一種基于無線局域網(wǎng)及分層聚類的室內(nèi)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于無線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位方法，具體涉及一種使用無線局域網(wǎng) 信號強(qiáng)度與分層聚類實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，無線局域網(wǎng)的大規(guī)模推廣部署W及智能移動(dòng)設(shè)備（如智能手機(jī)、平板電 腦等）的迅速普及使得人們隨時(shí)隨地都能連接網(wǎng)絡(luò)，將個(gè)人位置與周圍環(huán)境信息結(jié)合，深 刻地改變?nèi)藗兊纳罘绞?，出現(xiàn)了許多基于用戶當(dāng)前位置的應(yīng)用與服務(wù)。例如，基于位置信 息可W在大型停車場或者超市為用戶提供導(dǎo)航導(dǎo)購服務(wù)，在大型購物中也基于位置信息可 W為用戶提供個(gè)性化的商品推薦服務(wù)；此外，定位系統(tǒng)還能在火災(zāi)、地震等突發(fā)事件中為救 援人員提供救援及導(dǎo)航等服務(wù)。然而，上述基于位置信息的服務(wù)的核也就是要能較準(zhǔn)確的 對用戶的當(dāng)前位置進(jìn)行定位。
[0003] 對于室外環(huán)境而言，當(dāng)前已存在一些成熟且廣泛使用的定位系統(tǒng)，如全球GI^S定 位系統(tǒng)、基于蜂窩移動(dòng)終端的定位技術(shù)等。然而，由于GI^S信號不能穿透建筑物和基于蜂窩 基站的定位精度過低，該些室外定位技術(shù)均不能滿足室內(nèi)定位需求。而目前一些室內(nèi)定位 技術(shù)，如基于WLAN、Zi濁ee網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、紅外或超聲波等的系統(tǒng)由于受到非視距傳播（簡稱 化0巧與多徑效應(yīng)等影響，也不能提供較高的定位精度。基于UWB的定位系統(tǒng)雖然定位精度 高，但需要部署昂貴的通信基礎(chǔ)設(shè)施。近年出現(xiàn)了一些基于無線局域網(wǎng)的定位方法，其優(yōu)勢 是不需為定位?？诓渴鹨惶谆鞠到y(tǒng)，利用無線局域網(wǎng)的無線接入點(diǎn)與用戶的智能移動(dòng)終 端進(jìn)行定位。但由于室內(nèi)環(huán)境無線信號傳播干擾較多，當(dāng)前基于無線局域網(wǎng)的定位系統(tǒng)精 度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是；設(shè)計(jì)開發(fā)一種基于無線局域網(wǎng)與分層聚類相結(jié)合 的室內(nèi)定位方法，能夠消除使用無線信號的室內(nèi)定位系統(tǒng)由于復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境及不同的智能 終端帶來的影響，提高定位穩(wěn)定性和定位精度，W便于定位服務(wù)的大規(guī)模推廣使用。
[0005] 為了解決上述問題，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0006] -種基于無線局域網(wǎng)與分層聚類的室內(nèi)定位方法，其特征在于它包括一個(gè)由移動(dòng) 終端設(shè)備、無線局域網(wǎng)及定位服務(wù)器組成架構(gòu)；
[0007] 1)移動(dòng)終端設(shè)備：由需要定位的目標(biāo)攜帶，采集無線信號強(qiáng)度，同時(shí)可與定位服 務(wù)器通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或者無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信；
[000引。無線局域網(wǎng)；指目前在公共空間或者建筑部署的無線網(wǎng)絡(luò)，有一系列的無線接 入點(diǎn)及無線路由器組成，移動(dòng)終端設(shè)備在一個(gè)物理位置采集到無線信號強(qiáng)度及其對應(yīng)的無 線接入點(diǎn)作為該位置的定位標(biāo)記；
[0009] 3)定位服務(wù)器；用于存儲室內(nèi)環(huán)境中所有位置的定位標(biāo)記，在定位服務(wù)中接收用 戶的定位請求并將定位結(jié)果通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或者無線局域網(wǎng)返回給用戶。
[0010] 所述移動(dòng)終端設(shè)備由智能手機(jī)、平板電腦或者筆記本電腦等代替，由顯示模塊、處 理模塊、通信模塊及無線信號采集模塊組成，其中，顯示器模塊用于W可視化的方式呈現(xiàn)定 位結(jié)果，處理模塊用于控制設(shè)備其他模塊的協(xié)調(diào)工作，通信模塊用于與定位服務(wù)器進(jìn)行通 信，無線信號采集模塊用于采集周圍無線接入點(diǎn)的信號強(qiáng)度。
