專(zhuān)利名稱(chēng)：使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，具體涉及一種利用W1-Fi基礎(chǔ)設(shè)施，使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位的裝置及方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái),基于位置的服務(wù)(Loeation Based Services,LBSs)和由此帶來(lái)的一系列應(yīng)用受到產(chǎn)業(yè)界的不斷關(guān)注。基于位置的服務(wù)己在緊急救助、醫(yī)療保健和個(gè)人業(yè)務(wù)等領(lǐng)域不斷得到發(fā)展，如基于智能終端iPhone、iPAD、BlackBerry> Android等平臺(tái)的一系列的導(dǎo)航應(yīng)用，都不斷涌入市場(chǎng)，并日漸呈現(xiàn)出廣闊的商業(yè)前景和巨大的市場(chǎng)價(jià)值。在所有的這些基于位置服務(wù)的應(yīng)用中，精確、實(shí)時(shí)的定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)基于位置服務(wù)的根本和關(guān)鍵。但是，在缺乏GPS支持的條件下，室內(nèi)移動(dòng)用戶(hù)的定位仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。利用室內(nèi)已有的W1-Fi基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行室內(nèi)定位是目前研究的熱點(diǎn)。一個(gè)典型的基于指紋匹配的W1-Fi室內(nèi)定位系統(tǒng)的工作方法如下首先，移動(dòng)設(shè)備使用W1-Fi接口掃描，用(RSS，SSID)序列來(lái)描述測(cè)得的周?chē)脑L(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)(AP)，RSS表示接收的AP信號(hào)強(qiáng)度，SSID為AP的標(biāo)識(shí)。每個(gè)位置以這些(RSS，SSID)序列作為特征指紋；然后，根據(jù)定位算法，從一個(gè)預(yù)定的位置數(shù)據(jù)集中查詢(xún)與當(dāng)前位置得到的特征指紋最匹配的特征指紋，并將其映射成移動(dòng)設(shè)備的當(dāng)前位置。同其他的技術(shù)相比，基于指紋的定位方法不要求特定的硬件設(shè)備，也不需要額外的基礎(chǔ)設(shè)施支持。但是，應(yīng)用到移動(dòng)設(shè)備上，已有的基于指紋的W1-Fi定位系統(tǒng)有如下缺點(diǎn)為了持續(xù)地計(jì)算移動(dòng)用戶(hù)的位置，W1-Fi設(shè)備必須不斷地掃描周?chē)腁P，導(dǎo)致了較高的功耗。另一方面，雖然移動(dòng)設(shè)備的功能日益強(qiáng)大，電池技術(shù)的發(fā)展卻一直落后于其他技術(shù)。例如一臺(tái)普通的智能手機(jī)通常只能維持2-3天的待機(jī)時(shí)間，對(duì)于耗電量較大的應(yīng)用，則持續(xù)時(shí)間更短。在2010 年 9 月，Ruogu Zhou, Yongping Xiong, Guoliang Xing 等公開(kāi)的《ZiF1: Wireless LAN Discovery via ZigBee Interference Signatures》，說(shuō)明了一種用于數(shù)字處理的方法Common Multiple Folding (簡(jiǎn)稱(chēng)CMF),該方法將周期性的信號(hào)放大,實(shí)現(xiàn)周期性信號(hào)的識(shí)別，已在無(wú)線(xiàn)通信中應(yīng)用，用于識(shí)別周期性信號(hào)。移動(dòng)設(shè)備電量的限制已成為移動(dòng)設(shè)備發(fā)展的瓶頸，極大地影響了用戶(hù)的體驗(yàn)。因此，降低移動(dòng)設(shè)備的耗電量，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間已成為手機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因此，針對(duì)室內(nèi)定位系統(tǒng)，考慮節(jié)能設(shè)計(jì)成為當(dāng)前定位技術(shù)中的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)無(wú)線(xiàn)環(huán)境樓宇內(nèi)，利用已有的W1-Fi無(wú)線(xiàn)設(shè)施，提出了一種利用W1-Fi基礎(chǔ)設(shè)施，使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位的裝置及方法。本發(fā)明能以較小的功耗，快速響應(yīng)用戶(hù)請(qǐng)求，從而為用戶(hù)提供最佳的室內(nèi)定位服務(wù)。本發(fā)明低功耗室內(nèi)定位的裝置及方法適用于復(fù)雜樓宇內(nèi)的室內(nèi)定位。
一種使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位的裝置，包括客戶(hù)端、定位服務(wù)器和輔助定位設(shè)備Mapper。待定位的移動(dòng)設(shè)備上安裝客戶(hù)端，客戶(hù)端包括W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口、Zigbee無(wú)線(xiàn)接口和數(shù)字信號(hào)處理模塊。在樓宇內(nèi)布置一個(gè)以上的Mapper,每個(gè)Mapper具有一個(gè)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口，布置完成后，所有Mapper通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口能覆蓋整個(gè)室內(nèi)定位區(qū)域的無(wú)線(xiàn)信號(hào)。定位服務(wù)器包括一個(gè)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口、RSS序列對(duì)齊模塊和定位模塊。