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基于WiFi的室内定位系统
摘要
由于卫星信号很容易受到各种障碍物阻碍,所以卫星定位技术不太适合室内或高层建筑中使用，而手机网络结合快速定位的方法在近年来随着无线移动通信技术的快速发展,已逐渐被应用在应急救援和各种基于位置的服务中。
定位系统一个强大的补充技术——当前无线室内定位技术的快速发展。
为了方便借助安卓手机的定位系统方便地查询自身位置本文设计及实现了一个室内定位系统，基于无线传感器网络的客户端为配备WIFI模块的Android手机，在一定程度上克服了RSSI信号随机抖动对定位的影响，提高了定位的稳定性和精度，并获取各种基于位置的服务，提高了定位的稳定性和精度，在一定程度上克服了RSSI信号随机抖动对定位的影响。
【关键词】：
WIFI、室内定位、Android
Abstract
traditionalpositioningmethods,suchasthe"GPS"civilian"Beidou"andhasbeenrealizedinoutdoormeterscanachievedecimeterlevelpositioning,positioningthemilitary.However,whethercivilianormilitary,cannotbeacceptedintheindoorpositioningsignal.Inrecentyears,withthepopularityofWIFIdevicesandWIFIsignalcoveragecontinuestoimprove,wearealsobeginningtoWIFIPositioningTechnologyin-depthstudy.Becausetherearemanyvendorsinvolvedinthisfield,soWIFIPositioningAlgorithmisendless.Now,WIFIPositioningTechnologyhasbeguntograduallyoutofthelaboratory,tothemarket.Atthesametime,allkindsofappbasedontheWIFIseemstobeoverwhelmingovernight,IpersonallythinkthatWIFIbasedserviceswillshowablowoutinthenext2-3years.
Mymainworkisasfollows:
1basedontheresearchofsignalpropagationmodel,aWIFIBasedAdaptiveindoorlocalizationalgorithmbasedonRSSIisproposed.Theexperimentalresultsshowthattheimprovedalgorithmhasbetterlocalizationaccuracyandbetterenvironmentaladaptability.Thatis,accordingtotheintensityofWIFIsignalpositioning.
2Researchontheexistingfingerprintbasedlocalizationalgorithm.Thelocalizationprocessisdividedintofourstages,respectivelydiscussthelocationoftheprimitivestageofpretreatmentmethod,solvingthenearestneighbormetric,kneighborselectionandlocationmethodtodeterminetheimpactontheindoorpositioningaccuracy,todeterminetheoptimallocationalgorithmsuitableforthecurrentindoorenvironment.
3designtheindoorpositioningprototypesystembasedonwirelesssensornetwork.Itisprovedthattheimprovedlocalizationalgorithmbasedonthesensorandtheoptimizedfingerprintbasedlocalizationalgorithmhavehigherpositioningaccuracy.
