摘 要

在日常生活中，家用遥控器这样的小物件总是容易找不到，或者花很多时间才找得到。这个时候想要知道遥控器的位置并节省寻找时间就需要用到室内定位技术。

1. 室内定位技术有很多种，其中WiFi作为最普遍的家庭用无线信号，虽然容易受到干扰，精度也较低，但是以其覆盖范围广，高便捷和低成本，得到了更多的认可，所以本课题中采用WiFi进行家用遥控器的定位。
2. 利用WiFi的信号强度进行测距定位，最主要的就是信号强度的获取和处理，由于室内环境比较复杂，RSSI通常是波动的，所以在课题中进行多次测量，然后滤除奇异值，最后求取平均值，来减小波动带来的误差。
3. WiFi定位最重要的一环是测距，用到了信号衰减模型，在实际测试中观察RSSI和距离之间的关系选择最合适的衰减模型，然后通过实验数据来推出模型中的参数，从而完成基于RSSI的测距。最后是距离到坐标的定位计算。

本课题是在接近家庭客厅大小的空地上进行的，根据所确定的方法，利用2个与单片机连接的WiFi接收端来测量WiFi发射源到它们的距离，然后通过网络发送至上位机，在用labview制作的定位软件上进行定位计算，并显示所测的坐标。实验证明在选定的场所中，该定位方案实现的定位结果误差在允许范围之内。

关键词：WiFi RSSI 信号衰减模型 定位算法

Abstract

In everyday life, small objects such as home remote controls are always easy to find or take a lot of time to find. At this time, if you want to know the location of the remote control and save the search time, you need to use indoor positioning technology.

(1) There are many kinds of indoor positioning technologies. Among them, WiFi is the most common home wireless signal. Although it is susceptible to interference and its accuracy is low, it has gained more recognition for its wide coverage, high convenience, and low cost. Therefore, this topic uses WiFi to locate the home remote control.

(2) The use of WiFi signal strength for ranging positioning, the most important is the acquisition and processing of signal strength, because the indoor environment is more complex, RSSI usually fluctuates, so in the subject of multiple measurements, and then filter out the singular value Finally, the average value is calculated to reduce the error caused by the fluctuation.

(3) The most important part of WiFi positioning is distance measurement. The signal attenuation model is used. In practical tests, the relationship between RSSI and distance is observed, the most suitable attenuation model is selected, and then the parameters in the model are pushed through the experimental data. This completes RSSI-based ranging. The last is the distance-to-coordinate positioning calculation.

This topic is carried out on an open space close to the size of a family living room. According to the determined method, two WiFi receivers connected to a single-chip microcomputer are used to measure the distance from the WiFi transmission source to theirs, and then sent to the host computer through the network. The location software calculated by labview is used for positioning calculation and the measured coordinates are displayed. Experiments show that in the selected location, the positioning result achieved by the positioning scheme is within the allowable error range.