移動(dòng)設(shè)備在室內(nèi)移動(dòng)時(shí)，客戶(hù)端的Zigbee無(wú)線(xiàn)接口周期地掃描周?chē)鶤P的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，將接收到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給數(shù)字信號(hào)處理模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊采用CMF方法對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到(RSS，Phase，Period)的RSS序列并發(fā)送給定位服務(wù)器，其中，RSS表不AP信號(hào)強(qiáng)度，Phase表不信標(biāo)巾貞(Beacon)相位，Period表不信標(biāo)巾貞周期。客戶(hù)端的W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口用于在離線(xiàn)采樣階段采集預(yù)設(shè)定位點(diǎn)周?chē)鶤P的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，得到(BSSID, Phase, Period)的RSS序列，BSSID表不AP標(biāo)識(shí),Phase表不信標(biāo)巾貞相位，Period表示信標(biāo)巾貞周期。 Mapper在接收到定位服務(wù)器發(fā)送來(lái)的信號(hào)采集請(qǐng)求后，通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口采集周?chē)鶤P的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，得到(BSSID，Phase1Period)的RSS序列，發(fā)送給定位服務(wù)器。定位服務(wù)器通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口，接收客戶(hù)端發(fā)送來(lái)的(RSS, Phase, Period)的RSS序列和定位請(qǐng)求,接收Mapper發(fā)送來(lái)的(BSSID, Phase, Period) RSS序列；RSS序列對(duì)齊模塊將從Mapper接收的RSS序列合并后的序列與從客戶(hù)端接收的RSS序列進(jìn)行對(duì)齊，得到(RSS，BSSID)序列；定位模塊將得到的(RSS，BSSID )序列在定位服務(wù)器的地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行匹配查找，找到匹配度最大的預(yù)設(shè)定位點(diǎn)指紋，則定位該移動(dòng)設(shè)備處于相應(yīng)的預(yù)設(shè)定位點(diǎn)，定位服務(wù)器將結(jié)果發(fā)送給客戶(hù)端，并顯示給用戶(hù)。一種使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位的方法，在待定位的移動(dòng)設(shè)備上安裝客戶(hù)端，在待定位的樓宇室內(nèi)布置輔助定位設(shè)備，然后進(jìn)行如下步驟步驟1:生成地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)保存在定位服務(wù)器中，地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)樓宇內(nèi)每個(gè)預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的指紋，指紋為`(RSS，BSSID)的序列，RSS表示信號(hào)強(qiáng)度，BSSID表示AP標(biāo)識(shí)。具體離線(xiàn)時(shí)，在預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的移動(dòng)設(shè)備通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口監(jiān)聽(tīng)周?chē)鶤P的信標(biāo)中貞(Beacon)，得到(BSSID, Phase, Period)的RSS序列，Phase表不信標(biāo)巾貞相位，Period表示信標(biāo)幀周期；通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)接口讀取房間內(nèi)能監(jiān)測(cè)到的AP的信號(hào)強(qiáng)度，得到(RSS, Phase, Period)的RSS序列；將兩個(gè)RSS序列發(fā)送到定位服務(wù)器，經(jīng)RSS序列對(duì)齊模塊進(jìn)行對(duì)齊，得到預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的指紋。步驟2 :待定位的移動(dòng)設(shè)備通過(guò)客戶(hù)端的Zigbee無(wú)線(xiàn)接口周期性地掃描周?chē)臒o(wú)線(xiàn)信號(hào)，將接收到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給數(shù)字信號(hào)處理模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊采用CMF方法對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)消除噪音和數(shù)據(jù)幀，放大Beacon幀的信號(hào)，得到AP的相位、周期，進(jìn)而求得AP的信號(hào)強(qiáng)度，然后生成移動(dòng)設(shè)備所在位置的(RSS，Phase, Period)的RSS序列，標(biāo)記該RSS序列為RSSa，然后將所得到的序列RSSa發(fā)送給定位服務(wù)器，請(qǐng)求定位。步驟3 :定位服務(wù)器接收到客戶(hù)端發(fā)送來(lái)的定位請(qǐng)求后，向Mapper發(fā)送信號(hào)采集請(qǐng)求。步驟4 Mapper接收到信號(hào)采集請(qǐng)求后，通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口采集周?chē)鶤P的(BSSID, Phase, Period)的RSS序列，然后發(fā)送給定位服務(wù)器。
