基于wifi的控制裝置設(shè)計(jì)

1、基于wifi控制裝置設(shè)計(jì)姓名： 系別： 摘 要: 本文設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于WiFi 射頻信號(hào)強(qiáng)度指紋匹配的移動(dòng)終端定位系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于權(quán)重值選擇的定位算法。該算法為每個(gè)掃描到的AP 的RSSI 設(shè)定了選擇區(qū)間，指紋庫中落在此區(qū)間的所有位置點(diǎn)設(shè)平均權(quán)值，最后選取權(quán)重值最大者為待定位點(diǎn)的位置估計(jì)，如有相同權(quán)重值，則比較信號(hào)強(qiáng)度距離，取最小者，這種算法在一定程度上克服了RSSI 信號(hào)隨機(jī)抖動(dòng)對(duì)定位的影響，提高了定位的穩(wěn)定性和精度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，此系統(tǒng)在4 米范圍內(nèi)具有良好的定位效果?？刹渴鹪谡桂^、校園、公園等公共場(chǎng)所，為客戶提供定位導(dǎo)航服務(wù)。定位算法運(yùn)行于服務(wù)端，客戶端為配備WiFi 模塊的

2、Android 手機(jī)。借助該定位系統(tǒng)，基于Android 系統(tǒng)的移動(dòng)終端可方便地查詢自身位置，并獲取各種基于位置服務(wù)。關(guān)鍵詞: 接收信號(hào)強(qiáng)度；無線室內(nèi)定位；射頻指紋；Android 操作系統(tǒng)Design and Implement an Indoor Location System based on WiFi此處為英文姓名以及英文系別Abstract: This paper designs and implements an indoor location system based on WiFi for mobile user with Android handset. A locating

3、 arithmetic based on Weight-Select is introduced to filter the random noise of RSSI. For each location in Radio Map, a weight is set if the RSSI of the AP scanned is in the interval preset. Then max-weighted location or the min-RSSI-distance among them will be selected as the estimated position. Acc

4、ording to experiments, 4-metre locating precision is available. It can be used for locating and navigating in such scene as exhibition center, campus, park, and so on. Users equipped with Android handset could get its location and some intelligent services. It is also an open and extensible system.

5、Some locating arithmetic also could be tested on this system.Key words: Received Signal Strength, Wireless Indoor Locating, Radio Map, Android Operating System.1. 引言位置信息在人們的日常生活中扮演著重要的作用。在郊外、展覽館、公園等陌生環(huán)境中，使用定位導(dǎo)航信息可為觀眾游覽提供更便捷的服務(wù)；在倉儲(chǔ)物流過程中，對(duì)物品進(jìn)行實(shí)時(shí)定位跟蹤將大大提高工作效率；在監(jiān)獄環(huán)境中，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握相關(guān)人員的位置信息，有助于提高安全管理水平，簡(jiǎn)化監(jiān)獄管理工

6、作。目前全球定位系統(tǒng)是獲取室外環(huán)境位置信息在緊急救援和各種基于位置服務(wù)中逐漸得到了應(yīng)用。但由于衛(wèi)星信號(hào)容易受到各種障礙物遮擋，GPS/APGS 等衛(wèi)星定位技術(shù)并不適用于室內(nèi)或高樓林立的場(chǎng)合，目前無線室內(nèi)定位技術(shù)迅速發(fā)展，已成為GPS 的有力補(bǔ)充。一般來講，使用無線信號(hào)強(qiáng)度獲取目標(biāo)位置信息的過程，就是建立無線信號(hào)強(qiáng)度和位置信息穩(wěn)定映射關(guān)系的過程?，F(xiàn)有室內(nèi)無線定位系統(tǒng)主要采用紅外、超聲波2、藍(lán)牙、WiFi、RFID等短距離無線技術(shù)。其中基于WiFi 網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)由于部署廣泛且低成本較低，因此備受關(guān)注3,4。其中由微軟開發(fā)的RADAR 系統(tǒng)是最早的基于WiFi 網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)。它采用射頻指紋匹

