本發(fā)明涉及定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于無線接收設(shè)備和攝像頭的室內(nèi)定位方法，還涉及一種實現(xiàn)所述室內(nèi)定位方法的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著時代進(jìn)步和科技發(fā)展，人們對于室內(nèi)定位的需求日漸增多，它不但可以方便人們的日常出行，也有利于政府部門進(jìn)行更有效的社會化治理。盡管可以用于室內(nèi)定位的技術(shù)很多，如超聲波、超寬帶、紅外線、射頻標(biāo)簽、藍(lán)牙信標(biāo)等，但從基礎(chǔ)設(shè)施的架設(shè)難度、維護(hù)成本與定位精度的角度綜合考量，WIFI無疑是最合適的選擇之一。

現(xiàn)有基于WIFI的室內(nèi)定位技術(shù)大體上可分為兩種，一是基于指紋數(shù)據(jù)庫的，二是基于場景實時計算的。由于基于指紋數(shù)據(jù)庫的方法不僅需要繁瑣復(fù)雜的指紋提取過程，還容易受到周邊環(huán)境變化的影響，因此在實際中無法大量普及。目前基于場景實時計算的方法或者需要多個無線接收器協(xié)同工作，或者需要改動無線接收器固件使之以一種特殊的方式工作，或者需要使用專有芯片來計算飛行時間，不難看出以上這些方法要么帶來較大的使用成本和安裝難度問題，要么受限于專有硬件無法使用已有設(shè)施帶來重復(fù)投資的問題。如何最大限度利用現(xiàn)有設(shè)施，同時最小化使用和維護(hù)成本，是室內(nèi)定位技術(shù)能否得以實用的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種基于無線接收設(shè)備和攝像頭的室內(nèi)定位方法，還提供一種實現(xiàn)所述室內(nèi)定位方法的系統(tǒng)。

本發(fā)明基于無線接收設(shè)備和攝像頭的室內(nèi)定位方法包括如下步驟：

S1：無線接收設(shè)備探測目標(biāo)設(shè)備發(fā)射的查詢WIFI信號；

S2：無線接收設(shè)備從查詢WIFI信號中提取用于唯一標(biāo)識目標(biāo)設(shè)備的MAC地址及信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)，并上傳至服務(wù)器；

S3：服務(wù)器根據(jù)無線接收設(shè)備上傳的CSI計算目標(biāo)設(shè)備與無線接收設(shè)備的入射角，同時發(fā)送拍攝指令給攝像頭，攝像頭拍攝圖像，上傳至服務(wù)器；

S4：服務(wù)器通過圖像像素獲取無線接收設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備之間的距離，根據(jù)無線接收設(shè)備的位置計算出目標(biāo)設(shè)備的位置信息。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述無線接收設(shè)備與攝像頭的數(shù)量分別為一個。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S1中，所述目標(biāo)設(shè)備包括智能手機(jī)，根據(jù)目標(biāo)人群攜帶智能手機(jī)，完成目標(biāo)人群的定位。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S1中，所述無線接收設(shè)備包括WIFI探針、WIFI無線偵聽器、無線接收器。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S2中，信道狀態(tài)信息提取方法包括：

S21：采集信道狀態(tài)數(shù)據(jù)，所述初始信道狀態(tài)數(shù)據(jù)包括N個空間流中的M個子載波的信道狀態(tài)數(shù)據(jù)值，N和M均為大于1的自然數(shù)；

S22：對每一空間流，求取在同一時間點上的P個連續(xù)子載波的信道狀態(tài)數(shù)據(jù)值的平均值，將此平均值作為信道狀態(tài)信息CSI值，P為大于1小于M的自然數(shù)；

S23：利用最小二乘最佳擬合算法對CSI值進(jìn)行修正。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S3中，在服務(wù)器端計算目標(biāo)設(shè)備到無線接收設(shè)備的入射角的方法為：

S31：對獲取的數(shù)據(jù)包所包含的CSI矩陣進(jìn)行特征值和特征向量分解；

S32：利用特征值構(gòu)建多信號分類算法的基底函數(shù)；

S33：利用基底函數(shù)，在0～360度范圍內(nèi)掃描入射角θ，在1～20納秒范圍內(nèi)掃描飛行時間τ，對每一對自變量(θ，τ)，當(dāng)基底函數(shù)的因變量存在峰值時，得到該自變量對應(yīng)的實際入射路徑；

