基于WiFi环境的室内定位系统设计与实现

论文总字数：22963字

摘 要

WiFi的应用随着技术的进步、公共无线网络的普及、移动终端的智能化推广到各行各业，定位服务也随着时代的变化迅速发展，人们对于定位服务的需求也相应提高了。除了传统的室外定位技术，一些结合了行业要求或者更加贴合人们日常生活的定位需求的应用软件营运而生。例如医疗行业的老年人跟踪监护软件；超市的导购定位软件与消费者消费习惯收集软件；出行实时定位、路线导航软件等。这些应用都需要高精确、快响应的定位技术做支持。利用无所不在的WiFi信号来定位，可以规避GPS卫星定位需要在空旷的室外才能准确定位的缺陷。利用无线网络进行定位，可以弥补了卫星定位在室内环境下定位的诸多不足。

而且无线信号定位还具有功耗小、无需额外部署设备等优点，因此成为了在室内进行定位的最佳技术选择，具有重大科学意义与光明的市场前期

本文从各种类型的定位技术开始，介绍了基于无线网络的定位技术；其中着重介绍了基于信号强度的定位技术(RSSI)的特点，分析了能够在无线信号网络中实施的基于RSSI值的定位技术的实现方法。由这种指纹定位法展开，本文介绍并开发了一个基于无线信号强度（RSSI）的定位系统，系统主要分为客户端、服务器、数据库三部分，包括离线训练模块和在线定位模块两大模块。并对系统的功能分模块进行了测试，对测试结果进行了精确度分析，总结了设计所取得的成果，指出了系统的系统算法与设计上的缺陷，并对无线定位技术的前景作出了展望。

关键词：WiFi定位；室内精确定位；RSSI定位技术；定位策略

Abstract

With the development of WiFi technology, the promotion of public WiFi, mobile intelligent terminal, WiFi technology has been widely used in various industries. Location-based services market also developed rapidly, while the demand for location-based services increase quickly. It is where precise positioning technical support in need, such as track and care patients in critically ill, delivery baby anti-stealing, expensive medical equipment monitoring; shopping cart positioning, customer spending habits collected; prison emphasis prisoner tracking; travel route/real-time location tracking guidance. Since the GPS satellite positioning required a relatively open, less dense high-rise buildings to place more precise positioning, but cannot be used indoors, high power consumption characteristics, the use of widespread WiFi networks, on the floor in indoors or in dense locate targets to become the better choice. With WiFi network positioning, you can compensate for the limits of GPS applications in building dense area or indoor, and it can also expand the range of applications location-based services in different industries, improving accuracy and equipment utilization, reducing deployment costs, shorting the time for respond to emergencies and rescue.

This paper starts from the basic principles of WiFi technology, and the underlying communication protocol, introduces the location technology networks based on wireless; highlights the based on signal strength positioning technology (RSSI) characteristics, analyzes the way to implement in a WiFi network using RSSI empirical value positioning technology and positioning strategy based on probability models. Accordingly, this paper designed and developed a technology based on WiFi positioning system. System is designed to include the client and server-side two-part applications, including: client module, positioning module, graphic display module. This article also introduced procedures and test results of the system under test environments in detail, and analyze the accuracy of test results. Finally, this paper gives a simple summary to the outcome achieved in this design, while noting the remaining problem with the system, and prospects the future based on the research results at this stage.

Key words：WiFi positioning; Accurate indoor positioning; RSSI positioning technology; Positioning strategy

