一种WiFi定位的方法与流程

本发明涉及一种WiFi定位的方法。

背景技术：

随着无线网络技术的日益成熟，无线网络已被越来越多的企业用户所接受。目前，无线局域网(WLAN，Wireless Local Network)成为无线网络技术中的一个热点。狭义的WLAN定义是基于IEEE 802.11系列标准，利用高频无线射频(如2.4GHz或5GHz频段的无线电磁波)作为传输介质的无线局域网。1990年，IEEE正式启用了802.11项目，IEEE802.11标准诞生以来，先后有802.11a和802.11b，802.11g，802.11e，802.11f，802.11h，802.11i，802.11j等标准制定或者酝酿，目前802.11n应用已经非常普遍，在智慧校园、智慧园区、智慧城市等诸多领域得到了广泛的应用。

与有线网络相比，无线局域网具有使用灵活、扩展方便、成本经济、安装简单等特点。在有线网络建设中，网络布线施工工程存在施工周期长，受物理环境影响大的问题。在施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管。而无线局域网最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点AP(Access Point)设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。无线局域网可以在有线网络的基础上，通过增加无线控制器(Access Controller，AC)和无线访问接入点(Access Point，AP)释放无线信号，一个普通AP的覆盖范围在30m～100m之间，室外高功率AP有的可达600m。用户终端接入无线网络后，就可以在无线信号覆盖的范围内自由移动。无线局域网一般有Ad-hoc模式和基础架构两种组网模式。Ad-hoc模式无中心拓扑结构，由移动终端组成的临时性自治系统，这些移动终端以相同的工作组名、ESSID和密码等对等的方式相互直接连接，在WLAN的覆盖范围之内，进行点对点与点对多点间的通信。基础架构网络以AP为中心，移动终端与AP连接后，通过AP接入有线网络。在这2种组网模式中，无线局域网对有线布线的依赖很少，或者可以依托与现有的有线网络，减少相关的成本和时间。另外无线网络拓扑变化灵活，改造费用较低。

传统无线局域网采用胖AP的网络架构，各个AP独立工作。一方面需要对网络中每个AP进行独立的配置与管理，增加了无线网络管理的复杂度与运维工作量；另一方面由于AP间难以进行有效的协作，导致AP间的射频干扰、无线用户漫游等问题难以得到有效解决方案。针对这些问题，出现了由AC与瘦AP组成的集中管理型无线网络架构(也称为瘦AP网络架构)，AP通过CAPWAP隧道与AC建立连接，由AC对AP进行集中管理控制。

瘦AP无线技术是采用有线交换机+无线控制器(Access Controller，AC)+瘦AP的组网方式，即AP作为简单的无线接入点，不具备管理控制功能，而通过无线控制器(AC)统一管理所有AP，向指定AP下发控制策略，无需在各AP上单独配置。AC通过CAPWAP隧道与多个AP相连，用户只需在AC上对所关联的AP进行配置管理。目前一般采用瘦AP无线技术进行组网。

在组建无线局域网的时候，都需要先进行无线地勘，无线地勘主要完成以下三个方面的内容：

1、设计和绘制频谱覆盖。地勘过程中测绘覆盖区域的地形图，绘制区域无线频谱，设计频谱分布，寻找合适的AP安装位置、计算所需AP的指标、评估覆盖的效果、汇总设备型号和数量等内容；

2、输出地勘输出结果。结果主要包含AP、天线、无线控制器及其它无线系统应用器件的安装位置和安装参数是无线系统工程的设计资料，提供给施工队作为工程安装的依据。

3、重复上述1-2步骤，确定最优的设计方案。

现有无线地勘技术方案中的步骤1和3，主要依靠人工，网络工程师携带频谱测试仪，到实际环境中进行无线频谱相关测试，由于AP安装位置可能较高，工程师还需要携带梯子等工具，整体工作量大，采集周期长，耗时费力，另外无线测试仪需要供电，在实际的物理环境中一般没有电源接口，携带便携式电源，又存在电源供电时间短，体积大，分量重等问题。