步驟5 :定位服務(wù)器先將從Mapper接收的所有RSS序列合并成一個(gè)序列，標(biāo)記為RSSb，然后通過(guò)RSS序列對(duì)齊模塊，對(duì)齊序列RSSb和序列RSSa，具體進(jìn)行如下步驟步驟5.1 :獲取RSSa中的第一個(gè)相位的位置a ；步驟5. 2 :獲取RSSb中的第一個(gè)相位的位置b ；步驟5. 3 :確定移動(dòng)相位長(zhǎng)度c = I a-b |，若a_b大于0，則將序列RSSb向右移動(dòng)c的相位長(zhǎng)度，否則，將序列RSSb向左移動(dòng)c的相位長(zhǎng)度，序列RSSb移動(dòng)后得到的序列標(biāo)記為序列RSSc，記錄RSSc和RSSa中對(duì)齊的AP個(gè)數(shù)n，然后將η與最大值MAX比較，若η大于MAX,則更新MAX = η,并記錄c和序列RSSc,否則,不做操作；MAX初始為O ;步驟5. 4 :獲取序列RSSb中的下一個(gè)相位的位置b，若不存在下一個(gè)相位，執(zhí)行步驟5. 5 ;否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟5. 3 ；步驟5. 5 :獲取序列RSSa中的下一個(gè)相位的位置a，若不存在下一個(gè)相位，執(zhí)行步驟5. 6，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟5. 2;步驟5. 6 :輸出對(duì)齊序列RSSc，RSSc為(RSS, BSSID)的序列。RSSc就是移動(dòng)設(shè)備當(dāng)前所在位置的指紋。步驟6 :將得到的移動(dòng)設(shè)備當(dāng)前所在位置的指紋，通過(guò)匹配算法在地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中查找，找到匹配度最大的房間指紋，則定位該移動(dòng)設(shè)備處于相應(yīng)的房間中，定位服務(wù)器將結(jié)果發(fā)送給客戶(hù)端，并顯示給用戶(hù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于對(duì)無(wú)線(xiàn)環(huán)境樓宇內(nèi)，利用已有的WiFi無(wú)線(xiàn)設(shè)施，提出了一種利用W1-Fi基礎(chǔ)設(shè)施，使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位方法，該方法能以較小的功耗，快速響應(yīng)用戶(hù)請(qǐng)求，從而為用戶(hù)提供最佳的室內(nèi)定位服務(wù)。


圖1為本發(fā)明的基于Zigbee和W1-Fi交叉干擾信號(hào)的低功耗室內(nèi)定位裝置的架構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的室內(nèi)定位方法的流程示意圖；圖3為本發(fā)明的將客戶(hù)端的RSS序列和Mapper的RSS序列進(jìn)行對(duì)齊的流程示意圖；圖4 : (a)為在信道6上收集到的RSS序列樣本；(b)為周期為102. 4ms的信號(hào)疊加放大后的結(jié)果示意圖；圖5 : (A)為對(duì)齊前的客戶(hù)端采集的RSSa序列；(B)為Mapper采集的序列合并得到的RSSb序列，(C)為將RSSa和RSSb對(duì)齊后的RSS序列。
具體實(shí)施下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位的裝置的構(gòu)架。將本發(fā)明的定位裝置簡(jiǎn)稱(chēng)為ZiFind。如圖1所示,ZiFind包含三個(gè)主要的部分客戶(hù)端Client,定位服務(wù)器Server和輔助定位設(shè)備Mapper。待定位的移動(dòng)設(shè)備上安裝客戶(hù)端，客戶(hù)端包括一個(gè)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口 11、一個(gè)Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12和數(shù)字信號(hào)處理模塊13。在樓宇內(nèi)布置若干個(gè)Mapper,每個(gè)Mapper具有一個(gè)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口 11，布置完成后，所有Mapper通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口能覆蓋整個(gè)室內(nèi)定位區(qū)域的無(wú)線(xiàn)信號(hào)。定位服務(wù)器包括一個(gè)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口 11、RSS序列對(duì)齊模塊14和定位模塊15。ZiFind的客戶(hù)端既具有W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口 11，也具有低功耗Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12。Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12既可以是內(nèi)部集成的，也可以是通過(guò)移動(dòng)設(shè)備自身的接口(例如USB)集成上去的。通過(guò)客戶(hù)端的W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口 11，客戶(hù)端可以同室內(nèi)已有的基礎(chǔ)設(shè)施通信，在離線(xiàn)生成預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的指紋時(shí)，結(jié)合Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12對(duì)設(shè)備進(jìn)行定位,來(lái)生成預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的指紋。當(dāng)ZiFind試圖定位移動(dòng)設(shè)備的位置時(shí)，待定位移動(dòng)設(shè)備上的客戶(hù)端首先通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12主動(dòng)地收集在當(dāng)前位置所能接收到的AP的無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度。傳統(tǒng)地基于指紋的室內(nèi)定位技術(shù)會(huì)使用高耗能的W1-Fi接口掃描周?chē)腁P，這會(huì)造成較大的功耗，當(dāng)將此類(lèi)定位技術(shù)應(yīng)用于實(shí)時(shí)室內(nèi)定位時(shí)，會(huì)迅速地將移動(dòng)設(shè)備的電池耗盡。