目录

本科生毕业论文（设计） 1

第一章 绪论 5

1.1课题研究背景及意义 5

1.2国内外研究现状 6

1.3设计目标和创新 7

1.4论文结构安排 7

第二章 基于WiFi的定位方法的综述 8

2.1室内无线定位技术的分类 8

2.1.1 直接感知定位法 8

2.1.2三角定位法（包括AOA、TOA、TDOA等） 8

2.1.3航位推测定位法 9

2.1.4位置指纹定位法 10

2.2定位算法的评价标准 10

2.3本章小结 11

第三章 系统构架与算法设计 12

3.1定位算法的选择 12

3.2.1定位系统的架构设计 12

3.2.2 系统的交互流程分析 13

3.2.3开发工具的选择 14

3.3本章小结 14

第四章 服务器端设计 15

4.1需求分析 15

4.2数据库设计 16

4.3开发环境介绍 19

4.3.1Eclipse开发环境 19

4.3.2MySQL 19

4.4本章小结 19

第五章 客户端设计 20

5.1Android平台介绍 20

5.2WiFi信息解析与提取功能的实现 20

5.3界面与功能设计 21

5.3.1离线训练阶段 22

5.3.2在线定位阶段 24

5.4客户端与服务器的通信连接 25

5.5本章小结 25

第六章 系统测试与结果分析 26

6.1系统测试环境选取 26

6.2功能测试 26

6.2.1离线阶段功能测试 26

6.2.2在线定位阶段功能测试 27

6.3误差产生原因及分析 27

6.4本章小结 27

第七章 总结与展望 28

1. 绪论

1.1课题研究背景及意义

从2008年Android操作系统诞生以来，搭载Android平台的移动设备数量也与日俱增。据2012年下半年数据显示，全球搭载Android操作系统的设备已经超过5亿台，平均每天新激活的Android的设备超过150万台之多。Android的版本也不断跟新，历经多代，从1.0发展到了今天的5.0，每一代都对上一代继承与发扬，而基于Android操作系统开发的应用软件数量也呈爆炸式增长，其中定位软件是Android操作系统应用软件中长久以来一直最受欢迎的种类之一。

定位应用有赖于对位置的精确、快速反馈。传统的卫星GPS定位方法存在功耗大、成本高，反馈较慢等特点且在室内与高楼等障碍物林立的地区，无法穿透障碍物，存在定位盲区无法定位等局限性，GPS并不能满足所有的定位服务市场需求。在这种情况下人们急需找到一些新的定位来弥补GPS定位的诸多不足。而WiFi室内定位技术就在这样的环境下应运而生了。无线WiFi定位技术不需要额外部署发射信号设备，直接利用待测定区域现成的路由器信号和公共WiFi信号的信息就可以完成定位。由于当下无线网络在现代生活中已经无处不在，人们几乎可以在任何时候任何地点使用手机与运营商的无线网络。使用十分普及便捷的智能手机作为定位的终端又无需再增加硬件成本，只需要开发一个应用软件，使用Android内置的接口获取无线信号信息即可。虽然其他的室内定位方法还有红外线, RFID、ZigBee、蓝牙、射频、超声波和磁场等，但这些定位方法往往有各种各样的局限性。如都需要额外布置信号网络、易被扰动稳定性不足等。

基于无线WiFi技术的室内定位系统的应用场景有以下这些例子:

在大型会展业中，事先布置好无线信号室内定位系统，参观者们可以在会展入口扫码提前下载室内定位软件客户端，通过手机收集无线信号与服务器进行连接将参观者的位置信息发回移动终端上。通过这种办法会展中心可以根据参观者的室内定位坐标有针对性地精确推送相关解说以及更加丰富的图文类容。优化参观者的用户体验。

在医院、养老院、幼儿园、监狱等有被监护人员的环境中，也可以使用室内无线定位系统。在相关场景事先布置好无线室内网络后，可以开发一种可穿戴智能设备，如手环等，内置定位系统APP，这个APP还可以根据具体应用场景的不同添加其他功能。比如在医院。养老院中，定位系统APP可以结合病人、老人的身体指标进行监测。当病人、老人身体被监测到异常时，无线定位系统立刻被触发位置上传功能，将室内位置信息精确快速反馈给监护人员，可以很大程度地提高救援的效率与速度。在其他应用环境中，监护人员也可以实时观测被监护人的位置，防止被监护人走丢。

在大型百货超市中，提前部署无线定位网络后，将室内无线定位系统的客户端推广给超市顾客安装。超市可以根据顾客们的移动位置与驻留时间计算超市各个分区的客户流量，帮助超市更加有效率的建设超市的商品布局。同时，可以收集用户购买习惯。还可为顾客精确推送商品信息如商品所在分区、商品信息等。另外可根据顾客购买习惯针对性推送广告。这样可以使整个商场的购物过程变得更加流畅，减少人工导购、管理成本。

根据上面对定位技术的分析，以及无线定位技术应用到我们生活中的的几个例子可以看出来，室内无线定位技术前期广阔，而具体采用何种方式定位最有效？在不同的情况下采用的室内定位方式有何不同？这已经成了国内外室内定位所研究的重点。

1.2国内外研究现状

RADAR系统、Eorus系统, Nibble系统与Weyes等室内定位系统是近些年国内外无线网络室内定位技术上比较有代表性的成果。这些系统已经在很多领域已经投入使用，并取得了阶段性的成功。

(1) RADAR系统

RADAR系统是一个较典型基于的RSSI位置指纹定位算法的系统。它是由微软公司在2000年所创建的。与RSSI位置指纹算法一样，RADAR定位系统的工作也分为两个部分，包括离线训练阶段与在线定位阶段。离线训练阶段是指确定待定位区域后，在该片区域大规模采集信号样本，将地理坐标信息与信号样本联系起来存入数据库中。在线定位阶段就是指将当前定位端接收到的无线指纹与已经建立的无线位置指纹数据中的无线位置指纹进行匹配，将匹配度最高的无线位置指纹的位置信息反馈给定位终端即可完成定位。RADAR定位系统的优点在于这已经是一个完整的系统，直接使用该系统不需要再开发一个新的应用程序。而缺点与许多无线室内定位技术一样，当室内信号信息、或地理信息发生改变时，必须重新建立无线信号位置指纹数据库。

