利用四面体以及无线通讯技术的楼层定位系统及方法与流程

本发明涉及基于三角锥体以及无线信号传输技术领域，尤其涉及一种利用四面体以及无线通讯技术的楼层定位系统。

背景技术：

如今，随着无线定位技术的不断发展，室内定位技术逐渐在人们的生活中普及，而且无线室内定位技术的精度越来越高，应用场景越来越多。商场店铺位置导航，生产线工人定位跟踪等等。但是目前针对室内定位技术更多都是在二维平面上的定位，这种定位方式虽能基本满足商业需求，但对于需要更加精准的三维空间上的定位，例如消防救灾，却不能很好的解决。

现代建筑构造越来越复杂，针对火灾发生后如何第一时间内快速的定位幸存者所在的楼层以及消防员进入火场后定位消防员的位置以便出现特殊情况营救消防员的问题上，二维平面上的定位已经不能满足精度的需求。若使用现有的二维平面定位技术消防员必须一层一层楼的确定受灾人员的位置，这不一种很好的解决方案。楼层定位不同于传统的室内定位，多径效应、绕射、无线信号穿越楼层时的衰减都是阻碍楼层定位的问题,为了解决以上技术问题，本发明提出了一种基于四面体以及无线通讯技术的楼层定位方法。

技术实现要素：

为了解决上述楼层定位的问题，本发明提供一种利用四面体以及无线通讯技术的楼层定位系统，以在多个接收端特定的布局中，通过利用RSSI或CSI信号以及四面体几何关系，实现对楼层的定位，解决现有技术中无法进行精确定位的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种利用四面体以及无线通讯技术的楼层定位系统，其特征在于，包括：

信号发送端，用于发送无线信号；

信号接收端，用于接收来自发送端的无线信号，并测量出该无线信号的RSSI或CSI值，根据特征值与进行之前训练的参数进行分类匹配距离转换，得出楼层的高度；修正模块，将修正模块测出的结果与无线信号计算出的结果进行对比，如果出现偏差，进行校正，从而使判别算法更为精确；

显示模块，可利用手机端的显示屏或者其他显示模块，用来显示识别出目标楼层的层数。

作为本发明的进一步改进：所述信号发射端和信号接收端为能发射和接收WIFI和900Mhz±100Mhz频段信号的无线移动终端。

作为本发明的进一步改进：所述信号发射端在需要定位的楼层，所述信号接收端在需定位楼层的下方已知楼层且信号接收端的数目为3个，且3个信号接收端所在的位置不相同且互相之间的距离已知。

作为本发明的进一步改进：所述信号接收端，对每个接收端接收到的无线信号的RSSI或CSI值进行去噪处理；把去除噪声之后的RSSI或者CSI值使用Shadowing传播模型进行距离的换算。

作为本发明的进一步改进：在得出信号发送端相对于信号接收端的距离后，根据四面体全部边的大致长度，利用四面体体积公式：

M＝ad(b+c+e+f-a-d)+be(a+c+d+f-b-e)+cf(a+b+d+e-c-f)

N＝abf+bcd+cae+def

$V=\sqrt{M-N}/12$

进而可以得出四面体的体积；由于信号接收端位置和距离已知，根据3个接收端呈三角形，三角形的三条边已知，利用三角形面积公式：

S＝√[p(p-a)(p-b)(p-c)]

p＝(a+b+c)/2

得出三角形的面积，再利用四面体体积公式：

V＝hS/3

得出信号发送端楼层相对于信号接收端楼层的高度。

作为本发明的进一步改进：所述修正模块使用气压器作为修正模块，气压计测出的值换算成高度，作为参考高度。

作为本发明的进一步改进：使用Shadowing模型把去噪声后的RSSI或CSI转换成距离，转换公式为：

$p\left(d\right)=p\left(d_0\right)-10n{\log }_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right)+X_{\mathrm{\σ}}$

其中d表示锚节点和目标节点之间的距离；p(d)表示锚节点到目标节点距离为d的RSSI值；d0是一个常量，是锚节点和目标节点之间的参考距离；同理p(d0)表示锚节点到目标节点距离为d0时的RSSI值；n是路径损耗指数，它的取值和环境有关；Xσ是一个服从正态分布的随机变量，模型假设正态分布的期望是0，标准差为σ。

