1、室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)方案文件狀態(tài)：文件標(biāo)識(shí)：草稿當(dāng)前版本：1.0口正式發(fā)布作 者：王開(kāi)蓬v正在修改完成日期：2012-03-07版本歷史版本/狀 態(tài)作者參與后日期備注1.0王開(kāi)蓬2012-03-06A版2012 年 3 月-可編輯修改-目錄1 概述 51.1 項(xiàng)目背景 51.2 目標(biāo) 51.3 建設(shè)原則 52 總體設(shè)計(jì) 72.1 總體邏輯架構(gòu) 72.2 總體功能設(shè)計(jì) 82.3 安全設(shè)計(jì) 82.4 性能設(shè)計(jì) 92.5 數(shù)據(jù)接口 93 系統(tǒng)功能 93.1 地圖解析系統(tǒng) 93.1.1 店鋪信息93.1.2 店鋪展示93.1.3 拓?fù)鋱D展示1.03.2 WIFI 定位 1.03.2.1 三角定位1.03.2.

2、2 位置指紋識(shí)別算法1.33.3 地圖管理系統(tǒng)1.43.3.1 矢量圖信息1.5.3.3.2 系統(tǒng)日志1.5.4 技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑155 實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)156 初步預(yù)算161 概述1.1 項(xiàng)目背景GPS 衛(wèi)星定位和導(dǎo)航功能在現(xiàn)在的智能手機(jī)上幾乎成為了標(biāo)準(zhǔn)配笠，不過(guò)GPS 導(dǎo)航仍有一個(gè)尚未解決的難題，就是室內(nèi)導(dǎo)航。因?yàn)镚PS 衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法穿透太厚的墻壁，導(dǎo)航設(shè)備在大型建筑、地下建筑、高層樓房中會(huì)徹底找不到衛(wèi)星信號(hào)而無(wú)法定位。在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)會(huì)場(chǎng)位置導(dǎo)航和附近好友位呈顯示的功能。預(yù)計(jì)可以用于大型展覽活動(dòng)、大型商場(chǎng)、博物管、大型會(huì)議，等提供導(dǎo)航服務(wù)。借助室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)找到不同的展區(qū)路線和使用同一軟件的朋友，同時(shí)有助

3、于會(huì)議組織者的信息采集和會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。1.2 目標(biāo)充分利用移動(dòng)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，填補(bǔ)GPS 定位和導(dǎo)航功能的不足。利用wifi 技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位、導(dǎo)航、拓?fù)渎肪€顯示功能。目標(biāo)精確度2 米內(nèi)。1.3 建設(shè)原則安全性安全性包括軟硬件系統(tǒng)安全、應(yīng)用安全和網(wǎng)絡(luò)通訊安全。保證數(shù)據(jù)不被非法入侵者破壞和盜用，并保證數(shù)據(jù)的一致性；對(duì)欺詐或攻擊行為采取多種檢查和處理手段。系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，首先取決于系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、平臺(tái)的選擇以及應(yīng)用程序的質(zhì)量；其次， 必須考慮到各種特殊情況下的恢復(fù)機(jī)制和備份機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)的一致性、完整性以及災(zāi)難恢復(fù)；此外，完整的權(quán)限控制機(jī)制，考慮充分的系統(tǒng)保密措施是保證安全的重

4、要因素。簡(jiǎn)單易用性快速部署：可以在較短的時(shí)間里，進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的定義。系統(tǒng)的各種管理都有相應(yīng)的可視化的操作界面，簡(jiǎn)單易用。先進(jìn)成熟性先進(jìn)性一方面體現(xiàn)在技術(shù)上和設(shè)計(jì)理念上，不僅滿足現(xiàn)有需求，還要符合未來(lái)的發(fā)展方向。在項(xiàng)目中采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)模型、系統(tǒng)架構(gòu)、核心算法、行業(yè)流行和先進(jìn)的技術(shù)，例如數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、體系架構(gòu)等，先進(jìn)的技術(shù)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并可根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展，按需擴(kuò)展。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮采用成熟的產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)，這樣，能夠在最大限度上保證核心系統(tǒng)的成熟度，同時(shí)， 一些個(gè)性化的應(yīng)用也將采用成熟的技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和功能擴(kuò)展。規(guī)范性系統(tǒng)的軟、硬件均符合相關(guān)的國(guó)際、國(guó)內(nèi)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，

5、 根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的實(shí)際，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的潮流，整個(gè)系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、應(yīng)用設(shè)計(jì)到業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)都符合統(tǒng)一規(guī)范的原則，以明確系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路。-可編輯修改-2總體設(shè)計(jì)1.1 總體邏輯架構(gòu)附近建筑地圖包版本管理發(fā)射器用戶通過(guò)GPS/AGPS ,自動(dòng)定位城市或手動(dòng)設(shè)置默認(rèn)城市，可搜索附近的建筑；用戶選擇下載一個(gè)或多個(gè)城市的建筑地圖；采集發(fā)射器的數(shù)據(jù)，得出精確的定位坐標(biāo)；店鋪查找，及店鋪與店鋪之間的導(dǎo)航；后臺(tái)數(shù)據(jù)管理各個(gè)城市的地圖包并及時(shí)更新1.2 總體功能設(shè)計(jì)地圖解析系統(tǒng)負(fù)責(zé)地圖的解析，地圖在手機(jī)端的展示，店鋪與店鋪之間的導(dǎo)航（店鋪之間的拓?fù)潼c(diǎn)），各個(gè)公用設(shè)置的展示（比如電梯、衛(wèi)生問(wèn)、收銀臺(tái)等）；發(fā)射器