Thispaperwilldemonstratetheindoorwirelesspositioningonthemarketseveralcommonalgorithms,somelargeconveniencestationsandairports,parkinglot,shoppingmallsandotherunits,selecttheappropriateindoorpositioningsystem,providingexcellentservicefortheuser.Saveusertime.
【Keywords】:
WIFI,indoorpositioning,Android,wirelesssensor
1.引言
随着WIFI的不断普及，各类室内定位的需求也越来越多，基于wifi的定位技术也不断发展。
对本文的研究课题将主要从国内外研究现状及背景来对本文介绍，同时说明本文的结构框架。
1.1国内外研究现状
无线定位技术起源于1950年左右，这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统——于64年建成的“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem），也是人类第一次实现了无线定位，它是58年底由美国海军武器实验室开始研制。
美国军队研究实验室（NRL）提出了名为tgtrhrh的用12到18颗卫星组成1000km高度的全球定位网计划，在此之前主要靠惯性导航、观测天象，他们费时费力、且精度较低出错率较高。
此后并于76年、65年和73年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了，美国开始大批量发射导航卫星，在这期间卫星本身也在不断地升级换代。
原子钟计时系统——这是GPS系统精确定位的基础。
二十世纪九十年代开始，第二代卫星在美国开始发射。
为了提高定位的精确度，二十世纪九十年代，全球组网完成。
自从97年开始，以替换服役接近20年的第一代卫星的第三代卫星（同时加入了人为干预、造假读数的功能）发射。
1992，摩托罗拉提出并由其自行研制的个人定位导航导航技术。
美国联邦通信委员会到2005年的时候已要求都必须拥有无线定位功能在所有美国市场上销售的手机。
同时例如早年诺基亚地图软件手机上的，开始大范围使用个人无线定位功能。
如图1-2所示。
图1-2老式的手机定位导航软件
我国为了追赶世界潮流，国家安全，追赶世界潮流，上世纪60年代，于是也开始发展自己的全球定位导航系统。
不过由于众所周知的原因，研究一度中断。
从直到70年代末起，1983年，一个名为“双星快速定位系统”的卫星导航与定位方案在全国科学大会上被提出,此后中国科学家们开始积极探索适合我国国情的卫星导航定位系统的技术途径和方案，随后我国著名航天专家陈芳允院士正式提出，到了1989年，在陈芳允院士的带领下，我国首次利用通信卫星展开了双星定位演示验证试验，证明了北斗卫星导航试验系统技术体制的正确性和可行性。
此后，中国正式启动了该项目的系统建设和发展，1994年在国内利用两颗地球静止轨道通信卫星，实现区域快速导航定位的设想。
并更名为北斗卫星定位导航系统。
各项实验到了2007年基本结束，开始正式组网，并投入商业运营。
该系统到2012年已经可以为亚太用户提供定位服务。
我国的“北斗”卫星定位系统计划到2020年将实现全球定位服务。
飞速增长的性能和基于位置感知的应用的激增伴随着更多新型移动设备，2010年以来，位置感知发挥了越来越重要的作用比如手机、平板电脑、可穿戴设备等。
在室内外环境下，室外定位和基于位置的服务已经成熟，并成为各种移动设备被使用最多的应用之一。
基于GPS和地图的位置服务被广泛应用，连续地可靠地提供位置信息可以让用户体验更好的带来。
提供位置服务的相关技术和产业正向室内发展，无所不在的基于位置的服务是近年来其（室内位置服务所能带来的巨大的应用和商业潜能）主要推动力。
许多国内外知名公司都在竞争这个市场包括OS提供商、服务提供商，设备和芯片提供商。
智能手机的井喷，国内各大厂商纷纷推出自己的导航定位APP在2012年以来，，例如高德导航、腾讯地图、搜狗地图等。
我国的“北斗”卫星定位系统将在2020年前实现全球定位服务。
1.2研究背景
定位技术，用户们对定位服务提出了更高的要求，这从来都是科技工作者们的热门话题，无论是定位精度，还是定位速度、可用范围等等。
可以实现定位的终端随着科技的不断发展，也越来越多。
