一种基于容错思想的室内Wi-Fi指纹定位方法
【专利摘要】本发明公开的引入容错思想辅助Wi-Fi指纹室内定位方法，在建立离线指纹库时，利用一些冗余信息来减小指纹的波动性，提高室内定位的容错性。其中包括离线指纹库建立时的容错和在线定位时的容错。在离线指纹库建立时考虑建立不同时段的指纹库，每个参考点保存面向东、南、西、北四个方向时采集的指纹。在线定位时采用基于历史信息的定位方法，每次定位连续采集两次指纹，根据每个指纹在指纹库中找出最接近的几个指纹，因为人的移动是连续性的，因此综合考虑两次定位来得出最后的定位结果能有效提高定位精度。通过引入容错思想可以充分弥补Wi-Fi指纹室内定位方法中的各种不稳定因素，提高定位方法的使用性和容错性，更能满足实际环境下的定位需求。实施结果表明，用该方法在对实际室内环境定位时，容错性和定位精度得到了较大提高。
【专利说明】一种基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法
【技术领域】
[0001]本发明属于基于位置信息的服务【技术领域】，涉及W1-Fi指纹匹配和室内定位，是一种利用容错思想减小信号波动性并且提高室内定位精度的方法。
【背景技术】
[0002]随着IEEE802.11技术的成熟以及移动设备和无线局域网在世界各地的普及，移动用户的自身定位已经成为一个研究热点。定位服务需求量迅速增长。例如，医疗行业中重病人跟踪监护、产房婴儿防偷、贵重医疗设备监控；商场购物车定位、顾客消费习惯收集、监狱重点犯人跟踪、出行路线导航、实时位置查询等。目前全球定位系统GPS在室外定位的各个领域得到了广泛的应用。但是卫星定位需要在相对空旷、高层建筑不密集的地方才能比较比较准确的定位，室内无法使用且耗电量较高。当终端接收机在楼群密集的城市或者室内工作的时候，由于信号强度收到建筑物的影响而大大衰减，导致定位精度低甚至不能够完成定位。因此研究室内环境的定位具有重要的应用价值。
[0003]因为无需给移动终端添加任何硬件就可以从MAC层获取W1-Fi信号强度，因此基于接收信号强度的W1-Fi定位技术得到了学术界的广泛研究和关注。通常的W1-Fi指纹室内定位方法分为离线采集和在线测试两个阶段。离线阶段采集各个参考点的W1-FI热点的RSS信号强度，然后存入数据库，构成一个位置指纹数据库；在线阶段是将测试点测到的信号强度与指纹库中的指纹信号做匹配，寻找最相近的参考点作为最终定位的位置。
[0004]由于W1-Fi信号在传输过程中会受到各种信号的干扰，常呈现不稳定现象。在室内环境，无线信号传播受到多径衰落、散射、衍射、阴影以及人员活动等众多因素影响，在同一位置接受到的信号具有较强的时变特性，往往出现多个波峰和较长拖尾。进而导致W1-Fi定位存在定位精度不够高和不稳定的问题。
[0005]所以在W1-Fi指纹定位中，可以考虑引入容错思想，利用冗余信息来提高W1-Fi信号的稳定性，比如建立不同时段的指纹库，指纹库中的每个参考位置包括面向东、南、西、北四个方向采集的四条指纹等。以达到提高室内定位准确率和容错性的目的。
【发明内容】
[0006]本发明公开的引入容错思想辅助W1-Fi指纹室内定位方法，在建立离线指纹库时，利用一些冗余信息来减小指纹的波动性，提高室内定位的容错性。其中包括离线指纹库建立时的容错和在线定位时的容错。在离线指纹库建立时考虑建立不同时段的指纹库，每个参考点面向东、南、西、北四个方向采集指纹。在线定位时采用基于历史信息的定位方法，每次定位连续采集两次指纹，根据每个指纹在指纹库中找出最接近的几个指纹，因为人的移动是连续性的，因此综合考虑两次定位来得出最后的定位结果能有效提高定位精度。
[0007]通过引入容错思想可以充分弥补W1-Fi指纹室内定位方法中的各种不稳定因素，提高定位方法的使用性和容错性，更能满足实际环境下的定位需求。实施结果表明，用该方法在对实际室内环境定位时，容错性和定位精度得到了较大提高。[0008]1.基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于包括如下步骤:
[0009](a)对待定位区域利用一定的间距进行格子划分，以每个格子的中心点作为参考点，并建立其坐标，以备后续使用；
[0010](b)考察待定位区域的W1-Fi无线接入点AP，选取定位所用AP点；
[0011](c)在每个参考点位置采集定位AP的指纹信息，存入指纹库，以备后续使用；
[0012](d)在线采集未知位置处定位AP的指纹信息，以备后续使用；
[0013](e)在指纹库中搜索与在线采集指纹最匹配的k个指纹，以备后续使用；
[0014](f)利用获得的k个指纹求得最后的定位结果。
[0015]2.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤a中所述的格子划分是指将待定位区域划分成多个小的区域，每个区域中心作为一个定位标签。
[0016]3.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤b，c和d中所述的AP是指基于IEEE802.11的无线网络接入点。
