信息在地图上直观地显示出来,地图是事先绘制

14、好并导入到移动端的的待定位的区域图,地图上会建立一个坐标,并有一定的比例尺,接收到服务器端由定位算法计算出来的坐标信息后将其在地图上相应的位置出动态的显示出来.与服务器端的交互模块功能是接收和发送通信数据,触动扫描W i Fi 信号完成这个事件,在发324增刊李炜,等:基于Andr oi d 平台的室内定位系统设计与实现客户端流程描述:进入系统欢迎界面,初始化各种参数,监听用户是否有定位请求,若有则将W I FI打开,调用st art Scan进行热点扫描,扫描完成后将获得的RSSI值进行降噪滤波处理,然后与服务器端建立Socket连接并传送损耗信息,服务器端计算得到位置信息发送给客户端,最终

15、客户端将坐标显示在M a p V ie w中.3.3服务器端设计服务器端存储了位置指纹数据库,并完成定位算法的功能.本系统使用m y s q l数据库保存位置参考点信息.包含的数据表有:AP信息表、采样信息表、滤波后的采样信息表、定位信息表.AP信息表包含了AP的MAC地址、名称(SSI D和频道,主键是MAC地址,如表1所示.表1AP信息表MAC SSI D channel 1C:F A:68:24:33:A0i otL111C:F A:68:4E:B0:94i otL231C:F A:68:24:A6:1C i otL208采样信息表包含了采样点坐标、采样AP的MAC地址、采样AP的RSS

16、I和采样时间,如表2所示.定位信息表包括在定位点的测到的AP的MAC地址、AP的RSSI和定位时间.由于这两张表和前面的比较类似,这里就不列出来了.表2采样信息表x/m y/m SSI D RSSI Scan Ti me11533i otL16103-16-15:1211533i otL24503-16-15:1311533i otL208903-16-15:544实验结果本文在Andr oi d平台上设计并实现了基于k 近邻法的定位算法的室内W i Fi定位系统,实验地点选择华中科技大学I OT实验中心,定位的结果如表3所示.由表3可知:概率法和k近邻法均表现较好,能够在3m内精度达到90%

17、,5m内定位精度达到95%以上,单次定位时间在5s以内.表3定位结果定位技术概率法k NN3m内精度/%90915m内精度/%9697本实验可以利用现有的无线AP,无须额外的硬件设备投入,在移动端上也仅仅只须安装好一个定位软件,并且计算过程不复杂,易于实现,具有很高的实用价值.参考文献1张世哲.基于惯性传感器和W i Fi的定位系统的设计与实现D.北京:北京邮电大学网络技术学院, 2012.2Li onel M N,Li u Y H,Lau Y C,et al.L AND-MARC:i ndoor l ocati on sensi n g usi n g acti ve RFI D J.W ireless Net wor ks,2004,10(6:701-710. 3梁元诚.基于无线局域网的室内定位技术研究与实现D.成都:电子科技大学通信与信息工程学院, 2009.4Goodst ei n L.Locati on based ser vice:anal y sis of car-rier s p endi n g,s ubscri bers,devices and a pp licati ons for handset-based and t ele matics ser vicesR.Ne w Yor k:AB I Research,2004.5Zhao Y X