【Atmel WINC1500-XSTK申请】WiFi室内定位系统的设计与实现

申请理由：

项目描述：传统的GPS等定位技术在室外已经能够实现米级的精确定位,但在室内环境下难以精确定位,随着WiFi技术的普及以及WiFi热点的覆盖率在近两年内的不断提升,人们对WiFi室内定位技术的研究也越来越深入,定位算法层出不穷,WiFi室内定位技术已经逐渐由研究向商业化转变。基于WiFi的各种应用软件开始如雨后春笋一般的出现,基于观Fi的位置服务也呈现快速发展的趋势。本人完成的主要工作包括:(1)对基于WiFi位置特征匹配的室内定位技术进行了深入研究,分析了各种因素对WiFi信号的影响,发现了传统的基于WiFi位置特征匹配的室内定位技术的不足,并结合项目实现提出了完善基于WiFi位置特征匹配的室内定位算法提髙定位精度的方法:1)在特征库建立阶段加入过滤法,在数据采集完成后,通过统计每个采集点釆集到的各个AP的次数来判断对应每个釆集点的不够稳定的AP信号,然后将其排除,从而达到对数据进行过滤,排除特征库的建立过程中引入的数据误差,提高定位精度的目的。2)在定位阶段加入后矫正法,通过手机自带的加速传感器和计时器计算定位目标从上一次正确定位到此次定位这段时间内所经过的位移,同时计算当前定位结果与上一次正确定位的结果间的距离,如果两个距离之差大于定位系统的定位误差,则认为此次定位结果错误,需重新进行定位以达到矫正的目的。(2)设计与实现了一个基于Android系统的WiFi室内定位系统。包括:1)系统的需求分析;2)前期数据的采集和分析;3)系统特征库的设计与实现;4)定位功能的设计与实现。本文设计与实现的系统能够非常方便的应用于一些大型的展览馆,商场,医院等室内环境下,为用户提供精确的定位服务,帮助用户节约寻找的时间。目前手机导航应用大部分都是釆用GPS技术来实现定位的,在室外能够起到比较好的效果⑴,但如果在室内要实现定位就会出现很大的偏差,这是因为GPS信号经过墙体后衰减非常厉害,甚至无法进入室内,所以很难用GPS技术来实现室内定位,无法满足当前日益增长的用户需求。随着手机的发展,人们希望在室内也能实现定位且对定位的精度要求越来越高,所以人们开始寻找一些方法来实现室内的精确定位。随着无线技术在近几年内的快速发展,WiFi网络的覆盖率也越来越高,因此,研究者们开始对于通过Win来进行室内室外人员和物体的追踪定位开始了广泛的研究,基于位置的服务的出现也受到了人们的关注。基于位置的服务就是通过获得消费者的位置信息来提供一些对应的跟位置有关的服务。在室外环境下GPS定位技术能够给人们提供精确的定位信息,如汽车导航等利用GPS技术实现定位导航的应用系统已经广泛的应用于各行各业的工作和生活中,为人们的生活带来了极大的便利。而现在人们对室内定位信息的需求量也在不断地增加,一些写字楼、大型展厅、机场、室内停车场、矿井、军事训练基地等都需要用到室内定位技术来实现对人员或物品的精确定位。美国、加拿大、日本等发达国家已经在近些年通过大量的人力和物力投入来对无线宽带技术以及相关的产品进行了研究和开发[2】。同时对无线网络也已经日趋建设完成,能够让人们随时随地享受到无线技术带来的巨大便利。国内在近两年也已经开始跟上了发达国家的步伐,开始建设自己的无线网络,在北京、上海、广州等大城市已经实现了无线网络的全面覆盖。同时随着无线网络的快速发展与普及,一些与室内定位相关的技术和应用也开始出现。WiFi室内定位技术是众多室内定位技术中的一种通过WiFi定位技术能够弥补GPS在室内环境下定位不准或无法定位的缺点,同时还能能够提供更为精确的室内定位服务。虽然主流的定位技术还有RFID、Zigbee、蓝牙、红外线等技术,不过这些新兴定位技术仍有各自的限制,其主要原因是需要部署专属的定位网络系统,且需耗费更大的建设成本。相比较之下,通过WiFi来实现室内定位具有较大优势当前,世界各地WiFi热点都越来越多,这给WiFi定位提供了非常好的环境和前提条件,也使得^^^lFi室内定位系统不仅变成了可能,而且变得越来越精确,可以给人们的生活带来很大的帮助,本文就是以此为研究背景,设计和实现用于Android手机的WiFi室内定位系统。室内环境是复杂多变的,通常都会有很多的建筑墙面,室内装饰,人员等,室内装饰并不是每天如一的,经常会出现某一事物跟头一天的放置位置发生变化,而室内的人员也是每天都在走动的,人员的数量等也是不断变化的,这对室内无线定位技术带来了很大的挑战。同时在室内封闭区域内无线信号的传播在不同的环境下会出现不同的效果,对定位精度会造成很大的影响,信号传播的不稳定性也是无线定位技术所面临的一大难题。
随着WiFi无线网络的迅速普及和广泛应用,使用无线网络的进行室内定位的技术方法也得到了长足的发展。WiFi无线网络是20世纪迅速兴起的无线通信技术,技术标准为IEEE 802.11。网络技术具有高速通信,方便部署和低成本的特点,非常符合用户对于移动生活娱乐和移动办公的需求。随着电子技术的发展,各种手持终端设备都已经内置802.11无线网卡,可以十分便捷的接入到无线局域网中,互联网服务提供商为了满足用户对于高速网络的需求,在城市的各个位置布设AP热点,WiFi无线网络的主要应用场景是人员流动较多的地点(如办公楼、学校、商场、酒店和机场),可以说城市的任何角落都是覆盖在WiFi无线网络中。这也是本文系统选择基于WiFi来实现室内定位的原因,与釆用其他无线信号的定位系统相比较,釆用技术有以下的优点:首先,WiFi无线网络是一种已经被广泛采用的网络通信解决方案,它已经成为通信网络中的一个重要组成部分,而且各种终端,如智能手机、笔记本和平板电脑,都已经内置了符合IEEE 802.11标准的无线网卡(NIC,Network InterfaceCard)。因此它可以充分利用已有的无线局域网基础设备,不需要添加其他的信号接收设备或电子标签,从而有效的降低了系统成本。其次,因为无线局域网本身既有数据通信功能,因此无需为专用定位系统添加通信功能,并且有良好的扩展性。最后,WiFi工作在ISM频段,其信号传播范围广,IEEE802.il的理论接入距离是室内100米和室外300米,因此既能被应用在室外又能被应用在室内.