S34：分離出τ最小的自變量，在該自變量中對應(yīng)的θ值即為所述目標(biāo)設(shè)備到無線接收設(shè)備的入射角θ。。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S4中，計算目標(biāo)設(shè)備到無線接收設(shè)備的距離的方法為：

S41：根據(jù)已知的無線接收設(shè)備與攝像頭位置，計算出圖像中距離與像素的對應(yīng)關(guān)系；

S42：以無線接收設(shè)備為起點，沿角度θ執(zhí)行人體搜尋算法，識別出人體即目標(biāo)所在位置；

S43：根據(jù)人體和無線接收設(shè)備的像素，計算目標(biāo)與無線接收設(shè)備間的實際距離。

本發(fā)明還提供一種實現(xiàn)所述室內(nèi)定位方法的系統(tǒng)，其特征在于：包括目標(biāo)設(shè)備：用于發(fā)送查詢WIFI信號；無線接收設(shè)備：用于探測目標(biāo)設(shè)備發(fā)射的查詢WIFI信號，并從查詢WIFI信號中提取目標(biāo)設(shè)備的MAC地址及信道狀態(tài)信息；攝像頭：用于拍攝室內(nèi)圖像并上傳至服務(wù)器；服務(wù)器：計算目標(biāo)設(shè)備與無線接收設(shè)備的入射角，同時發(fā)送拍攝指令給攝像頭；通過圖像像素獲取無線接收設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備之間的距離，根據(jù)無線接收設(shè)備的位置計算出目標(biāo)設(shè)備的位置信息。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述無線接收設(shè)備與攝像頭的數(shù)量分別為一個。

本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述目標(biāo)設(shè)備包括智能手機(jī)，根據(jù)目標(biāo)人群攜帶智能手機(jī)，完成目標(biāo)人群的定位；所述無線接收設(shè)備包括WIFI探針、WIFI無線偵聽器、無線接收器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明僅使用一個無線接收設(shè)備即可實現(xiàn)目標(biāo)設(shè)備的準(zhǔn)確定位，更加緊密貼合了WIFI的正常應(yīng)用場景；同時借助已經(jīng)廣泛應(yīng)用的攝像頭，輔以簡單的計算機(jī)圖像處理算法，既可以控制成本又可以保證計算實時性；二者結(jié)合取得良好的定位效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明實現(xiàn)所述室內(nèi)定位方法的系統(tǒng)，包括目標(biāo)設(shè)備：用于發(fā)送查詢WIFI信號；無線接收設(shè)備：用于探測目標(biāo)設(shè)備發(fā)射的查詢WIFI信號，并從查詢WIFI信號中提取用于唯一標(biāo)識目標(biāo)設(shè)備的MAC地址及信道狀態(tài)信息；攝像頭：用于拍攝室內(nèi)圖像并上傳至服務(wù)器；服務(wù)器：計算目標(biāo)設(shè)備與無線接收設(shè)備的入射角，同時發(fā)送拍攝指令給攝像頭；通過圖像像素獲取無線接收設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備之間的距離，根據(jù)無線接收設(shè)備的位置計算出目標(biāo)設(shè)備的位置信息。

所述無線接收設(shè)備與攝像頭的數(shù)量分別為一個。所述目標(biāo)設(shè)備包括智能手機(jī)等，根據(jù)目標(biāo)人群攜帶智能手機(jī)，完成目標(biāo)人群的定位；本例的無線接收設(shè)備可以為WIFI探針、WIFI無線偵聽器、無線接收器等，只要能夠獲取目標(biāo)設(shè)備發(fā)射的查詢WIFI信號即可本例的無線接收設(shè)備可以與無線路由器設(shè)置在同一臺設(shè)備上，也可以分開設(shè)置在不同的地方。

本例以無線偵聽器為例進(jìn)行說明。在實際應(yīng)用中，攝像頭與無線偵聽器均連入服務(wù)器，定位算法的執(zhí)行也在服務(wù)器端，且無線接收器的CSI獲取與攝像頭的圖像獲取需保持同步。

本發(fā)明是根據(jù)目標(biāo)人群所攜帶的智能手機(jī)會定時發(fā)射WIFI查詢信號的特點，通過布設(shè)在場景內(nèi)的WIFI無線偵聽器捕獲該查詢信號，一方面通過協(xié)議分析軟件提取設(shè)備MAC(Media Access Control，媒體訪問控制)地址，一方面通過信道狀態(tài)信息估算目標(biāo)設(shè)備與偵聽器間的夾角。