7、配方法，從指紋庫中查找最接近的K 個(gè)鄰居，取它們坐標(biāo)的平均作為坐標(biāo)估計(jì)。而文獻(xiàn)5介紹的室內(nèi)定位系統(tǒng)則基于RSSI 信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，采用貝葉斯公式，通過計(jì)算目標(biāo)位置的后驗(yàn)概率分布，來進(jìn)行定位。本文同樣基于WiFi 網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種無線室內(nèi)定位系統(tǒng)，但與上述定位方法不同，本文采用了基于權(quán)值選擇的定位算法，在一定程度上減少了RSS.信號(hào)隨機(jī)變化引起的定位誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可獲得較好的定位精度（4 米）。2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)可為移動(dòng)終端客戶在展館、商場(chǎng)、校園等應(yīng)用場(chǎng)景提供定位服務(wù)。鑒于移動(dòng)終端受到計(jì)算能力、存儲(chǔ)容量和電池電量等諸多限制，所以僅完成簡(jiǎn)單的信號(hào)采集工作，定位計(jì)算由定位服務(wù)端完

8、成。定位系統(tǒng)的架構(gòu)體系如 所示。服務(wù)端主要負(fù)責(zé)定位計(jì)算和響應(yīng)終端的定位請(qǐng)求。基于負(fù)載均衡考慮，響應(yīng)位置請(qǐng)求的Web 服務(wù)器和運(yùn)行定位計(jì)算的定位服務(wù)器分離，數(shù)據(jù)交換方式采用客戶端和Web 服務(wù)器相同的數(shù)據(jù)交換方式?？蛻舳艘栏接诰唧w對(duì)象，主要負(fù)責(zé)采集周邊AP 的無線信號(hào)強(qiáng)度，并向服務(wù)端提交信號(hào)特征，服務(wù)器使用客戶端采集的信號(hào)特征進(jìn)行定位計(jì)算，獲得移動(dòng)終端的位置估計(jì)。客戶端和服務(wù)端通信采用標(biāo)準(zhǔn)的HTTP協(xié)議，編程方便，可擴(kuò)展性好，客戶端程序功能可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)充。本定位系統(tǒng)的信息交互流程圖。移動(dòng)終端向Web 服務(wù)器提交GET 請(qǐng)求，GET 請(qǐng)求中包含了信號(hào)強(qiáng)度特征向量，Web 服務(wù)器收到請(qǐng)求后，以同

9、樣的方式傳達(dá)給定位服務(wù)器，定位服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行相關(guān)的定位運(yùn)算操作，從而得到移動(dòng)終端的位置估計(jì)。3. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3.1. 客戶端設(shè)計(jì)本系統(tǒng)客戶端采用Android 系統(tǒng)手機(jī)6。Android 系統(tǒng)是Google 在2007 年發(fā)布的基于Linux 平臺(tái)的開源手機(jī)操作系統(tǒng)。近年來，基于此平臺(tái)的手機(jī)市場(chǎng)占有率不斷提高，加上其良好的開放性和豐富的API 接口，可以很方便地開發(fā)各種應(yīng)用程序。3.1.1. Android 系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)介Android 系統(tǒng)架構(gòu)見，它建立于Linux內(nèi)核之上，包含了各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)和管理模塊，囊括了非常齊全的類庫和框架，包括輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫SQLite、瀏覽器Webkit 等。

10、整個(gè)系統(tǒng)建立在Dalvik 虛擬機(jī)上，應(yīng)用程序使用Java 語言編寫。Android 系統(tǒng)提供了豐富的框架（活動(dòng)管理、位置管理等）來管理系統(tǒng)的軟、硬件資源，整合了常用的應(yīng)用程序（聯(lián)系人、電話本等），并開放了很全面的API 供用戶使用，整個(gè)平臺(tái)具有良好的開放性和擴(kuò)展性。3.1.2. Activity 生命周期Android 系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用程序一般包含一個(gè)或多個(gè)Activity，主要由活動(dòng)管理器進(jìn)行管理，Activity 是Android 系統(tǒng)分配和管理資源的基本單位。每個(gè)Activity 都有其對(duì)應(yīng)的生命周期on Create()方法在活動(dòng)開始時(shí)調(diào)用，并依次調(diào)用on Start方法和on Re

11、sume方法，Activity 處于運(yùn)行狀態(tài)，如有新活動(dòng)啟動(dòng)，則調(diào)用on Pause，活動(dòng)轉(zhuǎn)入后臺(tái)；如內(nèi)存不足，活動(dòng)進(jìn)程則被關(guān)閉。退出程序則會(huì)依次調(diào)用on Stop和on Destroy?；顒?dòng)管理器對(duì)Activity 的管理體現(xiàn)在不同生命周期對(duì)以上幾個(gè)方法的調(diào)用上，用戶可根據(jù)自己的需要重載這幾個(gè)方法。一般來講，主程序類繼承Activity 類，用戶的功能代碼在重載這些方法中實(shí)現(xiàn)。3.1.3. 獲取周邊AP 信號(hào)強(qiáng)度本文采用基于射頻指紋的定位方法，移動(dòng)終端需要獲得周圍AP 的RSSI 指紋特征，Android 系統(tǒng)提供的接口可以很方便地實(shí)現(xiàn)這一功能。參見 示例代碼片段。首先建立包含響應(yīng)掃描結(jié)果的

