论文总字数：32480字

摘 要

Abstract 5

1. 绪论 7

1.1 WiFi定位系统的研究意义 7

1.2 无线定位算法的研究现状 7

1.3 论文结构 8

2. 系统调研报告及文献综述 9

2.1 系统调研报告 9

2.2 定位技术综述 11

2.3 WiFi定位算法的比较 13

2.4不同Fingerprinting算法之间的比较 14

3. 足球场上运动员的基于WiFi 的实时定位系统设计 16

3.1 引言 16

3.2 课题关键问题及难点 17

3.3 球员定位系统的设计 18

3.3.1 系统所采用的设计思路和原因 18

3.3.2 系统架构 18

3.3.3 硬件设计 18

3.3.4 软件设计 19

3.3.5 Fingerprinting算法的设计 20

3.3.6球员位置的实时显示 24

4. 测试结果 27

4.1 实验过程及结果 27

4.2 实验总结 34

5. 系统精度测试 34

6. 信号调校 35

7．显示测试 37

8. 毕业设计总结及心得 38

致谢 40

参考资料 40

摘 要

随着移动互联网业务的发展，以及人们对互联网的依赖，位置交友、周边搜索等创新的业务不断涌现出来。这些系统的竞争是非常激烈的，比如当下很火热的旅游服务系统：携程、去哪儿，以及形形色色的团购网站，美团等。很明显的，这些系统对定位的延时和要求很高，在终端发起定位请求的几秒钟时，业务对定位精度要求是最高的，但可以先有一个相对粗略的定位结果，等用户进入应用交互时在给出比较精确的定位结果。在这种场景下，GPS定位和移动网辅助的GPS定位都无法满足使用区域的定位延时要求，扇区定位无法满足定位精度的要求，而WiFi定位技术由于其定位速度快、精度较高和能进行室内定位的特征，则是这种场景下的最优选择。在实际应用中，往往采用了以WiFi定位技术为核心的、融合了WiFi和扇区、FPS等多种信号源的混合定位技术。

本文主要描述了这样一个系统：在室外环境中，利用WiFi指纹定位技术对足球运动员的跑动做出定位，并将位置信息显示在上位机上。其中主要描述了基于信号强度RSSI的指纹定位算法以及系统所使用的JAVA语言SWT的编程技巧。此外，还对整个系统的架构以及相关技术做出粗略的介绍，并且附加一些测试结果的数据或贴图，以及系统最终投入使用的情况介绍。

经过此次毕业设计，我不仅对本科学习的JAVA编程温故而知新，还对WiFi定位这种新兴高效的技术有了一定的了解。在市场调研过程中，我发现球员定位技术在国内并不成熟，所以在系统初步完善后还进行了各种测试以及分析，以求今后能够使定位系统具有精度高、容错能力强、可扩展性强的特点。由于自身的知识水平和开发经验尚不足，时间也仅有2个月左右，文中出现的的错误和不足之处，敬请老师及同学谅解并且对我进行批评指正。

关键词：wifi定位；指纹定位算法；JAVA语言；足球场定位

Abstract

With the development of mobile Internet services, as well as reliance on Internet dating innovative business location surrounding search and other techonologies emerg out. Competition is fierce of these systems, for instance, the current system is very popular: Ctrip, where to go and all kinds of 'buy sites', the US group and so on. Clearly, these systems have the high requirements of delaying of positioning , initiating the positioning request in a terminal for a few seconds, the business has the high requirements of positioning accuracy, but you can have a relatively coarse positioning results first, and other users enter application when the interaction is given a more accurate positioning results. In this scenario, GPS positioning and mobile network assisted GPS positioning are unable to locate the delay required to meet the region, the sector can not meet the positioning precision positioning requirements, and WiFi positioning technology because of its fast positioning speed, high precision and indoor positioning feature, it is best to choose this scenario. In practical applications, using a WiFi location technology as the core,and being with the integration of a variety of sources and sectors WiFi, FPS and other hybrid positioning technology.

This paper describes a system: in an outdoor environment, use WiFi fingerprinting location technology for footballer's running to make positioning and the location information is displayed on the PC. Which describes the fingerprinting algorithm based on signal strength RSSI. This system used JAVA language SWT programming skills. In addition, to make a rough description of the overall system architecture and related technologies, and finally put on some additional case test results or map data, and the system description.

After the graduation design, I not only reviewed the undergraduate study of JAVA programming , also have a good knowledge of WiFi positioning which is the new knowledge for me. In the market research process, I found the players positioning technology in China is not mature, so after initial improvement,this system also carried out various tests and analysis, in order to enable the future positioning system with high precision, strong fault tolerance, scalability strong features. Because of its level of development experience and knowledge is still inadequate, and time is only two months or so, at the mistakes and inadequacies appear in the text, please teachers and students understanding and criticism on me.