在对待定位区域进行区域划分时，一般采用固定网格大小作为定位单元，定位单元的大小不具备可调性，同时在物理空间中离得很远的定位单元，采集的指纹在信号空间中却有可能很近，这样在进行模式匹配的时候，会匹配到错误的定位单元。

如图1，A点采集到的RSSIA(AP1，AP2)＝(-58，-47)，在指纹数据库中：RSSIG11(AP1，AP2)＝(-60，-45)，RSSIG13(AP1，AP2)＝(-59，-48)，则A点到G11和G13的欧式距离分别为RAG11＝[(-58+60)²+(-47+45)²]^1/2＝2.8，RAG13＝[(-58+59)²+(-47+48)²]^1/2＝1.4，因此会判断A点离G13最近，而实际情况是A点离G11比较近。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种WiFi定位的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种WiFi定位的方法，其包括具有第一WiFi模块、频谱测试仪和供电子系统的可移动测试车和具有第二WiFi模块的控制端系统，通过所述第一和第二WiFi模块，所述控制端系统接收频谱测试仪采集的信号且控制连接所述测试车的移动，所述频谱测试仪通过升降台设置在所述测试车上；并包括以下步骤定位初始化：将若干定位AP安装在高度H所在平面，并在所述平面上构成：

A.定位初始化：将若干定位AP安装在高度H所在平面，并在所述平面上构成直角坐标系覆盖待定位区域，各个定位AP的坐标为APi，j＝(i×K，j×K)，i，j∈自然数，K＞0，所述直角坐标系将待定位区域划分为若干个k×k的单元格，k＞0，在各个单元格的中心设置采集点N(i，j)坐标为在一个测试点计算得到x，y的值，则该测试点s(x，y)落在定位单元格的坐标i，j的计算公式为符号[]表示取整，初始化指纹数据库包括初始化各定位AP基于时间序列在各取样点位置采集的RSSI、信号均值和标准差和初始化测试设备在测试点采集到的RSSI信号和测试设备基于时间的位置变化；

B.指纹数据库数据采集：将定位AP测试信道划分满足两两相邻的AP，选择互不干扰的测试信道，并按固定功率发送信号，所述测试车将所述频谱测试仪升举至高度h，控制测试车依次在每个单元格的采集点N(i，j)收集测试信号向量，按一定时间间隔t，收集m次，称为一次采样周期T，即T＝m×t，将在该采集点N(i，j)收集到的各AP的测试信号SRSSI发送回控制端系统，每一次采样周期采集T的APn_MAC，RSS表示第n个AP收集到的RSSI信号；

C.指纹数据预处理：先过滤非定位AP信号，求有采集到信号的定位AP集台A是定位AP的MAC地址集合，求得的集合UAP是采集到测试信号的定位AP的集合；然后对定位AP信号均值滤波，对集合UAP取前p个信号好的AP，p≥3，对一次采样周期T采集的信号强度，求每个定位AP的信号强度均值μ和标准差σ，选举原则是：根据均值μ大的，取前p个信号好的AP，如果均值μ相等，则取标准差σ大的，如果μ和σ都相等，则取MAC地址小的，得到一个新集合该集合表示测试设备一次采样周期T中，取得的前p个信号最好的定位AP信号均值和标准差的集合；然后将数据更新至指纹数据库；

D.定位数据预处理：测试车的频谱测试仪将在待定位s(x，y)收集到的信号强度和发送信号的AP的MAC地址发送给控制端系统，通过比对发送信号AP的MAC地址，将非定位AP的信号删除，形成集台是采集到测试信号的定位AP的集合，然后对定位AP信号阈值滤波，对集合取前q个信号好的AP信号，其他信号删除，q≥3；

E.匹配定位单元：在RSSI空间中，将指纹库的信号强度数据与收集到的测试点的信号强度数据进行匹配，选择最匹配的，确定定位单元，从指纹库的中，根据的AP的MAC地址，取出中包含这些AP的MAC地址的子集合，计算上述子集合中，每个采集点RSSI与测试点RSSI的信号强度的欧氏距离，将欧式距离从小到大排序，采集点与测试点RSSI信号强度的欧式距离越小，说明测试点落在采集点标识的定位单位概率越高，欧式距离计算公式：