12、接收器recieve 并重載on Receive()方法，此方法即為收到WiFi 信號(hào)的回調(diào)函數(shù)，用戶自定義功能在此實(shí)現(xiàn)；再通過register Receiver方法將receiver 向Android 系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)，get System Service方法用于獲得操作WiFi 設(shè)備的句柄；最后用start Scan方法啟動(dòng)掃描，當(dāng)獲得掃描結(jié)果后，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)，完成用戶代碼功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從給出掃描指令，至接收到掃描結(jié)果，耗時(shí)約400-500ms，考慮到后臺(tái)服務(wù)器算法運(yùn)算及網(wǎng)絡(luò)通信開銷，定位過程耗時(shí)將超過500ms。3.1.4. 程序流程從程序的功能來看，客戶端需完成3 個(gè)功能

13、：定期掃描并獲得周圍AP 的信號(hào)強(qiáng)度指紋特征，向服務(wù)器提交指紋特征信息，得到定位結(jié)果后更新界面顯示。程序流程如 所示。首先程序初始化并建立更新回調(diào)函數(shù)，獲得WiFi 服務(wù)句柄后注冊(cè)此回調(diào)函數(shù)，最后啟動(dòng)掃描進(jìn)程周期掃描，直至系統(tǒng)結(jié)束程序。其中，回調(diào)函數(shù)首先獲取掃描結(jié)果，并格式化為字符串，然后通過GET 請(qǐng)求提交給服務(wù)端，獲得定位結(jié)果后再更新顯示界面。3.2. 服務(wù)端軟件設(shè)計(jì)3.2.1. Web 服務(wù)器Web 服務(wù)器用于對(duì)外通信，接收外界的請(qǐng)求，并返回相應(yīng)的位置信息。Web 服務(wù)器運(yùn)行Apache Tomcat 6.0.20，響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的定位請(qǐng)求，相應(yīng)的軟件設(shè)置參數(shù)為：在%TOMCAT_HOME%w

14、ebapps 目錄下建立目錄：ExServlet WEB-INF，建立web.xml描述文件和classes 文件夾，web.xml 文件是描述文件，classes 存放后臺(tái)處理的類文件。web.xml 中定義了外部引用此服務(wù)的名字和對(duì)應(yīng)的類文件，內(nèi)容片段見。3.2.2. 定位服務(wù)器定位服務(wù)器用于運(yùn)行算法，硬件配置參數(shù)為，CPU：Intel Core2 Duo E7500 2.93GHz，內(nèi)存：2G，網(wǎng)卡：Marvell Yukon 88E8057 PCI-EGigabit Ethernet Controller。軟件配置參數(shù)為，操作系統(tǒng)：Windows XP Professional SP3

15、，Web服務(wù)器：Apache Tomcat 6.0.20。相應(yīng)的軟件配置參數(shù)與web 服務(wù)器類似，web.xml 中代碼片3.3. 客戶端與服務(wù)端通信客戶端與服務(wù)端都接入Internet，通過標(biāo)準(zhǔn)的HTTP 協(xié)議通信，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，也為以后Web 方式的應(yīng)用留下了設(shè)計(jì)空間。服務(wù)端Servlet 用于響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求，客戶端只需在GET 請(qǐng)求中提交指紋信息即可獲得定位結(jié)果。 列出了客戶端從定位服務(wù)器中獲取位置信息的Java 示例代碼。其中url包含了服務(wù)器的IP 地址和RSSI 指紋信息，getConnection()方法是向服務(wù)器發(fā)出GET 請(qǐng)求，服務(wù)器將返回位置信息，獲得輸入流后讀出位置信