根據(jù)夾角信息啟動偵聽器周圍部署的攝像頭對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行成像，利用攝像頭與WIFI無線偵聽器位置已知的特點，通過分析像素與位置間的關(guān)系，估算目標(biāo)設(shè)備與偵聽設(shè)備間的距離。

具體的，如圖2所示，本發(fā)明基于無線接收設(shè)備和攝像頭的室內(nèi)定位方法包括如下步驟：

S1：無線接收設(shè)備探測目標(biāo)設(shè)備發(fā)射的查詢WIFI信號；

S2：無線接收設(shè)備從查詢WIFI信號中提取目標(biāo)設(shè)備的MAC地址及信道狀態(tài)信息；

S3：服務(wù)器從無線接收設(shè)備捕獲目標(biāo)設(shè)備的MAC地址及信道狀態(tài)信息CSI值，計算目標(biāo)設(shè)備與無線接收設(shè)備的入射角，同時發(fā)送拍攝指令給攝像頭，攝像頭拍攝圖像，上傳至服務(wù)器；

S4：服務(wù)器通過圖像像素獲取無線接收設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備之間的距離，根據(jù)無線接收設(shè)備的位置計算出目標(biāo)設(shè)備的位置信息。

其中，步驟S2中，信道狀態(tài)信息提取方法包括：

S21：采集信道狀態(tài)數(shù)據(jù)，所述初始信道狀態(tài)數(shù)據(jù)包括N個空間流中的M個子載波的信道狀態(tài)數(shù)據(jù)值，N和M均為大于1的自然數(shù)；

S22：對每一空間流，求取在同一時間點上的P個連續(xù)子載波的信道狀態(tài)數(shù)據(jù)值的平均值，將此平均值作為信道狀態(tài)信息CSI值，P為大于1小于M的自然數(shù)；

S23：利用最小二乘最佳擬合算法對CSI值進(jìn)行修正。

基于802.11n的無線信號傳輸物理層協(xié)議主要使用了正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)技術(shù)和多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術(shù)，為了使信號可靠傳輸，協(xié)議規(guī)定需要評估CSI信息，即每個頻率的子載波在每條信道上的傳輸狀態(tài)，包括了幅度和相位信息。由于使用了MIMO技術(shù)，當(dāng)天線以間隔為的陣列形式排列時，相鄰天線間的CSI在相位上會相差d*f*cosθ的值，其中d是相鄰天線間的距離，f是子載波頻率，θ為目標(biāo)設(shè)備發(fā)射的無線信號與天線的夾角，因此可以利用不同天線的CSI值來推算θ值。然而，一方面由于發(fā)射端和接收端的硬件設(shè)備存在差異，導(dǎo)致子載波頻率和采樣時間在發(fā)射端和接收端并不完全一致，存在較大偏移，所述偏移包括SFO(Sub-Carrier Frequency Offset，子載波頻偏)和STO(Sampling Time Offset，采樣時間偏移)；另一方面由于無線信號傳輸?shù)娜蛐运鸬亩鄰叫?yīng)，會在接收端檢測出多個入射角，而只有直視路徑(Light-Of-Sight，LOS)才可用于定位。因此本發(fā)明方法重點解決了由SFO和STO引入的噪聲問題以及LOS路徑的分離問題。

本例采用通過最小二乘法尋找使不同子載波最佳線性擬合的值，再用這個值對直接得出的CSI進(jìn)行修正。具體方法為：利用固定發(fā)射端和接收端設(shè)備不同子載波間SFO和STO不變的特點，構(gòu)建函數(shù)ψ(m,n)+2*pi*f*(n-1)*x+y，其中ψ(m,n)代表從CSI中獲取的相位信息，m和n分別代表天線序號和子載波序號，pi代表圓周率，f是子載波頻率間隔，x和y代表的是要求取的SFO和STO；再利用該函數(shù)構(gòu)建遍歷所有子載波和所有天線的求和公式，在該公式中分別對x和y求導(dǎo)數(shù)并分別令其為零，如此可得含有兩個未知變量的等式，聯(lián)立可分別求出x和y；利用所得出的x即可對CSI進(jìn)行修正。

步驟S3中，本發(fā)明主要包括使用天線陣列計算無線信號入射角度的方法計算目標(biāo)設(shè)備到無線接收設(shè)備的入射角，所述計算方法為：

S31：對獲取的數(shù)據(jù)包所包含的CSI矩陣進(jìn)行特征值和特征向量分解，具體地，對修正了SFO和STO的CSI矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)換，構(gòu)建如下形式的平滑矩陣X：