[0011] 所述無線局域網(wǎng)它通過無線接入點(diǎn)將W太網(wǎng)轉(zhuǎn)換為無線網(wǎng)絡(luò)信號，并通過無線路 由器實(shí)現(xiàn)大范圍的無線信號覆蓋。
[0012] 所述定位服務(wù)器由位置標(biāo)記存儲數(shù)據(jù)庫、定位算法模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成，位 置標(biāo)記存儲數(shù)據(jù)庫用于存儲室內(nèi)環(huán)境中所有采集點(diǎn)的定位標(biāo)記信息，定位算法模塊在定位 階段使用移動(dòng)終端設(shè)備采集定位標(biāo)記作為輸入對用戶當(dāng)前位置進(jìn)行定位，網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù) 責(zé)接收移動(dòng)終端設(shè)備采集的定位標(biāo)記并向移動(dòng)終端設(shè)備返回定位結(jié)果。
[0013] 定位過程分為位置標(biāo)記指紋庫構(gòu)建和在線定位兩個(gè)階段，物理位置的定位標(biāo)記指 紋是指該位置接收到的周圍無線接入點(diǎn)的信號強(qiáng)度及其對于的無線接入點(diǎn)編號，物理位置 1的無線信號強(qiáng)度采集結(jié)果可用一個(gè)向量表示；7^二^[1*泌;,；^8^，...，1*<}，其中[88;表示位置 i接收到的第2個(gè)無線接入點(diǎn)的信號強(qiáng)度，m表示位置i周圍能探測到的所有無線接入點(diǎn)的 數(shù)目。
[0014] 所述定位方法的位置標(biāo)記指紋庫采用分層聚類方法進(jìn)行構(gòu)建，具體步驟如下所 示：
[0015] (1)對于需要部署定位服務(wù)的室內(nèi)環(huán)境，根據(jù)定位精度需求將室內(nèi)環(huán)境劃分為等 間距的采樣點(diǎn)，可表示為；L= 111, 12,…，1?！?。}，其中n表示室內(nèi)環(huán)境劃分的采樣點(diǎn) 數(shù)目；對于每個(gè)采樣點(diǎn)，由部署人員使用移動(dòng)終端設(shè)備采集該位置接收到的無線局域網(wǎng)信 號強(qiáng)度與每個(gè)信號強(qiáng)度對應(yīng)的無線接入點(diǎn)，位置li的采集結(jié)果可表示為：f= (R,，Ay^)，其 中，為二扣8;，...取8,/，...，1'88戸：^巧8/未示位置1采集到的第^'個(gè)無線接入點(diǎn)的信號強(qiáng)度； 今 = {wapl，…，wap,，...，w呼J，wap康示信號強(qiáng)度rs皆來自的無線接入點(diǎn)編號。
[0016] (2)對于每個(gè)物理位置的定位標(biāo)記指紋采集結(jié)果，選擇前K大的信號強(qiáng)度及其 對應(yīng)的無線接入點(diǎn)作為物理位置標(biāo)記指紋，可表示為：if"二{TopK取，其中， To地巧1)表示而中前K大的元素，A郵巧表示而中每個(gè)元素對于的無線接入點(diǎn)編號；
[0017] (3)對所有物理位置的定位標(biāo)記指紋進(jìn)行K均值聚類，目的是使來自相同區(qū)域采 集點(diǎn)的標(biāo)記指紋聚為一類，其中，K均值聚類中兩個(gè)向量A郵&-與之間的距離使用 杰卡德相似系數(shù)衡量，其意義為A郵巧心與Ar。體巧I的交集兀素在Af。體WI與A郵巧的并集 中所占的比例；(4)構(gòu)建更穩(wěn)定的室內(nèi)定位標(biāo)記指紋，通過位置i的采集結(jié)果中前K大的集 合《=扣81,1'88^...，1'8墳，構(gòu)造而的距離關(guān)系矩陣心6.，其中，若《<巧，則心6的第口行 q列元素Wg,(p，q)的取值為-1 ;若兮=巧，則Ms化q)取值為0 ;若巧 > 巧，則Ms化q)取 值為1，對于步驟（3)聚類得到的每一類中的所有元素，再次使用K均值進(jìn)行聚類，其中兩個(gè) 元素的距離使用關(guān)系矩陣的杰卡德相似系數(shù)衡量。
[0018] (5)對于步驟（4)中聚類得到所有類別構(gòu)建查找索引，索引為聚類中也元素的距 離關(guān)系矩陣。
[0019] 所述定位方法的包括W下步驟：
[0020] (1)需要定位的移動(dòng)終端設(shè)備采集其周圍無線接入點(diǎn)的信號強(qiáng)度及對應(yīng)的無線接 入點(diǎn)編號作為該位置的定位標(biāo)記指紋，并通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或者無線局域網(wǎng)將其發(fā)送給定位服 務(wù)器；
[0021] (2)定位服務(wù)器將接收到的來自移動(dòng)終端設(shè)備的物理位置標(biāo)記指紋作為定位算法 的輸入，可表示為：馬"^"={1咕1^(11^)，八^。,^^>}，其中，機(jī)地化）表示1?7中前1(大的元素， 表示R,中每個(gè)元素對應(yīng)的無線接入點(diǎn)；
[002引 做對于To地化），計(jì)算器其距離關(guān)系矩陣雌，并計(jì)算與位置標(biāo)記指紋庫中 所有類別索引之間的杰卡德相似系數(shù)，選擇杰卡德相似系數(shù)最大的類別Cmi。作為移動(dòng)終端 設(shè)備所在位置的候選區(qū)域；
