成绩：

物联网导论课程研究报告

基于智能手机实现WiFi室内导航系统

学院： 国际学院
班级： 2014215119
姓名： 李晓雅
学号： 2014213412
日期： 2016/1/3

摘要
结合智能手机、无线wifi室内定位技术如三角定位和基于指纹的WIFI室内定位技术，通过接受到的wifi信号，负责查找是那个发射源传过来的数据，及时对数据进行分析计算，利用wifi的AP连接和相应的数学算法和数学模型得出精确的定位目标，结合数据库和地图拓扑技术，实现室内定位导航。

关键字：智能手机、无线WIFI定位、室内导航、物联网
一、研究背景和意义
GPS卫星定位和导航功能在现在的智能手机上几乎成为了标准配置，不过GPS导航仍有一个尚未解决的难题，就是室内导航。因为GPS卫星信号无法穿透太厚的墙壁，导航设备在大型建筑、地下建筑、高层楼房中会彻底找不到卫星信号而无法定位。在手机上实现会场位置导航和附近好友位呈显示的功能。
智能手机的普及为移动服务APP的开发提供了很大的机会，通过智能手机端的APP开发可以实现室内导航的应用。
现如今大部分公共场所都提供Wi-Fi服务，WI-FI服务的普及，为室内导航的研发提供了机会。
人们经常面临无法准确的在室内找到目的地，无法准确的了解商场内的店家分布，无法准确的找到停车位等日常生活中的各方面的问题。
室内导航的成功开发和应用预计可以用于大型展览活动、大型商场、博物馆、大型会议，停车场等提供导航服务。借助室内导航技术找到不同的展区路线和使用同一软件的朋友，同时有助于会议组织者的信息采集和会议现场维护。
二、国内外相关研究现状、发展动态以及面临的问题（列出参考文献）
国外发展现状：苹果2000万美元收购室内导航服务WiFiSLAM 公司，微软、谷歌等巨头也不约而同的对室内导航进行了开发研究。据权威机构报告预计至2016年将会有近12万个室内场所地图供用户使用，整个市场价值将达到47亿美元。但目前还没有大规模可以使用和进行推广的产品出现。

国内发展现状：国内数字地图内容、导航和位置服务提供商高德正式发布高德地图室内地图版，为用户提供建筑物内地图、室内定位、室内路线规划等服务。据悉，此次发布的室内地图除了展现室内建筑全貌，还能显现商铺、洗手间、ATM等室内细节。虽然出现了可以使用的高德地图室内版，但室内导航仍然处于起步阶段。
参考文献：
[1] 陈永光，李修和，基于信号强度的室内定位技术 《电子学报》, 2004, 32(9):1456-1458
[2] 张明华，张由生，曹健，无线局域网中基于信号强度的室内定位 《计算机科学》，2007, 34(6):68-71
[3] 倪巍，王宗欣，接收信号强度测量的室内定位算法 《复旦学报:自然科学版》, 2004, 43(1):72-76
[4] 张明华，基于WLAN的室内定位技术研究 《上海交通大学》, 2009

三、研究目标与研究内容 * 总体研究目标与面临的挑战（或存在的问题） 1. 总体的研究目标
通过对WiFi和智能手机和网络服务器的应用和开发，实现在手机客户端能够误差较小的查找到目的端，并依据自身位置给出最短路径，实现手机用户端和网络终端的实时互联和信息反馈。
2. 面临的挑战
2.1如何利用WiFi信号较准确的确定自身的地理位置信息
2.2 wifi热点搜索和信号强度的api为私有api,程序无法再在appstore通过审核。
2.3采用指纹定位算法所需要的服务器要求较高。
2.4 实际推广过程中花费较高

* 研究内容

1. 数据接口
客户端与服务器获取地图包的接口，发射端和客户端数据采集的接口
2. 地图解析系统
2.1店铺展示
店铺展示即把建筑的某层，用矢量图的形式展示在手机客户端里，解析地图结构，用绘图的方式展示矢量图形
2.2拓扑图展示
拓扑图主要完成店铺于店铺之间的导航，如A和B之间的最短路径，用图展示出来，共用户查看 3. Wifi定位
3.1三角定位
三角定位分为两个阶段：测距与定位，三角算法的主要依靠链接wifi的AP位置信息和准确的信号传输损耗模型。 4.2 位置指纹识别算法
位置指纹识别依靠表征目标特称的数据库进行识别，定位主要分为训练和定位两个阶段。
4. 地图管理系统
建立建筑物楼层内部的矢量图信息，对店铺和区域编号等信息进行编码和排序，建立相应的对应表，建立相应的坐标系，通过数学算法绘制图形。
四、研究方案
1.总体逻辑架构
1.1 用户通过GPS/AGPS，自动定位城市或者手动设置默认城市，可搜索附近建筑 1.2 用户选择下载一个或者多个城市的建筑地图 1.3 采集发射器的数据，负责查找是那个发射源传过来的数据，及时对数据进行分析计算，利用wifi的AP连接和相应的数学算法和数学模型得出精确的定位目标 1.4 店铺查找，以及店铺与店铺之间的导航。 1.5 后台数据管理各个城市的地图包并及时更新