F.计算可能的坐标集S(x，y)：对q个定位AP的信号，根据信号衰减公式：可以算出测试点和定位AP间的物理空间距离d，其中Pr为接收信号强度，Pt为AP发射功率，Gr为接收天线增益，Gt为发射天线增益，PL为路径损耗，A为影响因子，M为衰减因子，d为接收点离发送点的距离，所述Pr、Pt、Gr和PL单位为dB，所述d单位为m，3个距离d可以通过公式：确定坐标s(x，y)，其中z为所述测试车将所述频谱测试仪升举至高度h，z1、z2和z3为所述定位AP的安装高度H，对q个定位AP的信号，可以计算出可能坐标集S(x，y)的可能坐标个数有对每个可能坐标元素s(x，y)，计算可能坐标s(x，y)落在的定位单元格的坐标i，j，计算公式为假设个可能坐标s(x，y)落在r个单元格中，每个单元格包含的可能坐标数是Zj，则

G.计算待定位点的具体坐标s(x，y)：对所有可能坐标进行加权计算，落在同个单元格可能坐标集的权重为即单元格包含的可能坐标s多，则权重大，具体坐标s(x，y)计算公式为

在另一较佳实施例中，所述步骤A中，所述若干定位AP安装在高度H为3m。

在另一较佳实施例中，所述步骤B中，所述测试车升举频谱测试仪至高度h为1m。

在另一较佳实施例中，所述测试车还具有摄像头，所述控制端系统还具有与所述摄像头信号连接的显示屏；所述摄像头安装在所述测试车的前端，所述升降台安装在所述测试车的后端。

在另一较佳实施例中，所述摄像头可上下、左右旋转和/或调焦。

在另一较佳实施例中，所述测试车还具有与所述频谱测试仪相连接的存储子系统。

在另一较佳实施例中，所述频谱测试仪上设有天线接口和多种可拆卸安装在所述天线接口上的增益天线。

在另一较佳实施例中，所述第一和第二WiFi模块还分别连接有信号收发天线。

在另一较佳实施例中，所述摄像头外罩有透明外壳。

在另一较佳实施例中，所述测试车还包括控制子系统、传动子系统、测试信息储存子系统、电动升降台和摄像头；所述控制子系统接收控制端系统发送过来的指令，控制传动子系统的前进后退及转向、电动升降台的升降与左右旋转、摄像头的左右旋转、频谱测试仪的启动与关闭、测试数据的存储；所述供电子系统为所述测试车供电；所述控制端系统还包括显示屏、方向控制器和控制按钮；所述显示屏显示所述测试车摄像头传输过来的视频数据；所述方向控制器包括功能一：控制所述测试车的传动子系统前进、后退、左转、右转；功能二：控制所述测试车的电动升降台的上升、下降、左旋转、右旋转；所述控制按钮的功能包括但不限于方向控制器功能切换开关、控制测试端系统的摄像头左右转、启动频谱测试、关闭频谱测试、测试数据存储的其中一种或多种。

本发明的有益效果是：

1、由于采用了无线收发模块将测试车和控制端系统连接，通过控制端系统控制测试车的移动和摄像头的影像传输，解决现有技术中需要靠人工进行WiFi频谱地勘的缺点，提高了WiFi频谱地勘效率和灵活性；通过若干定位AP构成直角坐标系覆盖待定位区域，将待定位区域进行划分，通过设置定位单元格进一步设置采集点供测试车采集RSSI指纹，两两相邻的AP选择互不干扰的测试信道并按照固定功率发送信号，减少干扰，提升WiFi定位稳定性和定位精度；统一将定位AP安装在相同的高度，统一测试车升举信号强度测试仪的高度，减小误差，提高精度；通过非定位AP滤波过滤非定位AP的信号，通过均值滤波，降低信号强度波动带来的影响；无需像空间信号指纹技术那样经常更新空间信号指纹信息，降低了维护成本。

