CN204681599U - 一种基于WiFi和蓝牙的室内融合定位系统 - Google Patents

Abstract

一种基于WiFi和蓝牙的室内融合定位系统，涉及一种室内定位系统，该系统利用室内现有的WiFi热点资源，WiFi信号基本已覆盖楼层各个区域，再根据蓝牙信号强度分布特性，在楼层部署若干蓝牙信标节点。WiFi热点资源、WiFi路由器和蓝牙信标节点共同构成了信标节点网络。移动定位终端采集和整理WiFi信标节点信息和蓝牙信标节点信息，并提供两种定位模式使系统可以迅速的处理来自用户的定位请求，提供了良好的并发访问应答机制，服务器子系统可以查询用户平面层地图，并匹配电子地图获取其终端所在位置的实时定位信息。为用户提供方便、精准的定位需求。

Description

一种基于WiFi和蓝牙的室内融合定位系统

技术领域

本实用新型涉及一种室内定位系统，特别是涉及一种融合WiFi信号和蓝牙信号的室内定位系统。

背景技术

基于位置的服务（LBS）成为最具发展潜力的移动互联网业务之一。随着互联网技术、宽带无线接入技术和移动终端技术的迅速发展，人们对能够随时随地地提供信息服务的移动计算与宽带无线通信的需求越来越迫切。无处不在的网络终端，以人为本、个性化、智能化的移动计算，以及方便、快捷的无线接入、无线互联等新概念和新产品，逐渐地融入到人们的学习、工作领域和日常生活当中。

卫星导航定位系统凭借其极高的可靠性和准确的室外定位精度，拥有了广泛的应用领域，但是极难应用于室内定位。为了提高复杂室内环境中的定位精度，专家学者们提出了很多室内定位的技术方案。谷歌、微软、苹果、博通等在内的科技巨头，还有世界知名的大学研究机构都在结合新技术研究室内定位。

红外线定位技术需要在各个区域安装数量较多的接收天线，才可以精确定位，造价太高。另外，超声波定位技术和超宽带定位技术的设备都十分昂贵。相比而言，许多建筑室内都部署了WiFi热点，不需要额外的设备就能定位。

受室内多径传播和非视距传播的影响，A-GPS定位技术，ZigBee定位技术等定位精度严重下降。相比之下，WiFi定位技术和蓝牙定位技术都能克服非视距传播的影响。

射频识别定位技术和ZigBee定位技术都需要专门的定位设备才能定位，难以集成到现有的智能终端里。而现在很多智能终端都集成了WiFi和蓝牙模块，通过采集WiFi信标节点信息和蓝牙信标节点信息就可实现室内定位。

基于以上原因，本实用新型融合WiFi信号和蓝牙信号设计和实现了一种室内定位系统，该系统充分利用室内WiFi热点资源和蓝牙节点网络，融合移动定位终端采集的WiFi信标节点信息和蓝牙信标节点信息，完成对终端的高精度定位。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于WiFi和蓝牙的室内融合定位系统，该系统利用室内现有的WiFi热点资源，使系统可以迅速的处理来自用户的定位请求，提供了良好的并发访问应答机制，便于处理多用户同时发出的定位请求，而不发生冲突，便于提供实时的定位结果。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于WiFi和蓝牙的室内融合定位系统，该定位系统由信标节点网络、移动定位终端和服务器子系统三部分构成，其中信标节点网络又由若干个蓝牙信标节点网络和WiFi信标节点网络构成；WiFi信标节点网络由若干全向吸顶天线构成，蓝牙信标节点网络由部署的若干iBeacons蓝牙节点构成；移动定位终端由射频模块、模拟基带、数字基带处理器、蓝牙模块、WiFi模块、嵌入式处理器、SD卡和触摸屏等模块构成；其中射频模块、模拟基带、数字基带处理器共同构成终端的移动通信信号处理单元，WiFi模块和蓝牙模块通过串口及SPI接口与嵌入式处理器进行定位信号检测信息的交互通信；服务器子系统的组成包括网关、主控服务器、融合定位服务器、Web服务器；主控服务器由通信模块服务器端和融合定位参数数据库组成；融合定位服务器由融合定位算法模块和地图数据库组成；Web服务器由Web数据库模块、室内地图服务模块、管理员控制端模块和用户访问服务模块组成。