(3)室内区域大小对Win信号的影响室内区域如大型商场,停车场,仓库等,由于其面积比WiFi信号的覆盖面更广,当待定位目标到达WiFi信号覆盖的边缘地带而没有超出室内区域时很容易出现定位差错或者偏移。因为Win信号随着距离的增大会不断减弱,当到达一定距离是其波动性会很大,实际应用时很可能出现时有时无的情况,如果该信号被用来定位则很可能导致错误。所以室内区域的大小直接关系到WiFi定位的精度。(4)环境因素对WiFi信号的影响这里说的环境因素主要指环境的温度,湿度,空气的流通速度等。这些环境因素对WiFi信号也具有相当的影响,能够在定位过程巾扰乱定位的准确性,但环境因素在室内环境巾的变化波动相对较小,如气温,湿度等都不是剧烈波动的,所以这些因素对WiFi信号的影响也有一个范围,在分析数据的过程中可以作相应的处理来过滤这种影响。同时,定期的重新采集定位的参考数据也可以在一定程度上排除这些因素对室内定位系统的定位精度的影响。(5)        WiFi网络设备对信号的影响室内定位所用到的设备主要是路由器等无线网络信号发射器,和WiFi信号的接收设备等,设备的可靠性直接影响到发射或接收的WiFi信号的稳定性,这对于室内定位的精确度来说也具有一定的影响。目前普遍使用的各种信号发射器都己经相对稳定,所以室内定位系统所用到的设备对定位精度的影响相对较小,而且对于不稳定的信号在釆集数据时也可以进行排除蹄选,这样可以将影响降到最低。(6)其他无线信号干扰的影响在使用电子产品时也会产生各种电磁波,例如电视、微波炉等,这些电磁波(1)障碍物对Win信号的影响障碍物对MFi信号的影响是室内环境下最主要的部分,各种障碍物对WiFi信号的反射,散射以及阻挡削弱等对WiFi信号的影响最为明显。室内环境中对TOi信号有影响的障碍物有:墙体,家具装饰,人体等。各种障碍物由于材质不同对WiFi信号的影响程度也不同,有的具有很强的吸收信号的特性,有的具有很强的反射性,这些都是影响定位精度不可忽视的因素。但如果合理的利用这些特性,也可以将此作为判断目标位置的很好的参照,这样也可以使定位精度得到提局。
(2)多径传播通常情况下,发射端发射电磁波是以等向性的传播方式向外发射的,但电磁波由发射端到达接收端的过程中,会因传播环境中各种静止或运动的物体使电磁波经过反射,绕射,散射等作用后,以不同的路径到达接收端,这种现象称为多径传播。由于这些信号是经过不同传播路径而到达接收端的,所以相互之间有着不同到达的角度,到达的时间,甚至不同的相位,而这些信号是相互独立的,这些被称为多径成分(Multi Path Components ),各个AP对这些相互独立的信号进行向量相加合成接收的信号强度。多径传播的叠加结果使接收的信号强度与电磁波的相位有关,从而会出现忽大忽小的振幅波动,一般振幅在20dB和30dB左右变化。图中路径1和路径2就是APi发射的WiFi信号最终到达手机接收端的两条不同的路径。两条路径的信号经过的传播距离不同,受到的影响也不同,最终到达接收端后就会出现同一位置,同一AP的信号强度不相同的现象。        基于WiFi位置特征匹配的定位算法研究很可能对发射端和接收端之间的信号传播进行干扰。对于基于传播模型的定位方法而言,这直接影响到了准确性。
(7)测量为位置对信号的影响当接收端测量MFi信号时,接收端的状态会影响到接收到的信号强度,尤其是当用户在室内动态定位时。由于IEEE 802.11b协议不是用来移动传输信息的,因此利用AP接收信号的稳定性不如GPS好,倘若接收端与AP在不同楼层或屋内进行移动定位时,接收端接收到的信号会更弱,波动更大,这给定位带来更大的困难。现有的定位研究都将实验环境局限于半封闭空间,如走廊、大厅或是空矿区域内。同样,测量时AP的方向以及高度的摆放对接收的信号强度影响很大。当接收端在同一测试点接收同一个AP的信号强度时,不同的方位所测量到的信号强度会有很大差别,当接收天线面向AP时测得的信号强度最大,其次是侧向AP时,背向AP所测量到的信号强度最弱,且强度差可达到20%?25%。这是因为当接收天线背向AP时AP发射的电磁波必须穿透人体或接收端才能到达无线网卡,由于多数AP天线是平行发射,当接收端与AP之间距离远大于AP设置的高度时,接收端的信号强度会急剧下降。不同的室内环境有不同的结构和分布,因此在室内环境下做定位时,必须要考虑上述影响因素,以便满足各种不同环境的需求。