(2) Eorus系统

Eorus定位系统与RADAR系统一样是一种采用利用信号强度的不同来定位的算法。但Eorus定位系统建立RSSI位置指纹数据库的方式与RADAR系统不同，是利用概率模型来创建信号数据库。Eorus在采集到不同位置的大量的位置指纹信号后，将这些无线信号数据构成每个发射源的RSSI信号强度值概率分布，再将这种分布规律存入RSSI数据库中。在实际定位操作中，Eorus系统不必将定位端采集到的数据与整个数据库中的信号概率分布数据进行对比，而是在定位时采取一种缩小范围搜索的方法缩小定位端可能所在的位置。这种辅助的缩小位置的方法可以提高整个算法的速度。

(3) Nibble系统

不同于前两个算法都是属于使用信号强度作为建立指纹数据库的依据，Nibble定位系统采用信噪比（SNR）作为定位系统所采集的样本。Nibble系统将采集到的信号的SNR与待测区域坐标点结合建立数据库。一些学者认为信号信噪比比信号强度更能反映出位置的特征。Nibble定位系统也使用概率分布方法建立数据库，但Nibble系统使用的是贝叶斯网络来创建信噪比概率分布于位置坐标数据库。Nibble系统将很大的区域当做一个点来进行定位，因此Nibble系统在较大的室内环境中定位较快较好，但当对定位准确度要求较高时，Nibble系统很难满足对精度的要求。

1.3设计目标和创新

现在的WiFi定位一般分为两个阶段。第一个阶段为训练阶段，需要人员采集待定位区域上的信号信息，结合定位区域坐标，存入服务器端的数据库中。第二个阶段为定位阶段，由用户发出定位请求至服务器后，服务器端经过对已经采集的放在数据库中的坐标信息与信号信息进行检索与计算后，返回一个坐标完成定位。这样做的软件在实际操作过程中往往面临一个困难，就是第一个阶段即训练阶段过程中，采集信号人员该怎样确定自己的坐标？实际操作中，采集信号人员往往要掌握待待定位地区的地图，或使用一些辅助手段（如GPS)来确定自己的精确位置，这给采集信号人员的采集工作带来了很多不便。考虑到这一点，笔者直接将待测区域的地图直接集成在软件中，这样采集信号人员可以通过观察自己周围的参照物等方法确定自己的具体位置。这一设计思想是将采集信号人员也看做自己的用户，在设计中优化了采集信号人员的用户体验，大大简化了采集信号人员的工作难度。

1.4论文结构安排

本论文主要分为绪论、基于无线信号的定位方法的综述、系统构架与算法设计、服务器与客户端设计、测试与结果分析和展望与总结几部分。第一章的主要内容是无线WiFi室内定位技术的研究背景与意义、国内外研究现状，以及论文内容和结构安排。第二章是基于WiFi的定位方法的综述，介绍了国内外各种室内定位算法的研究现状与应用情况，并分析了它们的优劣。第三章系统构架与算法设计介绍了选择本设计用到的RSSI指纹定位算法的原因，并介绍了本系统的设计框架与开发环境。第四章介绍了服务器及数据库的功能设计及技术路线。第五章介绍了客户端的界面设计与功能设计，还介绍了客户端与服务器的通信方法。第六章测试与结果分析则是对该系统进行了实地测试，对测试结果的精确度进行了分析，并提出了改进方向等。第七章对总结了本设计所取得的成果，分析了本设计的一些不足之处和可以改进的地方，结合国内外研究现状与用户需求，展望了未来室内定位技术可能的发展方向和应用领域。

1. 基于WiFi的定位方法的综述

基于卫星定位的方法，如美国的GPS全球地位系统、欧洲等国的伽利略系统以及中国正在部署中的北斗卫星导航系统是最被广泛使用的室外定位方法。卫星定位具有很多优点，如定位覆盖范围广、精度高等特点，不仅可作为民用，在军事、航空、航天等领域也有非常重大的意义。但卫星定位的初次定位需要发射卫星，成本极高。在高楼林立的市中心等特殊地形下和室内环境中，卫星定位的信号很难穿过障碍物，无法再这些环境中发挥作用。基于无线信号的定位方式则具有成本低，地位迅速等特点，可以作为全球地位系统在特殊环境下的补充，也可单独用于室内定位等情况下，具有极大的发展潜力和市场前景。

2.1室内无线定位技术的分类

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