所述的一种基于WiFi和蓝牙的室内融合定位系统，所述在楼层设置蓝牙信标节点，WiFi热点资源、WiFi路由器和蓝牙信标节点共同构成信标节点网络。

所述的一种基于WiFi和蓝牙的室内融合定位系统，所述移动定位终端WiFi信标节点信息包括WiFi信号强度信息、WiFi信标节点物理地址和WiFi坐标信息，蓝牙信标节点信息包括蓝牙信号强度信息、蓝牙信标节点物理地址和蓝牙坐标信息。

所述的一种基于WiFi和蓝牙的室内融合定位系统，所述其WiFi信号强度值RSSI和蓝牙信号强度值RSSI对周围WiFi节点和蓝牙节点排序，WiFi信标节点信息、蓝牙信标节点信息连接到服务器子系统。

所述的一种基于WiFi和蓝牙的室内融合定位系统，所述定位包括两种定位模式：一种是基于网络侧定位模式，另一种是基于移动定位终端自主定位模式。

本实用新型移动定位终端可同时解调WiFi与蓝牙信标节点定位信号的信号，完成基于WiFi和蓝牙信号强度的室内融合定位。

本实用新型服务器子系统中的融合定位服务器可以实现基于网络侧的移动用户定位，以及推送与位置相关的服务信息。服务器子系统中的Web服务器可提供多用户的实时位置信息查询、室内地图增量更新、周边兴趣点服务信息。

本实用新型的优点与效果是：

本实用新型可以充分利用室内现有的WiFi基础设施资源和移动终端具备蓝牙及WiFi模块的特点，减少了定位系统信标布设成本与终端成本，可以充分利用现有的WiFi和蓝牙信号资源进行准确的定位。

本实用新型可实现WiFi信号和蓝牙信号的融合定位，充分利用WiFi定位范围广、可非视距传输，蓝牙设备体积小、功耗低、成本低等优点以及两种信号的分布特性、位置区分度等，两种信号的融合定位可进一步的提高定位精度。

本实用新型提供两种定位模式：一种是基于网络侧定位模式，利用WiFi网络通信，通过服务器定位计算出用户的位置，可避免使用移动网络定位产生的数据流量。另一种是基于移动定位终端自主定位模式，定位终端自带的定位算法，可直接在终端定位出用户的位置。有两种定位模式的选择使用，能够更加有效的推广该项融合定位技术，为用户提供方便、精准的定位需求。

附图说明

图1 是本实用新型一种基于WiFi和蓝牙室内定位系统的结构示意图；

图2 是本实用新型一种基于WiFi和蓝牙室内定位系统的移动定位终端结构示意图；

图3 是本实用新型一种基于WiFi和蓝牙室内定位系统的服务器子系统架构图；

图4 是本实用新型一种基于WiFi和蓝牙室内定位系统的三层数据融合定位算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型进行详细的实施说明。

如图1、图2所示，一种基于WiFi信号和蓝牙信号实现室内融合定位的系统，主要包括信标节点网络、移动定位终端和服务器子系统。该系统充分利用室内现有的WiFi热点资源，WiFi信号基本已覆盖楼层各个区域，每10米就有一个WiFi热点，再根据蓝牙信号强度分布特性，每20米部署一个蓝牙信标节点。另外WiFi路由器负责与移动定位终端进行双向通信。WiFi热点资源、WiFi路由器和蓝牙信标节点共同构成了信标节点网络。移动定位终端采集周边WiFi信标节点信息，包括WiFi信号强度信息、WiFi信标节点物理地址、WiFi坐标信息和蓝牙信标节点信息，包括蓝牙信号强度信息、蓝牙信标节点物理地址、蓝牙坐标信息。移动定位终端根据采集到的WiFi信号强度值RSSI和蓝牙信号强度值RSSI完成对周围WiFi节点和蓝牙节点的排序，然后通过终端自带的定位算法进行自主定位，也可以将选取的WiFi信标节点信息、蓝牙信标节点信息发送到服务器端进行网络定位。