[0017]4.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤b中所述的选取定位所用AP点包含如下步骤:
[0018](a)扫描定位区域中所有的AP接入点；
[0019](b)考察每个接入点，从中选出位置固定.信号强度大和信号相对稳定的接入点作为定位所用。
[0020]5.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤C、d、e和f中所述的指纹是指AP点的接受信号强度信息。
[0021]6.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤c和e中所述的指纹库是指在每个参考点采集的指纹所组成的数据库。
[0022]7.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤c中所述的在每个参考点位置采集定位AP的指纹信息，存入指纹库包含如下步骤:
[0023]①在每个参考点分别面向东、南、西、北采集四个方向的指纹信息，以减少人体对信号的遮挡，并且在每个参考点采集多次；
[0024]②对每次采集的四个方向的指纹求平均值，然后对多次采集求得的平均值进行信号平滑处理；
[0025]③然后把平滑后的结果进行算数平均，均值作为此参考点的指纹信息，所有参考点的指纹信息组成一个指纹库；
[0026]④分别在不同的时间段进行指纹采集，分别建立不同时间段的指纹库，以缓解W1-Fi信号随时间波动性较大的特性。
[0027]8.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤e中所述的最匹配的指纹是指指纹之间欧式距离最小的指纹。
[0028]9.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤f所述的定位结果是指待定位点的坐标信息。
[0029]10.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤d中所述的在线采集未知位置处定位AP的指纹信息是指连续采集两次指纹信息。因为待定位物体位置的变化是连续的，而不是跳跃突变的，利用连续采集的两次指纹进行定位能充分利用历史信息来完成定位。
[0030]11.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤e中所述的在指纹库中搜索与在线采集指纹最匹配的k个指纹方法，其特征在于包含如下步骤:
[0031](a)利用在线采集的第一条指纹在指纹库中做全局匹配，找出最匹配的k个指纹；
[0032](b)利用在线采集的第二条指纹在指纹库中做全局匹配，找出最匹配的k个指纹；
[0033](c)考虑步骤(a)和(b)结果的交集情况，具体包括如下三种情况:
[0034]①非空且元素唯一，此时最匹配的指纹就是唯一的交集元素；
[0035]②非空且元素不唯一，此时最匹配的指纹就是交集元素；
[0036]③交集为空，此时最匹配的指纹是两次求得的所有指纹。
[0037]12.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤f中所述的利用获得的k个指纹求得最后的定位结果的方法，其特征在于包含如下步骤:
[0038](a)若k为1，那么次指纹对用的坐标就是最后的定位结果；
[0039](b)若k大于1，k个指纹坐标的加权平均值作为最后的定位结果。
[0040]13.根据权利要求12所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤b中所述的坐标的加权平均是指以它们到在线测得指纹的欧式距离的倒数作为权值进行坐标的平均。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1为本发明的流程图
[0042]图2为本发明的系统结构图
[0043]图3为本发明的定位区域和参考点图
[0044]图4为本发明的信号强度波动频率图
[0045]图5为本发明的指纹库示例图
[0046]图6为本发明的具体实施结果图
【具体实施方式】
[0047]以下结合实施实例对本发明提出的一种基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法进行进一步详细说明。
[0048]步骤1:对待定位区域以I米为间距进行格子划分，以每个格子的中心点作为参考点，并建立其坐标。
[0049]步骤2:在待定位区域扫描所有能检测到的AP，用Wireless Mon3.0测量他们的信号强度并分析他们的稳定性，去除信号强度较弱和稳定性较差的AP，剩下的作为定位所用。
[0050]步骤3:分别在早晨、中午和晚上在每个参考点采集多次指纹信息，并且在每个参考点采集面向东、南、西和北四个方向的指纹。
[0051]步骤4:对指纹信息进行平滑和平均处理后，最终存成对应早晨、中午和晚上的三个指纹库。[0052]步骤5:在线采集未知位置处定位AP的指纹信息，连续采集两次，间隔2秒。
[0053]步骤6:在相对应的指纹库中分别找出与在线采集的两个指纹最匹配的k个指纹。
[0054]步骤7:根据求得的2k个指纹求出最终匹配的指纹，把此指纹对应的参考点坐标作为最终的定位结果。