16、息，并更新界面顯示即完成整個(gè)通信過程。由于使用HTTP 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，適用于多種編程語言。4. 定位算法由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，WiFi 無線信號(hào)7具有較強(qiáng)的時(shí)變特性0。無線信號(hào)傳播衰減模型8難以很好的表征距離與信號(hào)強(qiáng)度間的映射關(guān)系，本文采用基于射頻指紋匹配定位方法，它具有較好的定位魯棒性。本文采用快速選擇的定位算法，訓(xùn)練階段指紋特征采用RSSI 均值，定位階段采用逐次累加的RSSI 均值與指紋庫匹配的方法，從而大大降低了運(yùn)算的復(fù)雜度。4.1. 算法描述指紋特征采用每個(gè)AP 的RSSI 均值，即L （ AP1，AP2，K） F = S S也就是，訓(xùn)練階段對(duì)同一位置點(diǎn)采集的每個(gè)AP 的多次數(shù)據(jù)取

17、平均，定位階段也是如此，區(qū)別在于訓(xùn)練階段采集數(shù)據(jù)多，以便得到盡量多的信息，定位階段采集的數(shù)據(jù)少，減少定位延時(shí)，一定程度上提高了實(shí)時(shí)性。指紋匹配采用快速選擇的方式。偽碼如下：對(duì)每個(gè)掃描到的AP 的RSSI 值，設(shè)定一個(gè)選擇區(qū)間RSSI-，RSSI+，為多次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)值，在指紋庫中查找滿足此區(qū)間范圍的位置點(diǎn)，若有n 個(gè)位置點(diǎn)落在此區(qū)間范圍，則這些位置點(diǎn)分別取權(quán)值為1/n，其他的位置點(diǎn)則取權(quán)值為0；對(duì)所有AP 做如上處理后，選出權(quán)值最大的位置點(diǎn)為估計(jì)位置。如有多個(gè)位置點(diǎn)權(quán)值一樣，則比較信號(hào)強(qiáng)度距離，取最小者。4.2. 算法分析本文的算法是建立在RSSI 統(tǒng)計(jì)特性相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，從1 中可以看出，R

18、SSI 值的直方圖分布與正態(tài)分布曲線近似，因此均值在一定程度上代表了RSSI 特征。這也避免了單次掃描的信號(hào)強(qiáng)度中某個(gè)AP 的RSSI 不穩(wěn)定造成的定位結(jié)果偏差。時(shí)間復(fù)雜度分析：一次掃描有m 個(gè)AP，前期訓(xùn)練階段有n 個(gè)位置點(diǎn)，則要進(jìn)行m 次選擇，每次選擇遍歷n 個(gè)位置點(diǎn)，時(shí)間復(fù)雜度為O(m*n)，遇到權(quán)值一致的情況，要進(jìn)行二次選擇，最壞情況再比較n 次，時(shí)間復(fù)雜度為O(n)，所以總的時(shí)間復(fù)雜度為O(m*n)。5. 實(shí)驗(yàn)5.1. 實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)在計(jì)算所6 層進(jìn)行，在南北兩側(cè)走廊總共采集了24 個(gè)位置點(diǎn)，距離約4米，加上在645 房間，總共25 個(gè)位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)。掃描周期1s，掃描次數(shù)120 次。采

19、集數(shù)據(jù)耗時(shí)約1 小時(shí)。本實(shí)驗(yàn)主要為驗(yàn)證定位準(zhǔn)確性，所以定位時(shí)采用多次掃描的均值作為信號(hào)特征。共選取了6 個(gè)位置點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)的位置點(diǎn)。測(cè)試次數(shù)約為50 次，掃描周期為2s5.2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果各實(shí)驗(yàn)位置點(diǎn)的結(jié)果。各個(gè)隨機(jī)測(cè)試位置點(diǎn)的定位準(zhǔn)確率都較高。6. 總結(jié)本文基于Android 智能手機(jī)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于WiFi 信號(hào)的移動(dòng)終端定位系統(tǒng)，并提出了一種基于權(quán)值選擇的定位算法，一定程度上克服RSSI 信號(hào)隨機(jī)擾動(dòng)帶來的定位誤差，經(jīng)過實(shí)際環(huán)境的測(cè)試，多次定位實(shí)驗(yàn)的精度在4 米左右，適當(dāng)調(diào)整AP 的布置可以進(jìn)一步定位精度。本系統(tǒng)可方便地部署到展館、校園等實(shí)際場(chǎng)景中。參考文獻(xiàn)1李高華. 基于二維碼的食品安全交易監(jiān)管終端研究與設(shè)計(jì)D.昆明理工大學(xué),2014.2張霞. 基于ARM的測(cè)試系統(tǒng)手持終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.中北大學(xué),2014.3夏軍. 基于WiFi的板坯連鑄結(jié)晶器振動(dòng)形態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究D.浙江大學(xué),2013.4王