本發(fā)明ZiFind的客戶(hù)端的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其能夠使用低功耗的Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12來(lái)產(chǎn)生地址指紋，而不是高功耗的W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口 11。但是，Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12不能直接解碼W1-Fi數(shù)據(jù)包，因此不能從其接收到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)那里直接識(shí)別W1-Fi的訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包，這是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。此外，Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12收集到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)中可能包含其它2. 4G頻譜上的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，比如包括W1-F1、Zigbee、Bluetooth,甚至是諸如微波爐這類(lèi)電器的信號(hào)。ZiFind的客戶(hù)端通過(guò)設(shè)置的數(shù)字信號(hào)處理模塊13來(lái)解決上述問(wèn)題，數(shù)字信號(hào)處理模塊13采用CMF的數(shù)字信號(hào)處理方法，來(lái)識(shí)別每個(gè)AP，并且可以計(jì)算各AP對(duì)應(yīng)的RSS強(qiáng)度。數(shù)字信號(hào)處理模塊13從Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12采集到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)中尋找信標(biāo)幀(Beacon)信號(hào)，得到信標(biāo)幀的幀周期和相位，然后進(jìn)一步得到AP的信號(hào)強(qiáng)度。經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理模塊13處理后，客戶(hù)端得到(RSS, Phase, Period)的序列，并將該序列和定位請(qǐng)求發(fā)送給Server。RSS表不AP信號(hào)強(qiáng)度，Phase表不信標(biāo)巾貞相位，Period表不信標(biāo)巾貞周期。由于Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12不能解碼W1-Fi數(shù)據(jù)包，因此客戶(hù)端Client只能知道周?chē)渴鸬腁P 的信號(hào)強(qiáng)度，卻不能識(shí)別各AP的標(biāo)識(shí)BSSID。因此ZiFind設(shè)計(jì)中遇到的一個(gè)難題就是如何將Client收集到的各AP的RSS映射到地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中的AP。為解決這個(gè)難題，ZiFind通過(guò)在整個(gè)定位區(qū)域部署Mapper收集周?chē)鶤P的無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)。部署的Mapper要求能夠覆蓋整個(gè)定位區(qū)域(例如某幢復(fù)雜樓宇內(nèi))，能收集整個(gè)定位區(qū)域的無(wú)線(xiàn)信號(hào)。參考值每1200平米的定位區(qū)域,使用5-6個(gè)Mapper。Mapper是一些W1-Fi使能的基站，是掃描W1-Fi信道，將周?chē)鶤P的時(shí)間信息以及BSSID信息報(bào)告給定位服務(wù)器Server。具體Mapper通過(guò)自身的W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口 11獲取周?chē)腁P信號(hào)強(qiáng)度和AP標(biāo)識(shí)，檢測(cè)Beacon巾貞,生成(BSSID, Phase, Period)的序列，發(fā)送給定位服務(wù)器。BSSID表示AP標(biāo)識(shí)?？蛻?hù)端的W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口在離線(xiàn)采樣階段采集預(yù)設(shè)定位點(diǎn)周?chē)鶤P的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，同樣得到(BSSID, Phase, Period)的 RSS 序列。ZiFind的定位服務(wù)器通過(guò)自身的W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口 11接收Mapper發(fā)送來(lái)的(BSSID, Phase, Period)的序列，以及從客戶(hù)端發(fā)送來(lái)的(RSS, Phase, Period)的序列。在實(shí)時(shí)定位時(shí)，將Mapper發(fā)送來(lái)的(BSSID, Phase, Period)序列合并成一個(gè),然后通過(guò)RSS序列對(duì)齊模塊14，與客戶(hù)端發(fā)送來(lái)的(RSS，Phase, Period)序列進(jìn)行對(duì)齊。本發(fā)明中RSS序列對(duì)齊模塊14中采用了一個(gè)新穎的對(duì)齊算法，以將來(lái)自Client和Mapper的序列對(duì)應(yīng)起來(lái),得到一個(gè)用來(lái)作為移動(dòng)設(shè)備當(dāng)前所在位置的指紋的(RSS，BSSID)序列。Server中的定位模塊15將對(duì)齊得到的(RSS，BSSID)序列，通過(guò)匹配算法，與已存儲(chǔ)的地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的指紋進(jìn)行匹配，計(jì)算移動(dòng)設(shè)備當(dāng)前最有可能的位置。定位模塊15使用一個(gè)改進(jìn)的最近鄰算法R-KNN來(lái)定位移動(dòng)用戶(hù)的房間。