6、采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)查找是哪個(gè)發(fā)射源傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，及對(duì)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算；地圖管理負(fù)責(zé)管理建筑樓層矢量圖，發(fā)射源在建筑中每層的位置信息，及系統(tǒng)日志的記錄。1.3 安全設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)到的敏感數(shù)據(jù)包括矢量地圖包、建筑發(fā)射器擺放位置等，采用加密。方式傳輸，客戶端解密后再進(jìn)行解析。1.4 性能設(shè)計(jì)射頻識(shí)別技術(shù)利用社評(píng)方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識(shí)別和定位的目的。該技術(shù)作用距離短，一般最長(zhǎng)為幾十米。但可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級(jí)定位精度的信息，切傳輸范圍很大，成本較低。同時(shí)由于其非接觸和非視距等優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。1.5 數(shù)據(jù)接口客戶端與服務(wù)器獲取地圖包的接口；發(fā)射器與客戶端數(shù)據(jù)采集的接口；3 系

7、統(tǒng)功能3.1 地圖解析系統(tǒng)3.1.1 店鋪信息店鋪信息包括店鋪名稱，店鋪編號(hào)，店鋪?zhàn)鴺?biāo)點(diǎn)， 店鋪出入口、公共設(shè)施等。店鋪名稱：如Only 、肯德基；店鋪編號(hào)：如A1006；店鋪?zhàn)鴺?biāo)：矢量圖定義坐標(biāo)，包含了起點(diǎn)坐標(biāo)及各個(gè)形狀的坐標(biāo)；店鋪出入口：店鋪的入口和出口，方便店鋪與店鋪之間的導(dǎo)航；公共設(shè)施：衛(wèi)生間、收銀臺(tái)、電梯、手扶梯、導(dǎo)購(gòu)處、安全出口等。3.1.2 店鋪展示店鋪展示即把某城市某建筑的某層，用矢量圖的形式展示在手機(jī)客戶端中。解析地圖結(jié)構(gòu)，用繪圖的方式展示矢量圖形。o3.1.3 拓?fù)鋱D展示矢量地圖中主要點(diǎn)的標(biāo)記，如某店鋪的中心點(diǎn)等，都需要記錄下來(lái)，以便在點(diǎn)擊某區(qū)域時(shí)，在正確的位置顯示店鋪名稱

8、。拓?fù)鋱D主要是完成店鋪與店鋪之間的導(dǎo)航，如A與B之間的最短路徑，用圖展示出來(lái)，供用戶查看。3.2 wifi 定位3.2.1 三角定位基于三角形算法的WiFi定位可分成兩個(gè)階段：測(cè)距與定位。測(cè)距階段待測(cè)點(diǎn)首先接收來(lái)自三個(gè)不同已知位置 AP的RSS, 然后依照無(wú)線信號(hào)的傳輸損耗模型將其轉(zhuǎn)換成待測(cè)目標(biāo) 到相應(yīng)AP的距離。無(wú)線信號(hào)在傳輸過(guò)程中通常會(huì)受路 徑損耗、陰影衰落等的影響，接收信號(hào)功率隨距離的變 化關(guān)系可由信號(hào)傳輸損耗模型給出。在城市、郊區(qū)等環(huán)境，傳輸損耗模型通常采用如下簡(jiǎn)化模型3:P r (d )=K -10 £ lg(d ) (dBm)(1)其中，d代表接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的距離，&

9、#163; 代表非自由空間的損耗系數(shù)，K是如下常數(shù)：Pr ( d0)K=10lg + 20 lg( d0 )(2)0.001 W(2)定位階段通過(guò)三角形算法計(jì)算待測(cè)點(diǎn)位置，即分別以已知位 置的三個(gè)AP為圓心，以其各自到待測(cè)點(diǎn)的距離為半徑做圓，所得三個(gè)圓的交點(diǎn)，如圖1所示：-可編輯修改-圖T三角用算次示意圖設(shè)未知節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為(x , y ),已知A、B、C三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x 1 , y 1)、(x 2,y 2)、(x 3,4：y 3),它們到D的距離分別為d 1、d 2、d 3 ,則D的位置可 由下列方程中的任意兩個(gè)求得+ ( y- (x-x ) 2y )2= d2111+ ( y-(x-