Key words : WiFi；RSSI；signal attenuation model；positioning algorithm

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2课题背景和意义 1

1.3室内定位的发展现状 2

1.4课题研究内容和预期目标 3

1.5论文内容组织 3

第2章 设计方案 4

2.1 方案概述 4

2.2 WiFi定位方法的选择 4

2.3 信号衰减模型 5

2.3.1 线性衰减模型 5

2.3.2经典对数模型 5

2.3.3对数双斜率模型 6

2.3.4衰减模型的选择 7

2.3.5衰减模型的参数估算 8

2.4定位算法 8

2.4.1三边测量法 8

2.4.2最小二乘法 9

2.5网络框架和整体框图 11

2.5.1网络框架 11

2.5.2整体框图 12

2.6本章小结 12

第3章 硬件设计 13

3.1 单片机 13

3.2 WiFi模块 14

3.3 供电模块 14

3.4 本章小结 15

第4章 软件设计 16

4.1 整体软件流程框图 16

4.2 配置WiFi模块 17

4.2.1 串口助手配置 17

4.2.2 单片机配置 18

4.3 获取RSSI及距离计算 20

4.4 定位软件设计 22

4.5 本章小结 24

第5章 实物展示和数据分析 25

5.1 实物照片 25

5.2 信号强度的衰减 26

5.2.1 宿舍环境的衰减情况 26

5.2.2 走廊大厅的衰减情况 28

5.2.3 空旷场地的衰减情况 30

5.2.4数据分析 31

5.3 测距 32

5.3.1 模型参数估算 32

5.3.2 距离测量数据 34

5.4 定位 35

5.5 本章小结 37

第6章 结论与展望 38

参考文献 39

致谢 40

第1章 绪论

1.1引言

随着互联网技术的发展，智能手机的普及，人们对于位置服务（Location Based Service）的需求也日益增长。如在导航方面，目前比较成熟的GPS系统就为人们提供着相当便捷的服务。而且在信息查询，急救服务，资产管理，人员跟踪，定位广告，车队管理等需要动态地理空间位置的应用中，LBS都提供着强大的支持。可以看出LBS具有巨大的发展前景，也将会是移动网络服务的主要发展方向之一。

据统计人们日常生活中大部分时间都处于室内如下图1.1所示，而在室内的种种活动很多都体现着人们对于室内定位的需求，如在大商场想找到某个冷饮店，在大仓库中想要确定某个货物的位置，在客厅中想要找到电视遥控器等等，本课题就是以采用室内定位技术来帮助人们更快的找到遥控器等物品为目的而展开的研究和设计。

图1.1 人们日常生活在室内外所处时间比例

1.2课题背景和意义

LBS最早是在美国发展起来的，20世纪70年代，为了紧急呼叫服务，美国颁布911服务规范，随着无线通信技术的发展，1996年美国联邦通信委员会公布了E911的定位需求，这实际就是位置服务的雏形。

1997年IEEE 802.11发布之后，一批拥有领先通信技术的公司组成了WiFi联盟，WiFi技术也快速的发展起来，从眼下的发展态势来看，人们使用的移动设备，或者移动办公，WiFi都是不可或缺的一部分，且存在于人们生活的各个角落，这就意味着对WiFi技术的深入研究，是会带动多方面的发展。

定位服务的市场需求也发展迅速，在人们出行，社会治安，人员跟踪等方面都有重要的应用。GPS卫星定位，在室外可以达到很高的精度，而在室内受到环境影响，精度过低很难完成定位。这个时候城市中广泛覆盖的WiFi，在室内定位方面得到了很高的关注度，具有很好的发展前景。通过WiFi定位，可以弥补GPS定位的缺陷，完善定位服务的体系，便利人们生活。同时也具有降低成本，提高WiFi设备利用率，扩大应用范围等意义。

1.3室内定位的发展现状

目前室内无线定位技术主要有：Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带（UWB）、RFID、ZigBee和超声波等。其中蓝牙和ZigBee作用范围小，红外线，超宽带技术和超声波的总体成本较高，因此这些定位技术都没有得到广泛的推行。对比情况如下表1.1所示：

表1.1 室内定位技术对比

如今商用技术基本采用WiFi ,RFID等无线通讯基站方案，RFID定位技术精度高速度快，传输范围大、成本较低。WiFi定位技术虽然精度较低，容易受到干扰，但WiFi作为最普遍的家庭用无线信号，高便捷和低成本，得到了更多的认可。像谷歌、诺基亚、TI、苹果、高德、百度等这些主要的基站定位服务商也都采用WiFi定位。

随着研究的深入，人们提出了多个利用到WiFi的室内定位技术方案。如：谷歌手机地图6.0版的时候在部分区域加入了室内定位功能，主要利用了手机基站、GPS和WiFi完成的定位，但是定位精度不够满意；由博通公司研制出来的室内定位芯片(BCM4752)，其定位系统的支持利用了WiFi、蓝牙或NFC等技术，并且可以计算三维位置；杜克大学正在开发一个应用，是借助了生活中的路标(landmarks)的思想，该应用通过感知WiFi、3G信号死角，还有运动特征，就像电梯、卫生间等，利用这些已知位置的路标来完成定位，但精度存在浮动；还有北京智慧图科技有限责任公司研制的定位产品，该产品有终端侧定位和网络侧定位两种，其中网络侧定位就是通过WiFi检测移动设备的信号，来进行定位的。

从目前的这些WiFi定位方案可以看出利用WiFi进行室内定位基本都存在着精度低的问题，所以为了提高其精度，很多人对相关定位算法做了深入的研究，如国内卢晓峰，王建林，张淄博，扁海滨，杨尔洲等人提出的两次聚类和多用户拓扑近似算法，耿玉阳，张书章，吴航斌，胡朝阳等人改进的三角形质心算法都提高了WiFi定位的精度。