通過(guò)已有的實(shí)驗(yàn)和工作表明，不同AP對(duì)于定位的意義是不一樣的，R-KNN利用了這一事實(shí)，根據(jù)各AP的重要程度，為不同的AP分配不同的權(quán)值，然后尋找匹配度最大的預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的指紋，將移動(dòng)設(shè)備定位到相應(yīng)的預(yù)設(shè)定位點(diǎn)，定位服務(wù)器將結(jié)果發(fā)送給客戶(hù)端，并顯示給用戶(hù)。由于ZiFind使用基于RSS指紋的定位方法，客戶(hù)端需要測(cè)量其所在位置周?chē)鶤P的RSS。ZiFind客戶(hù)端的一個(gè)顯著特征是用其Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12里內(nèi)置的RSSI寄存器測(cè)量周?chē)鶤P的RSS。但是，由于Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12不能解碼W1-Fi幀，Zigbee接口不能獲悉其測(cè)量的信號(hào)是否為W1-Fi信號(hào)，同樣也不能區(qū)別不同AP間的信號(hào)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用了數(shù)字信號(hào)處理中的CMF方法，該方法可以將同一個(gè)AP的周期性Beacon信號(hào)從嘈雜的無(wú)線(xiàn)背景信號(hào)中區(qū)分出來(lái)。RSS序列對(duì)齊模塊14的對(duì)齊方法如圖3所示，具體在下面說(shuō)明。通過(guò)RSS序列對(duì)齊模塊14，可以將客戶(hù)端通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12得到的無(wú)AP標(biāo)識(shí)的序列，用帶AP標(biāo)識(shí)的序列進(jìn)行標(biāo)記，生成帶有AP標(biāo)識(shí)的序列，該序列就是移動(dòng)設(shè)備當(dāng)前所在位置的指紋。一種使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位的方法，在待定位的移動(dòng)設(shè)備上安裝客戶(hù)端，在待定位的樓宇室內(nèi)布置輔助定位設(shè)備，然后進(jìn)行如下步驟，如圖2所示步驟1:首先進(jìn)行一個(gè)離線(xiàn)采樣階段，對(duì)樓宇中每個(gè)預(yù)設(shè)定位點(diǎn)生成一個(gè)指紋，保存到地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中。預(yù)設(shè)定位點(diǎn)可以是一個(gè)房間，也可以是房間中的某個(gè)特定位置。地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中每個(gè)預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的指紋為(RSS，BSSID)的序列，RSS表示AP信號(hào)強(qiáng)度，BSSID表示對(duì)應(yīng)的AP標(biāo)識(shí)。具體在離線(xiàn)采樣階段，使用帶有W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口 11和Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12的移動(dòng)終端采集每個(gè)預(yù)設(shè)定位點(diǎn)周?chē)腁P無(wú)線(xiàn)信號(hào)。Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12讀取房間內(nèi)的無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理模塊13中的CMF方法處理后得到信標(biāo)幀(Beacon)的相位和周期，進(jìn)而得到AP的信號(hào)強(qiáng)度，生成一個(gè)(RSS，Phase, Period)的RSS序列，RSS表示AP信號(hào)強(qiáng)度，Phase表示信標(biāo)巾貞相位,Period表示信標(biāo)巾貞周期。W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口 11監(jiān)聽(tīng)周?chē)鶤P的Beacon幀，獲得AP標(biāo)識(shí)和對(duì)應(yīng)的無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度，得到(BSSID, Phase, Period)的RSS序列，其中,BSSID表示AP標(biāo)識(shí),Phase表示信標(biāo)巾貞周期,Period表示信標(biāo)巾貞周期。將所得到的兩個(gè)RSS序列發(fā)送到定位服務(wù)器，經(jīng)定位服務(wù)器中的RSS序列對(duì)齊模塊14進(jìn)行對(duì)齊，得到每個(gè)預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的指紋，該指紋是一個(gè)(RSS，BSSID)的序列。生成每個(gè)預(yù)設(shè)定位點(diǎn)(例如每個(gè)房間)的指紋后，保存在定位服務(wù)器的地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中，供移動(dòng)設(shè)備定位。步驟2 :在線(xiàn)定位階段，待定位的移動(dòng)設(shè)備通過(guò)客戶(hù)端的Zigbee無(wú)線(xiàn)接口 12周期性地掃描周?chē)臒o(wú)線(xiàn)信號(hào)，將接收到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給數(shù)字信號(hào)處理模塊13，數(shù)字信號(hào)處理模塊13采用CMF方法對(duì)無(wú) 線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)消除噪音和數(shù)據(jù)幀，放大Beacon幀的信號(hào)，得到AP的相位、周期，進(jìn)而求得AP的信號(hào)強(qiáng)度，然后生成移動(dòng)設(shè)備所在位置的(RSS, Phase, Period)的RSS序列，標(biāo)記該RSS序列為RSSa，然后將所得到的序列RSSa發(fā)送給定位服務(wù)器，請(qǐng)求定位。步驟3 :定位服務(wù)器接收到客戶(hù)端發(fā)送來(lái)的定位請(qǐng)求后，向Mapper發(fā)送信號(hào)采集請(qǐng)求。