Key words: wifi location; fingerprint localization algorithm; JAVA language; football field Location

1. 绪论

1.1 WiFi定位系统的研究意义

大数据是当下非常火热的产业领域。在我们的生活中，数据的来源有多种渠道，其中体育比赛中的数据量大、包含信息多、吸引的兴趣也最多（职业足球、职业篮球向来是最烧钱的娱乐项目，赌博公司从中赚取的利润也非常可观）。有一部电影，《点球成金》，说的是美国职业棒球联赛中小球会的教练如何用数据（Sabermetrics）将球队带上亚军的位置，非常好看。电影基于Bill James（http://en.wikipedia.org/wiki/Bill_James）的小说拍成。经过一系列的市场调研，国产的球员场上实时定位系统并未广泛投入使用，我们所看到的一些球场赛况、球员跑位的3D录像信息都使用了国外的技术。基于此，本文所谈到的项目就是运用了WiFi指纹定位技术，并结合自己购买的硬件器材模拟出了足球运动员在球场上的跑位信息。如果这个系统能通过后期的完善继续成熟，那么国产的球员定位系统将在训练中起到至关重要的作用，更大的好处是可以节省不少成本。

无线互联已经成为人们的生活和生产中必不可少的元素，WiFi定位技术成为随之发展起来的新一代更加精确、易于实现的定位技术。和扇区定位技术相比，WiFi定位技术不仅将信号源变成了WiFi的AP，更主要是将定位流程的承载由移动信令网变成了普通的互联网，所以WiFi定位业务变成了移动互联网业务。WIFI技术将逐步替代RF定位,其高带宽,穿透力强,覆盖范围广，用户不用单独部署其他射频网络。另外采用WIFI双向通信机制能够使定位信息更加准确，经过测试，首次定位时间延迟精度达到1秒以内，定位准确率高达百分之九十九，定位精度达到了3~5米。这样精确地定位不论是在生活中或是在商业中都会起到很大的作用。

1.2 无线定位算法的研究现状

WiFi AP的网络环境异常复杂，WiFi布网缺乏统一的规划和优化，WiFi AP和WiFi终端的生产厂家众多，WiFi AP和终端的性能差异巨大。尽管WiFi定位的原理简单，它还可以采用不同的WiFi定位算法来提升定位的精度。

由于WiFi的可扩展性，目前有很多WiFi定位算法扩展了WiFi接口的协议，使得有更多的WiFi信号信息被包括到定位算法中去。这些信息往往能够提升算法的性能。图1-1就是WiFi探测软件inSSIDer的截图。

图1-1 WiFi探测软件inSSIDer测到的周围环境的无线信号

可以从图中看出，探测到的无线网络的每一个数据包都含有这样一组信息，包括MAC地址、网络名称、信号强度RSSI、信道、安全性、最高速率、网络类型等信息。其中RSSI的值在本文所述的fingerprinting定位算法中起到非常重要的作用。

目前，国内外对于无线定位技术的研究是十分重视的，尤其是在国外，10年之前就已经获得了不小的成果。在国外，这种针对对室内无线定位技术研究的机构有：Microsoft、Google、IBM[10]等。主要高校有：多伦多大学、马里兰大学、匹兹堡大学等。其中微软在2000年提出了一种基于无线位置指纹的定位系统，这算是定位技术史上的一次里程碑。这种定位系统使用了当今位置指纹算法中大家熟悉的两个阶段：用于收集位置指纹的离线阶段和在线阶段。 在离线阶段，以网格的方式采集了RSSI样点，并在每个采样点使用无线移动终端采集来自无线AP的信号强度RSSI。在线阶段，系统采用了最近邻算法，得出移动终端的最准确位置坐标。

2002年，Roos等人改进了定位算法，使用了基于概率模型的定位算法，该系统在在现阶段使用了贝叶斯概率算法，将移动终端接收到的RSSI和位置指纹库进行匹配，并估算到最佳位置。同年，马里兰大学研究出了Horus定位系统[11][12]，该系统也采用了概率统计模型，但不同的是，此系统的位置指纹库中录入的指纹信息是所采集的各个RSSI拟合的高斯分布后的参数。这使得精度方面有了很大的提升。

在国内，定位的研究开始的比较晚，主要集中在各大高校中。其中2006年，北京航空航天大学实现了Weyes室内定位系统[13]，该系统采用的也是位置指纹定位，但不同的是，系统将来自不同AP的RSSI值得差分作为位置指纹录入数据库中。从而消除了不同终端对信号的影响。然而，国内的基于WLAN的定位技术尚处于探索阶段，对于减少RSSI的波动性、提高定位精度等问题上还需要进一步的学习和研究。