1. 总体功能设计
2.1地图解析系统负责地图的解析，地图在手机端的展示，店铺与店铺之间的导航（店铺之间的拓扑点），各个公用设施的展示（比如电梯、卫生间、收银台等）
2.2发射器采集系统负责查找是那个发射源传过来的数据，及对数据的分析计算
2.3地图管理负责管理建筑楼层矢量图，发射源在建筑中每层的位置信息及系统日志的记录。

2. WI-FI定位
3.1三角定位

3.1.1基于三角形算法的WIFI定位可以分成两个阶段，测距与定位。 3.1.2 测距阶段 待测点首先接受来自三个不同的一直位置AP的RSS，然后一招无线信号的传输损耗模型将其转换为待测目标到相应AP的距离。无线信号在传输过程中通常会受路径损耗和阴影衰落的影响，接收信号功率随距离的变化关系可由信号传输损耗模型给出。在城市、郊区等环境，传输损耗模型通常采用如下简化模型[3]：P r (d )=K -10ε lg(d )（dBm） 其中，d 代表接收机和发射机之间的距离，ε 代表非自由空间的损耗系数，K 是常数
3.1.3定位阶段
通过三角形算法计算待测点位置，即分别以已知位置的三个AP为圆心，以其各自到待测点的距离为半径做圆，所得三个圆的交点。设未知节点D的坐标为（x ，y ），已知A、B、C三个点的坐标分别为（x 1，y 1）、（x 2，y 2）、（x 3，y 3），它们到D的距离分别为d 1、d 2、d 3，则D的位置可以通过方程组的计算得到。
3.2 位置指纹识别算法
其目标在于建立一个位置指纹识别数据库。首先，选择合理的参考点分布，确保能为定位阶段的准确位置估计提供足够的信息。接着依次在各个参考点上测量来自不同AP的RSS值，将相应的MAC地址与参考点的位置信息记录在数据库中，直至遍历关注区域内所有的参考点。由于受环境影无线信号强度并不稳定，为了克服RSS不稳定对定位的影响，通常在每个参考点上多次测量取平均。
定位阶段
给定数据库后，依据一定的匹配算法将待测点上接收的AP RSS与数据库中的已有数据进行比较，计算位置估计值。常用的匹配算法有最近（NN）、KNN、神经网络等，本文采用简单的NN算法。假定待测点接收的RSS观测值为s =[ss 1,ss 2,…,ss n ]，数据库中的已有记录为S i =[SS 1,SS 2,…,SS Ni ]，其中n 代表待测点上检测到的不同AP数；i ∈[1,N T ]，N T 为数据库中的记录数；N i 代表第i 条记录中存储的不同AP数，则NN算法可以表示成下述形式[3]：L =argmini∈[1,NT ]||s -Si|| （7）
其中，||s -Si||代表s 和Si之间的欧式距离。

3. 研究方案的创新点
利用和WIFI信号和智能手机APP端进行定位和导航，结合了三角形算法和基于位置指纹识别的WI-FI定位，提高了定位的精确度和准确度，降低了其他因素对定位的干扰，同时利用拓扑图展示完成了店铺和店铺之间的导航，利用图论的算法实现了点到点的最短路径的计算和展示，体现了系统工作的智能化和自动化。
五、结语
结合智能手机、无线wifi室内定位技术如三角定位和基于指纹的WIFI室内定位技术，通过接受到的wifi信号，负责查找是那个发射源传过来的数据，及时对数据进行分析计算，利用wifi的AP连接和相应的数学算法和数学模型得出精确的定位目标，结合数据库和地图拓扑技术，实现室内定位导航。室内导航的成功开发和应用预计可以用于大型展览活动、大型商场、博物馆、大型会议，停车场等提供导航服务。同时店家可以利用导航实时进行促销和广告的发布，有利于促进消费者消费提高营业额。

参考文献：
[1] 陈永光，李修和，基于信号强度的室内定位技术 《电子学报》, 2004, 32(9):1456-1458
[2] 张明华，张由生，曹健，无线局域网中基于信号强度的室内定位 《计算机科学》，2007, 34(6):68-71
[3] 倪巍，王宗欣，接收信号强度测量的室内定位算法 《复旦学报:自然科学版》, 2004, 43(1):72-76
[4] 张明华，基于WLAN的室内定位技术研究 《上海交通大学》, 2009