如图1所示，本实用新型为一种基于WiFi信号和蓝牙信号实现室内融合定位的系统，该定位系统主要由信标节点网络、移动定位终端和服务器子系统三部分构成。其中信标节点网络又由若干个蓝牙信标节点网络和WiFi信标节点网络构成。WiFi信标节点网络利用室内已有的WiFi热点资源，主要由若干全向吸顶天线构成，蓝牙信标节点网络由部署的若干iBeacons蓝牙节点构成。移动定位终端通过内部的WiFi模块和蓝牙模块的天线分别接收WiFi信标信号和蓝牙信标信号，并对接收到的WiFi信号和蓝牙信号进行信号强度检测及信号处理后，分别通过两种方式发送给服务器子系统，一种方式为经由3G、4G移动通信网络网络，另一种方式是通过WiFi网络及对应的路由接入INTERNET到达服务器子系统。服务器子系统经由移动通信网络或INTERNET网路接收到终端的定位请求后，完成对终端的定位计算、地图匹配以及参数传输，并通过3G、4G网络或者WiFi网络将定位结果传输回移动定位终端。最后移动定位终端匹配室内电子地图显示出用户所在位置。

如图2所示，本实用新型基于WiFi信号和蓝牙信号室内融合定位系统中的移动定位终端主要由射频模块、模拟基带、数字基带处理器、蓝牙模块、WiFi模块、嵌入式处理器、SD卡和触摸屏等模块构成。其中射频模块、模拟基带、数字基带处理器共同构成终端的移动通信信号处理单元，根据无线接口协议标准，实现语音和数据通信的功能。用来接收及发送移动通信信号，与移动网络进行信令交互，为基于移动定位终端的自主定位模式提供定位特征参数，并交互返回定位结果。WiFi模块和蓝牙模块通过串口及SPI接口与嵌入式处理器进行定位信号检测信息的交互通信。移动定位终端的WiFi模块用来接收及发送WiFi信标节点定位信号，与WiFi网络进行通信，为基于网络侧定位模式提供定位特征参数，并交互返回定位结果。蓝牙模块用来接收蓝牙定位信号。终端触摸屏是实现人机交互的重要组成部分，处理器通过直接GPIO控制触摸屏的显示和键盘响应，用户可以通过触摸屏选择定位模式，最后通过LCD屏幕显示出用户所在位置。终端可在SD卡中存储定位参数特征数据库，嵌入式处理器可负责管理定位特征数据及完成融合定位匹配运算并实现终端定位。

如图3所示，主控服务器通过网关与移动定位终端进行双向通信传输，接收终端发送的定位请求和数据帧信息，并将数据帧信息存储到定位参数数据库和发送到融合定位服务器。融合定位服务器经过融合定位计算后将定位结果返回主控服务器，主控服务器一方面将定位结果通过网关发送回移动定位终端，另一方面传输给Web服务器。Web服务器根据定位参数和计算出的定位结果在配置的电子地图上显示出当前用户的位置。另外用户客户端可在Web服务器查询移动定位终端所在平面层地图并对终端进行实时跟踪。 

如图3所示，本实用新型一种基于WiFi信号和蓝牙信号室内融合定位系统的服务器子系统的组成包括网关、主控服务器、融合定位服务器、Web服务器。主控服务器、融合定位服务器、Web服务器之间的数据交互和通信均是基于INTERNET网络的TCP/IP协议进行访问和传输。网关即移动通信核心网路由器及防火墙，通过网关将定位数据及回传结果接入主控服务器。主控服务器由通信模块服务器端和融合定位参数数据库组成。通信模块服务器端负责响应终端发起的定位请求并完成与终端的信息交互，融合定位参数数据库通过TCP/IP协议访问并传输融合定位服务器的定位结果。融合定位服务器由融合定位算法模块和地图数据库组成。其中地图数据库模块提供实时的地图信息，融合定位算法模块完成终端的位置计算。Web服务器由Web数据库模块、室内地图服务模块、管理员控制端模块和用户访问服务模块组成。其中Web数据库模块和室内地图服务模块通过TCP/IP协议访问并传输融合定位服务器的定位结果和地图数据。管理员正常登录后，可通过管理员控制端模块完成日常维护工作，包括用户管理和终端管理。用户正常登录后，通过用户访问服务模块进行用户资料维护，终端信息设置和位置查询操作。Web服务器提供多用户并发访问应答机制，可迅速处理多用户同时发出的定位请求，而不发送冲突。