步驟4 :Mapper接收到信號(hào)采集請(qǐng)求后,通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口 11采集周?chē)鶤P的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，得到(BSSID，Phase，Period)的序列，然后發(fā)送給定位服務(wù)器。步驟5 :定位服務(wù)器先將從Mapper接收的所有RSS序列合并成一個(gè)序列，標(biāo)記為RSSb.然后通過(guò)RSS序列對(duì)齊模塊14，對(duì)齊序列RSSb和序列RSSa，如圖3所示，具體進(jìn)行如下步驟步驟5.1 :獲取RSSa中的第一個(gè)相位的位置a ；步驟5. 2 :獲取RSSb中的第一個(gè)相位的位置b ；步驟5. 3 :確定移動(dòng)相位長(zhǎng)度c = I a-b |，若a_b大于0，則將序列RSSb向右移動(dòng)c的相位長(zhǎng)度，否則，將序列RSSb向左移動(dòng)c的相位長(zhǎng)度，序列RSSb移動(dòng)后得到的序列標(biāo)記為序列RSSc，記錄RSSc和RSSa中對(duì)齊的AP個(gè)數(shù)n，然后將η與最大值MAX比較，若η大于MAX,則更新MAX = η,并記錄c和序列RSSc,否則,不做操作；MAX初始為O ;步驟5. 4 :獲取序列RSSb中的下一個(gè)相位的位置b，若不存在下一個(gè)相位，執(zhí)行步驟5. 5 ;否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟5. 3 ；

步驟5. 5 :獲取序列RSSa中的下一個(gè)相位的位置a，若不存在下一個(gè)相位，執(zhí)行步驟5. 6，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟5. 2;步驟5. 6 :輸出對(duì)齊序列RSSc，RSSc為(RSS, BSSID)的序列。RSSc就是移動(dòng)設(shè)備當(dāng)前所在位置的指紋。步驟6 :將得到的移動(dòng)設(shè)備當(dāng)前所在位置的指紋，通過(guò)匹配算法在地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中查找，找到匹配度最大的房間指紋，則定位該移動(dòng)設(shè)備處于相應(yīng)的房間中，定位服務(wù)器將結(jié)果發(fā)送給客戶(hù)端，并顯示給用戶(hù)。通過(guò)CMF方法可以識(shí)別未知周期的周期性信號(hào)。如圖4所示，為對(duì)一個(gè)原始RSS序列樣本使用CMF方法前后的信號(hào)示意圖。圖4中的(a)為一個(gè)采集的原始RSS序列樣本，該序列中包含有許多的Beacon信號(hào)和噪音，這使得識(shí)別不同W1-Fi的AP變得十分困難。圖4的(b)給出了采用CMF方法以102. 4毫秒為周期進(jìn)行疊加后的結(jié)果。從(b)可以看出，Beacon巾貞的信號(hào)被放大而噪音被壓制。定義被放大的Beacon巾貞在疊加結(jié)果中的位置為相位，例如(b)中檢測(cè)的兩個(gè)AP，APl的相位為590，AP2的相位為760。在一個(gè)RSS序列中，任何一個(gè)AP都可以使用(周期，相位)作為唯一的標(biāo)識(shí)。在802. 11的6號(hào)信道上，ZiFind的客戶(hù)端每隔一定時(shí)間，就使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口12進(jìn)行取樣。隨后，收集到的RSS序列輸入給CMF數(shù)字信號(hào)處理模塊13進(jìn)行處理。一個(gè)較長(zhǎng)的掃描時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)更多的W1-Fi AP，以達(dá)到更高的精度。一般情況下，設(shè)置掃描的時(shí)間為2-3秒。當(dāng)發(fā)現(xiàn)Beacon信號(hào)后，客戶(hù)端使用(周期，相位)來(lái)定位RSS序列中的Beacon信號(hào)。通過(guò)取每個(gè)Beacon幀的信號(hào)強(qiáng)度平均值，可以計(jì)算得到每個(gè)AP的RSS。由于Beacon幀的退避以及非Beacon幀的存在，CMF數(shù)字信號(hào)處理模塊13可能會(huì)錯(cuò)誤地將非Beacon信號(hào)(例如周期性的W1-Fi通信)認(rèn)為是Beacon巾貞。這樣的錯(cuò)誤可能會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生較大的影響，為此將每個(gè)AP信號(hào)強(qiáng)度最大的5%移除。Mapper在802. 11信道上監(jiān)聽(tīng),并且記錄下Beacon巾貞的時(shí)間信息(比如到達(dá)和持續(xù)時(shí)間)。一旦收到定位服務(wù)器端的請(qǐng)求，mapper會(huì)返回在一定時(shí)間(默認(rèn)3s)內(nèi)Beacon中貞的時(shí)間信息以及相應(yīng)的BSSID。定位服務(wù)器會(huì)用這些信息來(lái)識(shí)別客戶(hù)端發(fā)現(xiàn)的AP信號(hào)。ZiFind定位服務(wù)器需要收集到整個(gè)區(qū)域的Beacon信息，以保證足夠高的定位精度。但是，在一幢大樓中只需要較少的mapper即可進(jìn)行定位。這是因?yàn)锽eacon巾貞總是以最大功率和最低調(diào)制速率傳輸。這使得Beacon幀比一般的數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)。當(dāng)一個(gè)定位請(qǐng)求收到以后，定位服務(wù)器首先從收到的包中抽取出AP的RSS值。由于客戶(hù)端給出的信息中不包含BSSID信息，定位服務(wù)器需要在計(jì)算客戶(hù)端位置之前識(shí)別這些信號(hào)的BSSID?？蛻?hù)端發(fā)現(xiàn)的Beacon信號(hào)可能包含噪音和假陽(yáng)(false positive)信號(hào)，如圖5的(A)所示。此外，由于客戶(hù)端和Mapper不是時(shí)鐘同步的，它們采集到的RSS時(shí)間序列可能有較大的偏移。ZiFind定位服務(wù)器使用一個(gè)基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的如圖3所示的對(duì)齊方法來(lái)獲取RSS序列的BSSID標(biāo)識(shí)。這個(gè)方法主要是根據(jù)已經(jīng)得到BSSID的RSSa序列(Mapper獲得)對(duì)齊客戶(hù)端獲得的RSS序列。