1.3 论文结构

第1章：绪论，主要描述了WiFi定位系统的研究意义和无线定位算法的研究现状。

第2章：系统的调研报告和文献综述，主要调研了当今市场上已经投入使用过的技术较为成熟的WiFi定位系统，对比了各种定位算法的优势和劣势，针对于本文系统所使用的fingerprinting相关算法（最近邻算法、k-近邻算法、朴素贝叶斯算法）做出了细致的描述。

第3章：足球场上基于WiFi的球员实时定位系统设计，细致描述了球员定位系统的设计过程，包括设计思路和原因、系统功能的描述、架构设计、软硬件设计、算法设计、显示设计。

第4章：系统测试，主要包括在追踪器在遮挡和去遮挡状态下，球员移动和静止状态下，RSSI的丢包率测试和结果分析。

第5章：信号调校，主要调研了目前国外论文中提出的两中调校方式：基于radio bacon的调校方法和自校准方法。

第6章：显示测试，展示了定位系统的界面设计。

第7章：总结，对整个毕业设计进行总结型描述。

2. 系统调研报告及文献综述

2.1 系统调研报告

目前市场上已经投入使用的有关WIFI定位系统有如下几个典型代表：

（1）基于WiFi的智能养老社区实时定位监护系统

它的设计要求如下：

文中所述的养老社区基于Wi-Fi的实时定位追踪管理系统[17]是运用了先进的无线定位技术、安全、并拥有较高定位精度的系统。除了基本要求外，它还有可以适应5年内需求变化的灵活可扩展性。系统的建设应达到如下基本要求：

a.采用的技术应该是业界主流、并且具备一定发展潜力的技术。

b.应具备7×24小时的工作稳定性。

c.具有良好的可扩展性，满足未来不断变化的业务支撑。

d.应对所存储及处理的数据安全管理，确保数据的一致、安全、可靠。

e.针对养老社区服务和管理的业务特点，制定合理的方案

分析：与足球场定位系统相比，养老院定位系统不存在记录人体路线的问题，它只需要找到相关人士所在的位置即可。而足球场定位系统不用考虑7x24小时的工作稳定性问题，它只是一个间断性使用的工具。两者的共同点是：都需要确保数据的可靠性、保密性、一致性，并且需要有一定的可扩展性。

（2）WIFI-RFID实时定位系统方案

主要功能：

a.用户管理：显示所有用户的信息，设定并管理用户的基本信息。

b.实时定位：国内首家自主研发，独创定位算法，精确定位标签实时位置可达3-5米。

c. 区域报警：服务器可设置报警区域，当标签进出报警设置区域，即会触发服务器区域报警功能。

d.即时报警：标签向服务器主动发出报警信号，服务器界面即时显示报警信息。

e.消失报警：标签断电或标签走出无线网络覆盖区域，会触发服务器报警。

f.历史轨迹分析：服务器可对标签的运行轨迹进行回放，分析标签的历史位置信息。

g.无线传感：通过对温度、湿度、气体密度、压力、振动等进行级数设置，超越级数即会触发服务器的无线传感控制功能。

h.标签管理模式：输入标签的个性化信息，对众多标签进行分类管理，可对单个标签进行跟踪，自动生成标签日志管理报表。

i.地图管理：根据标签的运行状况，可以自动切换标签所在位置的电子地图。

分析：我看到本系统对于物体运行轨迹有描述，认为足球场定位系统可以借鉴。算法中可添加对历史轨迹的回放，其中轨迹可以显示在地图上。

（3）武汉市民之家城市规划展示馆“基于WiFi智能实时定位系统”

优频科技[18]的实时定位系统具有以下优势：

a.定位精度高：可以实现定位精度3米，重点区域1-2米；

b.定位算法多：支持多种定位算法，包括三角定位、fingerprinting定位、时差定位、自组网定位提高定位精度和稳定性；

c.定制化计算：可以根据不同的环境场所，设置运行轨迹，增加定位精度和稳定性，不会出现穿墙而过或跳楼层的情况；

d.自适应性强：可以自动判断不同终端的WiFi芯片厂家和人体干扰，自动调整定位参数，增加定位精度和稳定性；

e.定位部署灵活： 提供移动定位器，只要通上电源，部署方便，可以根据不同场景提提高定位精度；

f.定位数量可扩展：单个定位引擎1s内可与多设备通信，采用分布式构架，可以同时支持多方定位，并管理上百万个终端设备；

g.支持任何WiFi终端设备定位：这是此系统最吸引人的地方，定位引擎支持AP主动扫描模式和终端扫描两种模式，虽然iPhone设备的iOS操作系统禁止应用程序获取WiFi的MAC地址，它的独特解决方案可以实现iOS设备定位，并支持在iPhone上推送定位信息；

h.支持WiFi标签： 可以支持单向发射的超低功耗WiFi定位标签、可穿戴智能设备，实现对人员、物品的跟踪；

i.支持云计算：任何地方的定位AP都可以通过互联网传到云服务器上；

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