目前，随着国内各大厂商纷纷推出自己的导航定位APP，带导航的智能手机的井喷，国内各大厂商纷纷推出自己的导航定位APP，例如高德导航、腾讯地图、XX地图等，如图1-1示。
图1-1常见的手机导航软件
以上的基本上是基于手机上的GPS接收器工作的手机导航软件，可以实现精确地定位在空旷的室外，但是根本就无法满足人们日益增长的定位需求。
随着智能手机的普及，人们对定位精度要求越来越高由于GPS卫星发射的信号，无法穿透建筑物的屋顶，因为这一技术根本就不能用于室内定位。
但是人们也要求实现室内精确定位和导航，研究者开始寻找实现室内精确定位的方法，即使在建筑物的窗边能够实现卫星定位，数据精度也很差。
终端上的WIFI模块应运而生。
随着网络科技的快速发展，配备WIFI功能的设备日渐普及且有WIFI覆盖的地方也越来越多，WIFI日渐普及。
研究人员为了来实现对室内人员和物体的定位，开始试图通过WIFI。
在室外，卫星定位的确可以精确的提供位置信息，人们也开始关注基于位置的服务，例如汽车、远程火箭弹末端精确制导、导航等，甚至有外军说这些导弹的精度并不比火箭弹高多少，火箭弹根本就是导弹。
大家现在对室内定位也新产生了很多需求。
例如都迫切需要实现室内定位的大型商场、机场、车站、仓库、军事基地等，以为更好的服务客户或者客户实现高效管理。
人们享受到了巨大的便利和实惠在网络时代。
近几年来投入了大量人力、物力、财力的美国、日本、欧盟等，无线网络的覆盖范围也日益扩大，对无线带宽技术进行研究和开发也日益扩大。
我国近几年的无线网络建设也开始逐步超越一些老牌发达国家，一线城市基本实现了公共场所无线网络的全覆盖。
同时避免重复建设，一些基于WIFI的室内定位技术和应用也出现了，为了更加高效地利用现有的WIFI热点。
更是随着WIFI的普及，2013年来，基于WIFI的室内定位技术得到了广泛的发展和关注。
且WIFI网卡已经成为了市面上所有手机的标准配置，所以WIFI定位成为了一种极具潜力的室内定位技术。
基于WIFI的定位技术比传统定位技术的覆盖范围更加广泛，可充分利用现有的基础设施，不需要再进行大量基建，节约成本。
本文就是以此为背景进行对比和论证对于市面上一些常见的WIFI室内定位的算法。
因为需要专门的硬件设备，如果采用需就要很高的建设成本。
在现有的场所加装，也可能会耽误场所的正常活动。
还有，如果大型场所采用此类方式实现定位，发射信号设备的功耗电源排线等也是个大问题，例如蓝牙、红外定位技术，传输距离也过小。
所以虽然目前室内定位技术还有例如RFID、红外、蓝牙、ZIGBEE等技术，但是它们的限制都很大，很难推广开来。
而高昂流量费用令人望而却步的AGPS也可以实现较为精确的室内定位。
因此很多无限室内定位技术中优势最多的一种技术就是WIFI定位技术。
随着WIFI网络、移动通信和普及计算技术应用的不断深入和普及，位置感知计算、基于位置的服务越来越重要，典型的例子有位置查找、汽车导航、矿井下定位、社交软件定位，寻找宠物、物品等。
但由于卫星信号容易受到各种障碍物遮挡，GPS等卫星定位技术并不适用于室内或高楼林立的场合，目前无线室内定位技术迅速发展，已成为GPS的有力补充。
现在，WIFI已经成为基础网络通讯架构中的一个组成部分。
许多移动设备，像笔记本、PDA、智能手机，已经内置了对无线局域网的支持。
因此，它可以有效地避免了部署专用的网络体系架构，不需要添加其他的硬件设备或电子标签，从而降低了成本。
WIFI室内定位技术是一种低成本、简单易行的定位技术，特别是在WIFI热点广泛部署的室内环境下，采用运用该技术进行室内定位是一种非常好的选择，因此应用前景十分广阔。
怎么样确定使用者的位置是实现基于位置服务的核心问题。
现在，使用率最大、定位覆盖范围最广的定位系统是GPS全球定位系统。
[1]GPS是在70年代初美国出于军事目的开发的一种卫星导航定位系统，并于80年代初投入使用。
相较于GPS，我国也在2003年投入了大量资金开始建造北斗卫星导航系统。
世界第一大信息技术研究与咨询公司GARTNER在2006年8月发布了《2006年新兴技术发展周期》的报告，该报告对36项重要技术的成熟度、影响力、市场接受速度以及未来十年的趋势进行了评估。
其中，定位技术被评为具有特别高影响力的技术。
可见，对基于无线局域网的室内定位技术的研究具有重要的现实意义和应用价值。
GARTNER指出在未来五年内，位置感知应用程序将成为主流。
1.3论文的组织架构
第一章为引言，介绍基于WIFI的定位技术，描述了本文研究的目的和意义，同时目前国内外的发展研究现状。
第二章为室内定位的描述，主要介绍它们的优缺点进行比较、分析目前比较常见的定位方式。
同时对比较常见的几种定位算法进行简单的介绍。
第三章为需求分析。