1.4课题研究内容和预期目标

本课题完成的主要内容包括以下几个方面：

1. 分析多种室内定位技术的优缺点，选择最适合家庭用的WiFi定位方案。
2. 重点研究了WiFi信号的传送方法，信号强度，衰减模型以及WiFi室内定位的原理。
3. 进行了利用esp8266模块以stm32F103C8T6为核心的定位信号发送和接受装置的硬件设计，并通过单片机编程完成RSSI的提取和测距估计。
4. 利用labview完成相应定位软件的设计，加入定位算法，并将定为结果可视化。

预期目标：在接近客厅大小的空地上，设计的装置完成定位信号的发收，通过程序提取信号强度并根据衰减模型计算距离，通过网络将数据发送至上位机定位软件进行定位计算，最后的定位精度在1m之内。

1.5论文内容组织

1. 着重分析了课题的背景和意义，国内外室内定位的发展现状，最后阐述了课题研究的主要内容和预期目标。
2. 主要进行了方案的分析和选择，阐述了RSSI的获取和处理方法，衰减模型的确定以及模型参数的估算，定位算法的分析和比较。
3. 对硬件部分的选型，设计等进行详细的分析。
4. 对软件部分进行介绍，以及详细的流程框图。
5. 主要是在实际环境中的定位的数据分析，通过算法比较，采取措施修正结果，降低误差，提高定位精度，实验数据证明该设计方案在干扰不多的情况下有较高的定位精度。

设计方案

WiFi定位最大的优势在于它的广泛覆盖，利用已有的WiFi设备不但提高了设备利用率，而且无需添加额外的硬件，成本低。是本次设计选用WiFi定位方案的重要原因。

2.1 方案概述

本课题是以stm32F103C8T6为核心，esp8266为主要模块进行的定位信号发射源和接收端的设计，发射源只需一个事先串口配置好的WiFi模块加电源，这里的发射源是可以固定在遥控器上的，然后遥控器就作为了发射源，时时刻刻向外发送定位信号。2个接收端都接有单片机，可通过程序处理数据，通过网络发送数据给上位机，定位软件利用labview进行设计并在软件中加入定位算法设计，最终计算出遥控器所在的位置坐标，完成定位。本方案中有两层连接，（1）接收端与发射源，（2）客户端和服务器。

WiFi的定位和一般无线信号定位一样有多种方法，常用的信号衰减模型有3种，常用的定位算法有2种，这些都需要通过比较论证，根据实际的实验数据，来选择误差最小的，最贴合设计课题的，最符合实际环境的一种，接下来将对方案的介绍和论证进行详细的阐述。

2.2 WiFi定位方法的选择

WiFi定位方法基本上可以分为两大类：

1. 不基于RSSI 的。通过信号抵达时间（TOA）,抵达时间差（TDOA）或者抵达的角度（AOA）进行距离估计然后定位，但是这些值需要特殊的WiFi模块来获取。
2. 基于RSSI的。测距定位法，这个方法前提是要知道周围AP的位置，利用接收端获取的信号强度通过衰减模型进行距离计算，然后进行距离画圆求交点，完成定位。

位置指纹法，这个方法类似于机器学习算法，主要分为两个阶段：离线采样阶段，在该阶段主要是进行采样点的信息记录并建立起指纹库。 在线定位阶段，实时获取目标当前RSSI及AP地址，将该信息与指纹库进行匹配来估算位置。

通过比较，本课题设计的定位系统，也是事先布置好接收端，即知道所有接收端的位置（坐标），所以选用测距定位法，只要通过测量各个接收端与发射源之间的距离，即可完成定位。

2.3 信号衰减模型

确定了定位方法，获取RSSI之后，就要选择适用的信号衰减模型来进行距离计算。

常用的信号衰减模型有：线性衰减模型、经典对数模型和对数双斜率模型。

2.3.1 线性衰减模型

图2.1 线性关系

线性模型是假设信号强度RSSI是随着距离线性衰减的，如图2.1所示

所以有

（2-1）

其中，为衰减系数，p为发射端的基准能量（dbm）。

2.3.2 经典对数模型

经典对数模型是由无线信号的发射和接受功率之间的关系推导而来，关系式有：

（2-2）

式中， PR 是接收功率, PT发射功率, r 是接收端与发射源之间的距离, n 是环境因子, 数值大小与周围环境状况有关。

式（2-2）两边取对数可得到

（2-3）

由于节点的发射功率是已知的，代入上式得到

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