上述矩陣中下標(biāo)是指其在原矩陣中的位置。

S32：令X與其逆矩陣相乘，再令E_N代表其列向量，對每一列向量構(gòu)建基底函數(shù)如下：1/[a(θ,τ)*E_N*E_N^H*a(θ,τ)]，其中E_N^H代表E_N的轉(zhuǎn)置向量，a(θ,τ)為一向量，其值等于[1,...,Ω_τ^N-1,Φ_θ,...,Φ_θΩ_τ^N-1,...,Φ_θ^M-1,...,Φ_θ^M-1Ω_τ^N-1]，M和N分別代表天線和子載波序號，其中Φ_θ＝exp(-j*2*pi*d*sinθ*f/c)，Ω_τ＝exp(-j*2*pi*f*τ)，exp代表以e為底的指數(shù)操作，c代表光速，其他變量與前面保持一致。

S33：利用基底函數(shù)，在0～360度范圍內(nèi)掃描入射角θ，在1～20納秒范圍內(nèi)掃描飛行時間τ，對每一對自變量(θ，τ)，當(dāng)基底函數(shù)的因變量存在峰值時，得到該自變量對應(yīng)的實際入射路徑；

S34：分離出τ最小的自變量，在該自變量中對應(yīng)的θ值即為所述目標(biāo)設(shè)備到無線接收設(shè)備的入射角θ。

由于利用CSI獲取的飛行時間τ并不精確，而光速卻很大，所以直接將二者相乘會導(dǎo)致對于目標(biāo)設(shè)備和參考點的距離估算誤差較大。因此需要借助其他方法完成目標(biāo)設(shè)備到無線接收設(shè)備的距離的計算，本發(fā)明使用計算機(jī)技術(shù)解決這一問題。

計算機(jī)圖像由像素組成，像素與距離直接存在一定的對應(yīng)關(guān)系，盡管由于焦距不同會導(dǎo)致相同距離的物體間像素數(shù)目不一致，但是只要參考節(jié)點的距離已知，那么就可以自適應(yīng)地得出實際位置關(guān)系。本發(fā)明要求在成像時需將無線偵聽器包含在內(nèi)，因此攝像頭的安裝位置需與無線偵聽器的安裝位置協(xié)調(diào)進(jìn)行。

具體地，步驟S4中，計算目標(biāo)設(shè)備到無線偵聽器的距離的方法為：

S41：根據(jù)已知的無線偵聽器與攝像頭位置，計算出圖像中距離與像素的對應(yīng)關(guān)系。由于無線偵聽器在圖像中，而無線偵聽器與攝像頭間距離已知，因此可以據(jù)此換算出像素與實際距離間關(guān)系。

S42：以無線偵聽器為起點，沿步驟S34計算出的角度θ執(zhí)行現(xiàn)有的人體搜尋算法，識別出人體即目標(biāo)所在位置。

S43：根據(jù)人體和無線偵聽器的像素，計算目標(biāo)與無線偵聽器間的實際距離。具體的，根據(jù)步驟S51得出的距離與像素間關(guān)系，可由人體與無線接收設(shè)備間的像素反推出目標(biāo)與無線偵聽器間實際距離。

由于距離與角度計算均在服務(wù)器端，因此服務(wù)器負(fù)責(zé)將二者融合，再根據(jù)目標(biāo)設(shè)備發(fā)射信號中所蘊(yùn)含的設(shè)備媒體訪問地址(Media Access Control，MAC)信息，將MAC地址與換算出的坐標(biāo)記錄在數(shù)據(jù)庫中，完成定位工作。

本發(fā)明僅使用一個無線接收設(shè)備即可實現(xiàn)目標(biāo)設(shè)備的準(zhǔn)確定位，更加緊密貼合了WIFI的正常應(yīng)用場景；同時借助已經(jīng)廣泛應(yīng)用的攝像頭，輔以簡單的計算機(jī)圖像處理算法，既可以控制成本又可以保證計算實時性；二者結(jié)合取得良好的定位效果。

以上所述之具體實施方式為本發(fā)明的較佳實施方式，并非以此限定本發(fā)明的具體實施范圍，本發(fā)明的范圍包括并不限于本具體實施方式，凡依照本發(fā)明所作的等效變化均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。