2、操作人员只要在室内通过操作控制端系统，即可控制测试车在一定物理范围内进行无线频谱测试，并及时记录和存储测试数据，使用方法简单，降低人力成本；通过测试车上的升降台，频谱测试仪的物理高度可调，免去携带梯子、人工测试等繁琐过程，降低人力成本，同时提高测试效率和灵活性；通过供电子系统，解决实际的物理环境中取电难和便携式电源存在电源供电时间短、体积大、分量重等问题；可拆卸的增益天线配合天线接口，提高测试的适用性。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种WiFi定位的方法不局限于实施例。

附图说明

图1是现有技术定位方法的示意图；

图2是本发明的一较佳实施例的测试小车和控制端系统的结构示意图；

图3是本发明的一较佳实施例流程图；

图4是本发明的一较佳实施例的定位AP安装和设置定位单元格的示意图。

具体实施方式

实施例，参见图2至图4所示，本发明的一种WiFi定位的方法，其包括可移动测试车100和控制端系统200，所述测试车100具有第一WiFi模块110、摄像头120、频谱测试仪130和控制子系统140；所述控制端系统200具有第二WiFi模块210、显示屏220和控制器230；其中，通过所述第一WiFi模块110和第二WiFi模块210，将所述测试车100的摄像头120的视频信号传输至控制端系统200的显示屏220显示，所述控制器230控制连接所述测试车100的移动。本实施例中，所述测试车100可以前进、后退、左转和右转，通过控制子系统140内的传动子系统150进行传动控制。所述控制子系统140内设有供电子系统141，所述供电子系统141通过稳压器等控制电路输出不同的电压供测试车上的各个系统使用。

所述摄像头120安装在所述测试车100的前端，在所述测试车100的后端设有升降台160，所述频谱测试仪130安装在所述升降台160上，所述控制器230还控制所述升降台160的升降和旋转。所述升降台160的升降可以通过电机驱动丝杆传动控制，其旋转可以通过电机驱动齿轮传动控制。

所述测试车100的前端还设有光源装置170，所述光源装置170与所述控制子系统140连接，可以是控制子系统140内设置自动感光来控制所述光源装置170，也可以是通过所述控制器230控制连接所述光源装置170。

所述控制子系统140还具有与所述频谱测试仪130相连接的存储系统180。在其他实施例中，可以省略所述存储系统180，通过第一WiFi模块将所述频谱测试仪130的测试信息上传至云平台或上传至所述控制端系统200进行存储。

所述频谱测试仪130上设有天线接口和多种可拆卸安装在所述天线接口上的增益天线131。

所述第一WiFi模块110和第二WiFi模块210还分别连接有信号收发天线111和211。

可在所述摄像头120外罩有透明外壳。所述摄像头120可上下、左右旋转和/或调焦。

所述控制器230上设有控制测试车100的方向盘231和用于发出其他指令的按钮232，所述按钮232例如是一个方向控制器功能切换开关。

本实施例中，所述控制子系统140用于接收控制端系统200发送过来的指令：控制传动子系统150的前进后退和转向；升降台160的升降与左右旋转；摄像头的上下左右旋转；频谱测试仪130的启动与关闭；测试数据的存储。

本实施例的WiFi定位方法包括以下步骤：

A.定位初始化：安装定位AP，初始化室内定位地图，室内区域30m×30m，AP有20个，同一x/y方向的定位AP间距K＝10m，则定位AP有16个，坐标APi，j＝(10×i，10×j)，i∈[0，3]，j∈[0，3]，为简化起见，定位AP的MAC用自然数，从1至16表示。