第四章为WIFI定位系统设计，算法描述。
第五章为系统实现，实现基于wifi的室内定位系统，完成室内定位功能通过图文加代码的形式。
第六章软件测试，软件的性能和功能的测试。
第七章总结和展望，对工作的总结，未来的展望。
对老师和家人朋友的致谢以及参考文献在最后。
1.4本文研究的目的和意义
现代社会人们对生产生活中的安防和智能化的需求精确定位技术在许多室内场景的实用性和必要性已经日趋显著，越来越高了。
但是目前手机的定位导航这种技术只能在开阔的室外才能使用，大部分都是通过GPS来实现的，且精度较低。
即使使用精度较高的虽然只要有GSM手机信号就能定位的AGPS，令人望而却步的是高昂的流量费用，急需替代技术方法，根本就无法大规模应用，而WIFI定位技术就是目前最佳的替代方案。
因此开始有人研究通过WIFI给室内外人员、物体定位的方式。
现如今，随着WIFI设备的普及，WIFI的网络覆盖也随之扩大。
这种受到了人们的广泛关注的基于位置的服务，使得人们也对此的应用充满憧憬，如图1-3所示。
图1-3人们对基于位置服务的期待
从上图中，不难看出，无线通讯中，大量用户的位置是在繁华的城市中的高层建筑物内，用户也有大量时间是在建筑物内部逗留。
所以即将井喷的是对室内的的定位的需求也。
对物体定位导航的需求也呈现上升趋势和人员定位一样。
这将产生跟多的商业、军事价值。
例如，引导旅客前往相应的候车、候机区，将顾客引导到其需要的商品前等等。
因此，室内定位的应用前景管广阔、市场巨大，一些大型车站、机场、商场、写字楼、大型停车场、大型学校甚至于军队的大型军事基地等都对此非常感兴趣。
本课题的研究目的就是寻找实现上述功能的方法、途径，同时对WIFI定位技术中的几种算法进行比较。
2室内定位的综述
有很多的墙面、柱子、隔断，所以室内环境的情况是非常复杂的，还有很多装饰、干扰源等。
且室内的装饰、摆设等也会经常发生变化。
而不管在数量上还是位置上室内的人员也在时时变化，以上种种问题都带来了很多困难给无线室内定位。
同时这对室内定位的准确性和精确性带来了很大影响，由于室内的干扰源过多，信号传输的稳定性也是无线室内定位技术急需解决的问题。
2.1室内GPS定位技术
无线室内定位主流架构分为两种，分别是：
移动终端型与基站型。
基站型是使用各个基站下发的信号来确定位置，而移动型恰恰相反，是使用终端上传的信号来确定位置，使用搜集到的信号来确定位置。
室内定位指的是：
在室内环境下，接收终端在确定的某一个时间点在参考坐标系中的相对位置。
[2]在室内的环境下，基本采用无线局域网络来估算接收终端的位置。
在常见的无线局域网络中，接入点就是这个网络的基站。
无线局域网络基本上都采用射频信号用于无线通信。
由于无线电波能够穿透混凝土等大部分材料，因此它可以提供很大的网络覆盖，而覆盖强就是定位技术的硬性要求之一。
这里的“室内”，不仅仅是指建筑物的内部或者一个全封闭的空间，还包括一些半封闭的空间，例如茂密的森林、井下、密集的建筑区等等。
这些半封闭和全封闭的空间内统称为室内空间。
常见的专业术语如下：
1.TDOA（TimeDifferenceofArrvial）不同信号到达的时间差
2.AOA（AngleofArrival）信号到达的角度
3.TOA（TimeofArrival）信号到达的时间
4.RSSI（ReceivedSignalStrenghtIndication）接收到的信号强度
2.2无线室内定位技术的概述
目前应用最为广泛的定位技术是卫星定位，其中使用最多的是GPS，目前技术已经发展到可以提供快速、准确的定位了。
但在室内环境下由于卫星发出的信号受到建筑物的影响而衰减，基本上无法收到信号，因此接收终端在室内使用的时候，不可能做到跟室外一样直接从卫星发出的信号中提取定位数据。
卫星定位的优势就是卫星信号的覆盖很广，且目前信号是免费使用的。
缺点就是信号到达地面时比较弱，更不要提穿透建筑物等障碍了。
AGPS的研发初衷就是为了弥补卫星定位在较为密集的建筑群或者森林中无法使用的缺点，当然该技术也可用于室内定位。
只好使用延长从每个码延迟上的提留时间的办法来达到较高的信号灵敏度，但是即便如此也无法顺畅地在室内使用GPS。
AGPS（AssistedGlobalPositioningSystem，全球网络辅助定位系统）为这个技术问题提供了解决方案。
所以，如何降低AGPS的接收模块的硬件成本，也是各大厂商的研究目标之一。
目前，普通的GPS接收模块，越来越小型化的方向发展。
并实现了将GPS的RF（RadioFrequency）电路和多相关器电路集成到设备的综合数字电路或者整机的RF电路中。