[0055]在实施实例中，用本发明提出的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法在北京师范大学校电子楼的5层进行了试验。结果如图6所示。
[0056]结果表明:本发明提出的方法对室内W1-Fi指纹定位起到了很好的辅助作用，使得定位精度有了很大提高。同时也为室内W1-Fi指纹定位提出了另外一种思路，就是利用一些冗余的数据来辅助定位，让室内定位算法在冗余信息的帮助下变得更加有效。
【权利要求】
1.一种基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于包括如下步骤: (a)对待定位区域利用一定的间距进行格子划分，以每个格子的中心点作为参考点，并建立其坐标，以备后续使用； (b)考察待定位区域的W1-Fi无线接入点AP，选取定位所用AP点； (c)在每个参考点位置采集定位AP的指纹信息，存入指纹库，以备后续使用； ①在每个参考点分别面向东、南、西、北采集四个方向的指纹信息，以减少人体对信号的遮挡，并且在每个参考点采集多次； ②对每次采集的四个方向的指纹求平 均值，然后对多次采集求得的平均值进行信号平滑处理； ③然后把平滑后的结果进行算数平均，均值作为此参考点的指纹信息，所有参考点的指纹信息组成一个指纹库； ④分别在不同的时间段进行指纹采集，分别建立不同时间段的指纹库，以缓解W1-Fi信号随时间波动性较大的特性。 (d)在线采集未知位置处定位AP的指纹信息，以备后续使用； (e)在指纹库中搜索与在线采集指纹最匹配的k个指纹，以备后续使用； (f)利用获得的k个指纹求得最后的定位结果。
2.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤a中所述的格子划分是指将待定位区域划分成多个小的区域，每个区域中心作为一个定位标签。
3.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤b，c和d中所述的AP是指基于IEEE802.11的无线网络接入点。
4.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤b中所述的选取定位所用AP点包含如下步骤: (a)扫描定位区域中所有的AP接入点； (b)考察每个接入点，从中选出位置固定.信号强度大和信号相对稳定的接入点作为定位所用。
5.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤C、d、e和f中所述的指纹是指AP点的接受信号强度信息。
6.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤c和e中所述的指纹库是指在每个参考点采集的指纹所组成的数据库。
7.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤e中所述的最匹配的指纹是指指纹之间欧式距离最小的指纹。
8.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤f所述的定位结果是指待定位点的坐标信息。
9.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤d中所述的在线采集未知位置处定位AP的指纹信息是指连续采集两次指纹信息；因为待定位物体位置的变化是连续的，而不是跳跃突变的，利用连续采集的两次指纹进行定位能充分利用历史信息来完成定位。
10.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤e中所述的在指纹库中搜索与在线采集指纹最匹配的k个指纹方法，其特征在于包含如下步骤: (a)利用在线采集的第一条指纹在指纹库中做全局匹配，找出最匹配的k个指纹； (b)利用在线采集的第二条指纹在指纹库中做全局匹配，找出最匹配的k个指纹； (C)考虑步骤(a)和(b)结果的交集情况，具体包括如下三种情况: ①非空且元素唯一，此时最匹配的指纹就是唯一的交集元素； ②非空且元素不唯一，此时最匹配的指纹就是交集元素； ③交集为空，此时最匹配的指纹是两次求得的所有指纹。
11.根据权利要求1所述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤f中所述的利用获得的k个指纹求得最后的定位结果的方法，其特征在于包含如下步骤: (a)若k为1，那么次指纹对用的坐标就是最后的定位结果； (b)若k大于1，k个指纹坐标的加权平均值作为最后的定位结果。
12.根据权利要求11述的基于容错思想的室内W1-Fi指纹定位方法，其特征在于，其中步骤b中所述的坐标的加权平均是指以它们到在线测得指纹的欧式距离的倒数作为权值进行坐标的平均。
【文档编号】H04W4/04GK103905994SQ201410092613
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2014年3月14日
【发明者】尹乾, 郭平, 孟灿 申请人:北京师范大学