本发明同时提供了一种利用四面体以及无线通讯技术的楼层定位方法，包括如下步骤：S1、信号发射端发射无线信号，位于信号发射端底下楼层的三个信号接收端接收信号，测量信号的RSSI或者CSI值；

S2、将RSSI或者CSI值进行去噪处理；

S3、利用Shadowing模型对RSSI值进行距离换算；

S4、利用四面体高度底面积和高度不变体积不变的原理粗略得出楼层相对高度；

S5、利用多次测得高度结合气压计和权值模型修正相对高度数值；

S6、根据接收端所在楼层加上由相对高度转换后的楼层高度，得出接收端最终的高度。

作为本发明的进一步改进：去噪处理具体为：

多次分别采集在直视距下和在n层墙下RSSI或者CSI的衰减数值；

根据不同数目墙的衰减数值计算出衰减因子；

得到准确的衰减因子之后即可用于去噪。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S4具体为：在得到一次高度差后，发射端移动一段距离，重复步骤获取多一次高度差；

将两次获取的高度差与气压计获取的高度差输入经过训练的气压值转换高度与信号转换高度权值模型得出准确的高度差；

用高度差除已知的单层楼的高度得出发射端距离接收端的楼层数；

加上接收端所在的楼层数得出最终的楼层数。

本发明的有益效果：本发明利用无线信号衰减的特性和四面体的体积特性，并使用改进的算法和校正模块能够更准确对楼层进行定位；本发明的无线信号的处理过程，首先根据将接收端的信号进行去噪处理，并结合Shadowin_g信号传播模型，使用四面体底面积和高不变体积不变的原理，再通过气压计和算法的不断的校正，达到更为精确的定位，从而对楼层的准确定位，定位精确度高。

附图说明

附图1为本发明的一种实施例的基于四面体以及无线通讯技术的楼层定位方法；

附图2为本发基于四面体以及无线通讯技术的楼层定位方法数据处理流程简图；

附图3为本发基于四面体以及无线通讯技术的楼层定位方法的系统实现控制流程图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和实例对本发明作进一步的描述。

一种利用四面体以及无线通讯技术的楼层定位系统，如图3，包括：

信号发送端，用于发送无线信号；

信号接收端，用于接收来自发送端的无线信号，并测量出该无线信号的RSSI或CSI值，根据特征值与进行之前训练的参数进行分类匹配距离转换，得出楼层的高度；修正模块，将修正模块测出的结果与无线信号计算出的结果进行对比，如果出现偏差，进行校正，从而使判别算法更为精确；

显示模块，可利用手机端的显示屏或者其他显示模块，用来显示识别出目标楼层的层数。

所述信号发射端和信号接收端为能发射和接收WIFI和900Mhz±100Mhz频段信号的无线移动终端。

所述信号发射端在需要定位的楼层，所述信号接收端在需定位楼层的下方已知楼层且信号接收端的数目为3个，且3个信号接收端所在的位置不相同且互相之间的距离已知(如距离为1米左右)。

所述信号接收端，对每个接收端接收到的无线信号的RSSI或CSI值进行去噪处理；把去除噪声之后的RSSI或者CSI值使用Shadowing传播模型进行距离的换算。

在得出信号发送端相对于信号接收端的距离后，根据四面体全部边的大致长度，利用四面体体积公式：

M＝ad(b+c+e+f-a-d)+be(a+c+d+f-b-e)+cf(a+b+d+e-c-f)

N＝abf+bcd+cae+def

$V=\sqrt{M-N}/12$

进而可以得出四面体的体积；由于信号接收端位置和距离已知，根据3个接收端呈三角形，三角形的三条边已知，利用三角形面积公式：

S＝√[p(p-a)(p-b)(p-c)]

p＝(a+b+c)/2

得出三角形的面积，再利用四面体体积公式：

V＝hS/3

得出信号发送端楼层相对于信号接收端楼层的高度。

所述修正模块使用气压器作为修正模块，气压计测出的值换算成高度，作为参考高度。

使用Shadowing模型把去噪声后的RSSI或CSI转换成距离，转换公式为：

$p\left(d\right)=p\left(d_0\right)-10n{\log }_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right)+X_{\mathrm{\σ}}$