如图4所示，本系统提供基于WiFi与蓝牙的室内无缝融合定位算法。根据无线信号传播模型，将WiFi信号和蓝牙信号的RSSI测量值转化成信标节点到终端的距离值，结合信号节点和终端坐标信息可列出观测方程组，用泰勒级数展开法将观测方程组线性化，利用最小二乘法可得到目标位置估计值，这是第一次数据融合。然后将WiFi和蓝牙定位的位置估计值和误差估值，用残差加权算法进行融合，这是第二次数据融合。最后将WiFi和蓝牙分别定位的结果和残差加权融合定位的结果进行贝叶斯融合处理，三次融合定位处理后可得到最佳的位置估计值。

实施例：根据室内已有的WiFi热点资源，每10米就有一个WiFi信标节点，根据楼层室内蓝牙信号分布特性，每20米部署一个iBeacons蓝牙信标节点，实现室内区域定位信号的无缝覆盖。移动定位终端安装完定位应用程序后，打开终端的WiFi、蓝牙开关和定位软件，定位应用程序中的采集模块开始扫描周边的WiFi信标节点和蓝牙信标节点信息，每10ms采集一次，2s采集到信标节点的200个RSSI值，对这200个RSSI值取几何平均值，当这个平均值大于设定的RSSI阀值时，则将这信标节点的200个RSSI值、位置坐标等信息保存入库。终端选取周边四个信号强度最强的WiFi信标节点和四个信号强度最强的蓝牙信标节点。定位应用程序提供两种定位模式，一种是基于网络侧定位模式，另一种是基于移动定位终端的自主定位模式。当用户选择自主定位模式后，发送自主定位请求，终端将收集到的WiFi信标节点信息和蓝牙信标节点信息进行高斯滤波处理，选择出较优良的RSSI值，根据融合定位算法计算出定位结果，最后在终端匹配电子地图显示出用户的位置，用户也可根据配置的电子地图在陌生室内环境下进行导航。另外自主定位模式可以为VIP用户推送周边商铺的商品优惠信息或者身边好玩的旅游景点信息。

当用户选择网络侧定位模式后，发送网络定位请求给服务器端，服务器响应定位请求并且接收终端采集的WiFi信标节点信息和蓝牙信标节点信息，服务器端经过对信标节点信息预处理后，进行融合定位计算，将最终定位结果发送回终端，终端就能够显示出用户在室内所在的位置了，另外服务器端支持多用户位置查询，能够显示出用户在电子地图上的所在位置。

服务器端提供查询移动定位终端所在室内的位置，并能够查询各个楼层的平面地图，只要用户没关闭定位软件，还可以在服务器中显示出用户的行走轨迹。

Claims (1)

1.一种基于WiFi和蓝牙的室内融合定位系统，其特征在于，该定位系统由信标节点网络、移动定位终端和服务器子系统三部分构成，其中信标节点网络由若干个蓝牙信标节点网络和WiFi信标节点网络构成；WiFi信标节点网络由若干全向吸顶天线构成，蓝牙信标节点网络由部署的若干iBeacons蓝牙节点构成；移动定位终端由射频模块、模拟基带、数字基带处理器、蓝牙模块、WiFi模块、嵌入式处理器、SD卡和触摸屏模块构成；其中射频模块、模拟基带、数字基带处理器共同构成终端的移动通信信号处理单元，WiFi模块和蓝牙模块通过串口及SPI接口与嵌入式处理器进行定位信号检测信息的交互通信；服务器子系统的组成包括网关、主控服务器、融合定位服务器、Web服务器；主控服务器由通信模块服务器端和融合定位参数数据库组成；融合定位服务器由融合定位算法模块和地图数据库组成；Web服务器由Web数据库模块、室内地图服务模块、管理员控制端模块和用户访问服务模块组成。