[002引（4)計(jì)算Cmi。中所有元素與R7的歐幾里得距離，并選擇Cmi。中與R7歐幾里得距離 最小的元素作為定位結(jié)果。
[0024] 它還包括W下步驟：
[0025] (A)在需要定位的室內(nèi)空間根據(jù)定位精度需求劃分采集點(diǎn)，由定位部署人員采集 物理位置周圍的無線接收點(diǎn)信號強(qiáng)度與無線接收點(diǎn)的編號，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或者無線局域網(wǎng) 發(fā)送給定位服務(wù)器；
[0026] 炬）定位服務(wù)器端采用分層聚類算法構(gòu)建物理位置的標(biāo)記指紋庫；
[0027] (C)定位服務(wù)器端開啟定位服務(wù)監(jiān)聽用戶的定位請求；
[0028] 值）用戶發(fā)出定位請求后，所攜帶的移動(dòng)終端設(shè)備采集用戶當(dāng)前位置的定位標(biāo)記 指紋發(fā)送給服務(wù)器端；
[0029] 巧）服務(wù)器段處理到用戶的定位請求，通過定位算法將定位結(jié)果返回給客戶端，在 用戶的移動(dòng)終端設(shè)備上進(jìn)行可視化顯示。
[0030] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比；本發(fā)明針對無線局域網(wǎng)的無線信號在室內(nèi)環(huán)境中得傳播 特征與大規(guī)模范圍的定位需求，將分層聚類的與無線局域網(wǎng)相結(jié)合，提出一種能適用于大 規(guī)模復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的高精度定位方法，能夠消除使用無線信號的室內(nèi)定位系統(tǒng)由于復(fù)雜室 內(nèi)環(huán)境及不同的智能終端帶來的影響，提高定位穩(wěn)定性和定位精度，W便于定位服務(wù)的大 規(guī)模推廣使用。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)部署體系結(jié)構(gòu)圖
[0032] 圖2是本發(fā)明的位置標(biāo)記指紋庫構(gòu)建流程圖
[0033] 圖3是本發(fā)明的定位算法流程圖
[0034] 圖4是本發(fā)明的定位服務(wù)流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0035] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)部署體系結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明具體部署實(shí)施過程中采用客戶端與服 務(wù)器結(jié)合的c/s架構(gòu)，系統(tǒng)需要室內(nèi)環(huán)境也部署由無線局域網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施?？蛻舳酥饕侵?用戶攜帶的移動(dòng)終端設(shè)備，可由市場上流行的智能手機(jī)、平板電腦或者筆記本電腦等代替。
[0036] 它包括一個(gè)由移動(dòng)終端設(shè)備、無線局域網(wǎng)及定位服務(wù)器組成架構(gòu)；
[0037] 1)移動(dòng)終端設(shè)備：由需要定位的目標(biāo)（人或者車輛等）攜帶，具有采集無線信號 強(qiáng)度的功能，同時(shí)可與定位服務(wù)器通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或者無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信；移動(dòng)終端設(shè)備 通常由顯示模塊、處理模塊、通信模塊及無線信號采集四個(gè)模塊組成。其中，顯示器模塊W 可視化的方式展示定位結(jié)果，處理模塊用于控制其他模塊的工作，通信模塊用于與定位服 務(wù)器通過移動(dòng)網(wǎng)路或者無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信，無線信號采集模塊用于采集所在位置接收到 的無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)的信號強(qiáng)度。
[0038] 2)無線局域網(wǎng)；指目前在公共空間或者建筑部署的無線網(wǎng)絡(luò)，有一系列的無線接 入點(diǎn)及無線路由器組成。本發(fā)明將移動(dòng)終端設(shè)備在一個(gè)物理位置采集到無線信號強(qiáng)度及其 對應(yīng)的無線接入點(diǎn)作為該位置的定位標(biāo)記；無線局域網(wǎng)它通過無線接入點(diǎn)將W太網(wǎng)轉(zhuǎn)換為 無線網(wǎng)絡(luò)信號，并通過無線路由器實(shí)現(xiàn)大范圍的無線信號覆蓋。
[0039] 3)定位服務(wù)器；用于存儲室內(nèi)環(huán)境中所有位置的定位標(biāo)記，在定位服務(wù)中接收用 戶的定位請求并將定位結(jié)果通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或者無線局域網(wǎng)返