其中d表示锚节点和目标节点之间的距离；p(d)表示锚节点到目标节点距离为d的RSSI值；d0是一个常量，是锚节点和目标节点之间的参考距离；同理p(d0)表示锚节点到目标节点距离为d0时的RSSI值；n是路径损耗指数，它的取值和环境有关；Xσ是一个服从正态分布的随机变量，模型假设正态分布的期望是0，标准差为σ。

本发明同时提供了一种利用四面体以及无线通讯技术的楼层定位方法，包括如下步骤：S1、信号发射端发射无线信号，位于信号发射端底下楼层的三个信号接收端接收信号，测量信号的RSSI或者CSI值；

S2、将RSSI或者CSI值进行去噪处理；

S3、利用Shadowing模型对RSSI值进行距离换算；

S4、利用四面体高度底面积和高度不变体积不变的原理粗略得出楼层相对高度；

S5、利用多次测得高度结合气压计和权值模型修正相对高度数值；

S6、根据接收端所在楼层加上由相对高度转换后的楼层高度，得出接收端最终的高度。

去噪处理具体为：

多次分别采集在直视距下和在n层墙下RSSI或者CSI的衰减数值；

根据不同数目墙的衰减数值计算出衰减因子；

得到准确的衰减因子之后即可用于去噪。

所述步骤S4具体为：在得到一次高度差后，发射端移动一段距离，重复步骤获取多一次高度差；

将两次获取的高度差与气压计获取的高度差输入经过训练的气压值转换高度与信号转换高度权值模型得出准确的高度差；

用高度差除已知的单层楼的高度得出发射端距离接收端的楼层数；

加上接收端所在的楼层数得出最终的楼层数。

在一实施例中，如图2，一种基于四面体以及无线通讯技术的楼层定位方法，其步骤包括：

S1、发射端发射无线信号，位于发射端底下楼层的三个接收端接收信号，测量信号的RSSI或者CSI值；

S2、将RSSI或者CSI值进行去噪处理。

S3、利用Shadowing模型对RSSI值进行距离换算。

S4、利用四面体高度底面积和高度不变体积不变的原理粗略得出楼层相对高度。

S5、利用多次测得高度结合气压计和权值模型修正相对高度数值。

S6、根据接收端所在楼层加上由相对高度转换后的楼层高度，得出接收端最终的高度。在步骤S1中，所述声音搜集装置可以是现有的智能手机等一切能发射和接收WIFI和900Mhz±100Mhz频段信号的无线移动终端，接收端位于发射端下方，接收端位置不同互相之间的距离已知。

请参阅图1，其是整个实验场景的实验布置图，

所述步骤S2是利用测量每一层墙的衰减值得方法计算衰减因子，通过衰减因子去噪声

S21、多次分别采集在直视距和在n层墙下(n大于1)的RSSI或者CSI值；

S22、分析每加1层墙的RSSI或者CSI值得出衰减因子；

S23、得到准确的衰减因子用于去噪；

所述步骤S3，利用Shadowing模型对RSSI值进行距离换算，得出发射端到每个接收端的距离；

所述步骤S4，由于知道了四面体每条边的长度，可以通过计算体积再计算出四面体的高度，四面体的高度即发射端与接收端所在的楼层的相对高度；

所述步骤S5，使用其气压计测量计算接收端和发射端的相对高度，多次移动发射端测量到接收端的RSSI

RSSI或者CSI值，使用已训练好的权值模型得出最终的高度。

气压值转换高度与信号转换高度权值模型将多次的采集气压转换后的高度差和信号转换后的高度差用BP神经网络进行训练，得出最佳的权值模型。

以上内容是结合具体的优选方式对本发明所作的进一步详细说明，不应认定本发明的具体实施只局限于以上说明。对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，均应视为由本发明所提交的权利要求确定的保护范围之内。