通過(guò)這種方式，RSSa序列可以學(xué)習(xí)到RSSb序列中AP的標(biāo)識(shí)。如圖5所示，(A)給出了客戶(hù)端采集的RSSa序列，RSSa序列包含周?chē)鶤P的Beacon信號(hào)，此外該RSSa序列還包含一個(gè)假陽(yáng)信號(hào)，該假陽(yáng)信號(hào)并沒(méi)有在圖5的(B)所示的Mapper采集合并的RSSb序列中出現(xiàn)。在經(jīng)過(guò)RSS對(duì)齊后，假陽(yáng)信號(hào)被找到并被移除，如圖5的(C)所示。圖5的(B)所示的RSSb序列是由所有的Mapper提供的(BSSID, Phase, Period)信息組成的。由于Mapper是和server時(shí)鐘同步的,所以它們的數(shù)據(jù)是可以直接聯(lián)系的。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)不同的AP有不同的時(shí)鐘漂移，這使得AP的Beacon信號(hào)間的相對(duì)時(shí)差以一個(gè)緩慢的速率移動(dòng)。所以定位服務(wù)器需要使用RSS序列對(duì)齊模塊14中的對(duì)齊方法匹配兩個(gè)RSS序列。對(duì)齊方法計(jì)算兩個(gè)序列的互相關(guān)性，然后找到兩個(gè)序列最合適的偏移。通過(guò)試驗(yàn)，可以證明本發(fā)明方法能以少于傳統(tǒng)方法50%以上的功耗，快速響應(yīng)用戶(hù)請(qǐng)求，從而為用戶(hù)提供最佳的室內(nèi)定位 服務(wù)。
權(quán)利要求
1.一種使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位的裝置，用于復(fù)雜樓宇內(nèi)的室內(nèi)定位，其特征在于，該裝置包括客戶(hù)端、定位服務(wù)器和輔助定位設(shè)備Mapper ;待定位的移動(dòng)設(shè)備上裝備有客戶(hù)端，客戶(hù)端包括一個(gè)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口、一個(gè)Zigbee無(wú)線(xiàn)接口和數(shù)字信號(hào)處理模塊；在樓宇內(nèi)布置一個(gè)以上的Mapper,每個(gè)Mapper具有一個(gè)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口，布置完成后，所有Mapper通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口能覆蓋整個(gè)室內(nèi)定位區(qū)域的無(wú)線(xiàn)信號(hào)；定位服務(wù)器包括一個(gè)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口、RSS序列對(duì)齊模塊和定位模塊； 移動(dòng)設(shè)備在室內(nèi)移動(dòng)時(shí)，客戶(hù)端的Zigbee無(wú)線(xiàn)接口周期地掃描周?chē)鶤P的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，將接收到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給數(shù)字信號(hào)處理模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊采用CMF方法對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到(RSS，Phase, Period)的RSS序列并發(fā)送給定位服務(wù)器，其中，RSS表示AP信號(hào)強(qiáng)度,Phase表示信標(biāo)巾貞相位,Period表示信標(biāo)巾貞周期；客戶(hù)端的W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口用于在離線(xiàn)采樣階段采集預(yù)設(shè)定位點(diǎn)周?chē)鶤P的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，得到(BSSID，Phase，Period)的RSS序列,其中，BSSID表示AP標(biāo)識(shí)；AP表示訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)； Mapper在接收到定位服務(wù)器發(fā)送來(lái)的信號(hào)采集請(qǐng)求后，通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口采集周?chē)鶤P的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，得到(BSSID，Phase，Period)的RSS序列，發(fā)送給定位服務(wù)器； 定位服務(wù)器通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口，接收客戶(hù)端發(fā)送來(lái)的(RSS, Phase, Period)的RSS序列和定位請(qǐng)求，接收Mapper發(fā)送來(lái)的(BSSID, Phase, Period) RSS序列；RSS序列對(duì)齊模塊將從Mapper接收的RSS序列合并后的序列與從客戶(hù)端接收的RSS序列進(jìn)行對(duì)齊，得到(RSS, BSSID)序列；定位模塊將得到的(RSS，BSSID)序列在定位服務(wù)器的地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行匹配查找，找到匹配度最大的預(yù)設(shè)定位點(diǎn)指紋，定位該移動(dòng)設(shè)備處于該預(yù)設(shè)定位點(diǎn)，定位服務(wù)器將結(jié)果發(fā)送給客戶(hù)端，并顯示給用戶(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位的裝置，其特征在于，所述的輔助定位設(shè)備Mapper,在每1200平米的定位區(qū)域,布置5 6個(gè)。