设置定位单元格大小，取k＝5，一个定位单元格大小为5m×5m，取样点

确定每个定位单元格取样点，在一个测试点计算得到x，y的值，则该测试点s(x，y)落在定位单元格的坐标i，j的计算公式为符号[]表示取整。

初始化定位数据库，为简化起见，这里给出数据库部分数据如下表1-4。

表1各定位AP基于时间序列在各采集点位置采集的RSSI

表2各定位AP基于时间序列在各采集点位置采集的信号均值和标准差

表3测试设备在测试点采集到的RSSI信号

表4测试设备基于时间的位置表

B.指纹数据库数据采集：定位AP测试信道划分：

2.4G频段，两两AP的信道，从{1，6，11}中取，保证两两AP信道取值不同即可，5.8G频段，两两AP的信道，从5.8G频段中取，保证两两AP信道取值不同即可，定位AP按额定功率100mw发送，即发射功率Pt＝10lg100＝20dB

测试车100在各采集点采集频谱指纹，测试车100升举频谱测试仪130在1米左右高度，依次在每个定位单元的中心点N(i，j)收集测试信号向量，按一定时间间隔5秒，收集10次，称为一次采样周期T，即T＝5×10＝50秒，然后将在该采集点N(i，j)收集到的各AP的测试信号SRSSI发送回控制端系统。

C.指纹数据预处理，过滤非定位AP的信号，通过比对发送信号AP的MAC地址，将非定位AP的信号删除，形成集合UAP，是采集到测试信号的定位AP的集合，均值滤波，对集合UAP，对一次采样周期T，每个定位AP采集的10个信号强度，求每个定位AP的信号强度均值μ和标准差σ，取前6个信号好的定位AP的信号强度，即p＝6，当做该定位单元的AP信号强度指纹集合，将数据更新到指纹数据库。

D.定位数据预处理：测试车100的频谱测试仪130将在待定位位置s(x，y)收集到的信号强度和发送信号的AP MAC地址，发送给控制端系统，控制端系统过滤非定位AP的信号，通过比对发送信号AP的MAC地址，将非定位AP的信号删除，形成集合是采集到测试信号的定位AP的集合，阈值滤波。对集合取前4个信号好的AP信号，即q＝4。其他信号删除。

E.匹配定位单元：在RSSI空间中，将指纹库的信号强度数据与收集到的测试点的信号强度数据进行匹配，选择最匹配的，确定定位单元，根据集合的4个定位AP的MAC地址，取出指纹库中包含这些AP的MAC地址的数据的集合，即包含集台的定位单元的集合，计算每个定位单元采集点RSSI与测试点RSSI的信号强度的欧氏距离，将欧式距离从小到大排序，采集点与测试点RSSI信号强度的欧式距离越小，说明测试点落在采集点标识的定位单位概率越高，欧式距离计算公式：

F.计算可能的坐标集S(x，y)：对4个定位AP，任取3个，则可能的坐标集合有4个，3个空间距离距离d可以确定坐标s(x，y)的具体参数，根据信号衰减公式可以算出测试点和定位AP间的物理空间距离d，其中Pr为接收信号强度，Pt为AP发射功率，Gr为接收天线增益，Gt为发射天线增益，PL为路径损耗，A为影响因子，M为衰减因子，d为接收点离发送点的距离，所述Pr、Pt、Gr和PL单位为dB，所述d单位为m，经实验测算，常用的2.4G频段和5.8G频段，在室内空间的路径损耗公式为，N取2.6时，

2.4G频段下PL＝46+26lgd；

5.8G频段下PL＝56+26lgd。

AP以100mw恒定功率发射信号，则发射功率Pt＝10lg100＝20dB，发射天线增益Gt为2.2dB，接收天线增益Gr为2dB。

频谱测试仪130的高度h为1m，定位AP的高度H为3m，3个距离可以通过公式：确定坐标s(x，y)，在4个可能的坐标元素中，对每个可能坐标元素s(x，y)，计算可能坐标落在的定位单元格的坐标i，j。计算公式为本实施例中，4个可能的坐标元素落在2个定位单元的范围，一个3，一个1。

G.计算待定位点的具体坐标s(x，y)：对所有可能坐标进行加权计算，落在同一个单元格的可能即单元格包含的可能坐标s多，则权重大，具体坐标s(x，y)计算公式为：

得到该待定位点的具体坐标。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种WiFi定位的方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。