10、 x ) 2y)2= d 2222+ ( y-(x-x ) 2y )2= d 2333然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于測(cè)量誤差的存在，三圓交于一點(diǎn)的情況未必出現(xiàn)，以致方程組(3)、(4)、(5)無(wú)解。在三圓兩兩相交的情況下，有圖 2、3兩種典(3)(4)(5)型的無(wú)解情況:S32方程蛆無(wú)解情況1TL,，圖3 方程組無(wú)解情況2在這兩種情況下，D點(diǎn)的求解方法如下4:(1)根據(jù)方程(3)、( 4)、(5)分別求解圓A與圓 B的交點(diǎn)(X ab1 , Y ab1 )、(X ab2 , Y ab2 ),圓 A與圓 C 的交點(diǎn)(X ac1 , Y ac1 )、(X ac2 , Y ac2 ),及圓B與圓C的交 點(diǎn)(

11、X bc1 , Y bc1 )、(X bc2 , Y bc2 )。(2)將圓A與圓C的交點(diǎn)代入(x - x 2)2+(y - y 2)2,找出距B圓圓心較近的點(diǎn)，設(shè)為(X ac, Y ac)。同理，求解(X ab , Y ab )、( X bc , Y bc)。(3)近似計(jì)算待測(cè)點(diǎn)位置:+XabXacX bcabacbc(x , y)=(6)由上述介紹可知，基于三角形算法的 WiFi定位很大程度上依賴于確知的AP位置信息及準(zhǔn)確的信號(hào)傳輸損耗 模型。然而，由于涉及個(gè)人隱私等原因，獲知所有 AP 的位置信息并不現(xiàn)實(shí)。止匕外，由于影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩?很多，不同環(huán)境下的信號(hào)傳輸損耗模型大不相同，建立

12、一個(gè)準(zhǔn)確的、適合實(shí)際應(yīng)用的損耗模型存在著很大的困 難。因此，基于三角形算法的無(wú)線定位在具體實(shí)施中困 難重重。3.2.2 位置指紋識(shí)別算法與通常意義上的指紋識(shí)別類似，位置指紋識(shí)別依靠表征目標(biāo)特征的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行識(shí)別。其定位過(guò)程主要分為訓(xùn)練與定位兩個(gè)階段5,如圖4所示:C睛找常別的保位調(diào)揀航電圖4基于位置指紋識(shí)別的內(nèi)iFi定位訓(xùn)練階段其目標(biāo)在于建立一個(gè)位置指紋識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)。首先，選擇合理的參考點(diǎn)分布，確保能為定位階段的準(zhǔn)確位置估計(jì)提供足夠的信息。接著依次在各個(gè)參考點(diǎn)上測(cè)量來(lái)自不同AP的RSSfi,將相應(yīng)的MAC地址與參考點(diǎn)的位置信息記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，直至遍歷關(guān)注區(qū)域內(nèi)所有的參考點(diǎn)。由于受環(huán)境影響，無(wú)線信號(hào)

13、強(qiáng)度并不穩(wěn)定，為了克服RS2穩(wěn)定對(duì)定位的影響，通常在每個(gè)參考點(diǎn)上多次測(cè)量取平均。定位階段給定數(shù)據(jù)庫(kù)后，依據(jù)一定的匹配算法將待測(cè)點(diǎn)上接收的AP RSS與數(shù)據(jù)庫(kù)中的已有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算位置估計(jì)值。常用的匹配算法有最近鄰法(NN )、 KNN 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，本文采用簡(jiǎn)單的NN 算法。假定待測(cè)點(diǎn)接收的RSS®測(cè)值為s =ss 1,ss 2,ss n ,數(shù)據(jù)庫(kù)中的已有記錄為S i =SS 1,SS 2,SS Ni ,其中n代表待測(cè)點(diǎn)上檢測(cè)到的不同AP數(shù)；i 1,N T , N T為數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄數(shù)；N i代表第i條記錄中存儲(chǔ)的不同AP數(shù)，則NN算法可以表示成下述形式3：L =argmin i£i,NT11s -Si| (7)其中，|s -Si|代表s和Si之間的歐式距離。3.3 地圖管理系統(tǒng)3.3.1 矢量圖信息矢量圖包含平面圖形點(diǎn)陣坐標(biāo)，區(qū)域點(diǎn)擊坐標(biāo)，區(qū)域編號(hào)等一系列相關(guān)坐標(biāo)系，通過(guò)數(shù)學(xué)算法繪制圖形。點(diǎn)陣坐標(biāo)：店鋪區(qū)域的起點(diǎn)坐標(biāo)，各個(gè)不規(guī)則形狀的坐標(biāo)；區(qū)域點(diǎn)擊坐標(biāo)：點(diǎn)擊地圖某部位時(shí)，及時(shí)相應(yīng)的區(qū)域坐標(biāo)點(diǎn)；區(qū)域編號(hào)：用來(lái)區(qū)分區(qū)域的唯一標(biāo)識(shí)。3.3.2 系統(tǒng)日志記錄用戶下載的地圖包信息。4 技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑操作系統(tǒng)：ios3.0 以上數(shù)據(jù)庫(kù)：Oracle/SQL serv