3.一種基于權(quán)利要求1所述室內(nèi)定位的裝置的使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位的方法，其特征在于，在待定位的移動(dòng)設(shè)備上安裝客戶(hù)端，在待定位的樓宇室內(nèi)布置輔助定位設(shè)備，然后進(jìn)行如下步驟 步驟1:生成地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)保存在定位服務(wù)器中，地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)樓宇內(nèi)每個(gè)預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的指紋，指紋為(RSS，BSSID)的序列，RSS表示AP信號(hào)強(qiáng)度，BSSID表示AP標(biāo)識(shí)；具體離線(xiàn)時(shí)，在預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的移動(dòng)設(shè)備通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口監(jiān)聽(tīng)周?chē)鶤P的信標(biāo)幀，得到(BSSID, Phase, Period)的RSS序列,Phase表示信標(biāo)巾貞相位,Period表示信標(biāo)巾貞周期；通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)接口讀取房間內(nèi)能監(jiān)測(cè)到的AP的信號(hào)強(qiáng)度，得到(RSS，Phase，Period)的RSS序列；將兩個(gè)RSS序列發(fā)送到定位服務(wù)器，經(jīng)RSS序列對(duì)齊模塊進(jìn)行對(duì)齊，得到預(yù)設(shè)定位點(diǎn)的指紋； 步驟2 :待定位的移動(dòng)設(shè)備通過(guò)客戶(hù)端的Zigbee無(wú)線(xiàn)接口周期性地掃描周?chē)臒o(wú)線(xiàn)信號(hào)，將接收到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給數(shù)字信號(hào)處理模塊，數(shù)字信號(hào)處理模塊采用CMF方法對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)消除噪音和數(shù)據(jù)幀，放大Beacon幀的信號(hào)，得到AP的相位和周期，進(jìn)而求得AP的信號(hào)強(qiáng)度，然后生成移動(dòng)設(shè)備所在位置的(RSS，Phase, Period)的RSS序列，標(biāo)記該序列為RSSa，將所得到的序列RSSa發(fā)送給定位服務(wù)器，請(qǐng)求定位； 步驟3 :定位服務(wù)器接收到客戶(hù)端發(fā)送來(lái)的定位請(qǐng)求后，向Mapper發(fā)送信號(hào)采集請(qǐng)求；步驟4 =Mapper接收到信號(hào)采集請(qǐng)求后，通過(guò)W1-Fi無(wú)線(xiàn)接口采集周?chē)鶤P的無(wú)線(xiàn)信號(hào)并得到RSS序列(BSSID，Phase, Period)，然后發(fā)送給定位服務(wù)器； 步驟5 :定位服務(wù)器先將從Mapper接收的所有RSS序列合并成一個(gè)序列，標(biāo)記為RSSb，然后通過(guò)RSS序列對(duì)齊模塊，對(duì)齊序列RSSb和序列RSSa，具體步驟如下 步驟5.1 :獲取序列RSSa中的第一個(gè)相位的位置a ； 步驟5. 2 :獲取序列RSSb中的第一個(gè)相位的位置b ； 步驟5. 3 :確定移動(dòng)相位長(zhǎng)度c = I a-b I，若a-b大于0，則將序列RSSb向右移動(dòng)c的相位長(zhǎng)度，否則，將序列RSSb向左移動(dòng)c的相位長(zhǎng)度，序列RSSb移動(dòng)后得到的序列標(biāo)記為序列RSSc，記錄RSSc和RSSa中對(duì)齊的AP個(gè)數(shù)n，然后將η與最大值MAX比較，若η大于MAX，則更新MAX = η,并記錄c和序列RSSc，否則，不做操作；MAX初始為O ; 步驟5. 4 :獲取序列RSSb中的下一個(gè)相位的位置b，若不存在下一個(gè)相位，執(zhí)行步驟.5.5 ;否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟5.3 ; 步驟5. 5 :獲取序列RSSa中的下一個(gè)相位的位置a，若不存在下一個(gè)相位，執(zhí)行步驟.5.6，否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟5.2 ; 步驟5. 6 :輸出當(dāng)前MAX所對(duì)應(yīng)的序列RSSc，RSSc為(RSS, BSSID)的序列；RSSc就是移動(dòng)設(shè)備當(dāng)前所在位置的指紋； 步驟6:將得到的移動(dòng)設(shè)備當(dāng)前所在位置的指紋，通過(guò)匹配算法在地理位置數(shù)據(jù)庫(kù)中查找，找到匹配 度最大的房間指紋，則定位該移動(dòng)設(shè)備處于相應(yīng)的房間中，定位服務(wù)器將結(jié)果發(fā)送給客戶(hù)端，并顯示給用戶(hù)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種使用Zigbee無(wú)線(xiàn)接口進(jìn)行低功耗室內(nèi)定位的裝置及方法，針對(duì)無(wú)線(xiàn)環(huán)境的復(fù)雜樓宇。在移動(dòng)設(shè)備上安裝具有Wi-Fi無(wú)線(xiàn)接口、Zigbee無(wú)線(xiàn)接口和數(shù)字信號(hào)處理模塊的客戶(hù)端，在樓宇中布置多個(gè)具有Wi-Fi無(wú)線(xiàn)接口的Mapper，定位服務(wù)器將Zigbee無(wú)線(xiàn)接口采集的AP信號(hào)與Mapper采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)行定位。本方法由數(shù)字信號(hào)處理模塊得到AP強(qiáng)度，通過(guò)RSS序列對(duì)齊模塊用具有AP標(biāo)識(shí)的序列標(biāo)記客戶(hù)端采集的RSS序列，得到具有AP標(biāo)識(shí)的移動(dòng)設(shè)備所在位置的指紋，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備定位。本發(fā)明能以少于傳統(tǒng)方法50%以上的功耗，快速響應(yīng)用戶(hù)請(qǐng)求，從而為用戶(hù)提供最佳的室內(nèi)定位服務(wù)。
文檔編號(hào)H04W64/00GK103052154SQ20121059103
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者牛建偉, 高宇航, 劉闖, 童超 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)