AGPS是指接收卫星信号，并使用移动蜂窝通信进行辅助定位的技术。
但是由于很多设备的没有配备AGPS的接收模块，因此这种定位技术也受到了很大的限制。
普通的GPS定位，通过接收和解析卫星信号来确定精确位置，从开机到定位的时间很长，民用版有时甚至会长达数分钟，军用版至少也需要几十秒。
AGPS通过结合卫星信号和移动蜂窝网络的信号的方法，帮助用户在密集的建筑群、茂密的森林等卫星信号无法覆盖的地方实现快速精确地定位，同时提高了终端设备的定位成功率，只要有手机信号可以说达到了99%以上。
AGPS由于结合卫星定位和移动蜂窝网络网络技术，再加上3G和4G信号的助力，有的甚至于在刚刚开机时，接收器下载和解码从卫星上获取的数据直接改为从移动网络接收定位信息，基本不使用卫星信号。
从而有更多的时间来跟踪和处理卫星信号，从而将初次定位时间缩短到10秒内。
。
下图（图2-1）为AGPS的定位原理。
图2-1AGPS的定位原理
2.3室内的无线定位技术简介
随着人类对高鑫技术的不断地追求，即便在无线室内定位遇到各种各样困难的情况下，人们也没有放弃实现无线室内定位。
因为目前无线室内定位的意义很大，能带来巨大的便捷。
由于研究人员想要尽可能地降低室内复杂的环境给定位带来的干扰，尽量提高精度和定位的可靠性。
因此现在市面上无线定位的技术有很多，下面就简要地介绍几种。
1.超宽带（UltraWideBand）室内定位技术：
这个技术名字听上去可能非常地高端，但实际上就是一种非常传统的无线定位技术，早在二战时期纳粹德国就开始研究了，靠此造出了反舰导弹。
超宽带技术可以以极窄脉冲方式进行无线发射和接收，是一种可以完全舍弃波载调制的方式。
它的主要优点有很多，例如设备结构简单，造价低廉，传输带宽很大，容量大，功耗低等等。
但是也有一个致命的缺点，那就是抗干扰能力很弱。
因此，德军紧急把反舰导弹部署到诺曼底附近，都是徒劳。
同时，现代建筑物中少不了各种复杂的电磁信号，即使接收终端能够接收到信号，误差也会很大。
2.红外室内定位技术：
红外技术的应用已经非常广泛和成熟了，在很多领域都有使用。
小到电视机的遥控器，大到弹道导弹都有应用。
红外室内定位的原理是定位终端接收安装在室内指定位置的光学传感器发出的信号，从而实现定位的。
这种方式在较为空旷的室内是可以实现的，但是由于红外线的穿透能力很差，根本就无法穿墙，同时在遇到移动的人员或者玻璃时，误差很大，而为了减小误差只能在各个角度、距离安装大量的设备。
同时，光学设备的制造、维护费用很高。
因此，红外室内定位仅适合在复杂电磁环境下使用，且室内环境还必须相对简单。
3.射频识别室内定位技术：
这种技术是使用射频方式进行双向非接触式数据交流来实现定位的。
好处是响应时间较快，制造成本也比较低。
但是其传输距离较短，且没有通信功能，无法跟其它系统整合。
因此，这个技术也只存在于实验室中。
4.超声波室内定位技术：
这种技术类似于雷达，是由主机发射电磁波，然后接收物体的回波来确定位置的。
这个技术的好处就是不需要终端设备，可以在对方毫不知情地情况下进行定位，并且精度也是最高的。
但和上面的同样，容易受到干扰。
同时它的设备价格很高，成本比较高。
同时由于复杂的法律问题，一次这个技术也无法普及。
5.WIFI室内定位技术：
这比起上面四种都是很大的优势。
WIFI室内定位技术通过AP路由器与移动终端设备的无线信号交换确定目标的位置来实现定位的。
且WIFI可以通过多个路由器一同确定终端的位置，以提升定位精度。
本文主要说的WIFI实际上就是IEEE802.11标准，WIFI网络由两个部分组成，分别是AP（AccessPoint）路由器和无线网卡。
很多公共场所本身就有WIFI网络覆盖，大部分也仅仅需要升级软件就能实现定位功能，基本不需要进行大规模投资就能实现WIFI的通信距离较远，在空旷的地方甚至可以达到500米，在比较封闭的室内也能达到40~50米，通信距离的远近主要取决于发射器的功率。
。
因此WIFI室内定位技术不管是技术优势还是成本优势，都是最佳选择。
6.蓝牙室内定位技术：
目前市面上大部分手机、平板等都配有蓝牙模块。
可以说，这种技术的群众基础比较好且不易受障碍物的影响。
蓝牙可以通过信号衰减的程度来确定距离，由此也可以看出蓝牙技术的传输距离非常有限。
因此，蓝牙技术仅使用于小型的室内房间，应用也非常有限，例如布置在教室中用来点名、布置在小型仓库中，用来快速找到物品等。
蓝牙技术，大家应该是非常熟悉的了。
是一种可以实现近距离数据交换的技术。
如果试图在较大的室
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