基于安卓的公共WiFi定位系统毕业论文

2020-02-17 10:02

摘要

在科技日益发展的当今，由于智能终端开始变得普遍，无线通信网络逐渐始覆盖人们生活的大部分区域，业务的开发和使用对于使用用户定位业务有着莫大的需求。而传统的GPS定位因为其高耗能和空间局限性，在某些闭塞场景和区域不能发挥出人们所期待的定位效果，于是WiFi定位走入了人们的视野之中。

本篇文章利用了公共WiFi和安卓智能手机，设计安卓客户端，对位置指纹进行收集和计算，从而实现了简单的定位效果。

论文研究了，使用三种不同的定位方法，定位的精度不同，从而分析这三种方法在各个环境条件下的优劣性，从而归纳出哪一种方法更适合WiFi定位。

研究结果表明，在一般的KNN定位算法的理论基础之上，通过使用欧式距离的大小来影响加权比重，得到的定位效果会优于一般的KNN定位算法。最近邻匹配算法在特定场合下有不错的定位效果。

本文的优越性在于设计出了欧式距离加权K最近邻匹配算法，通过计算的欧式距离的大小来影响加权比重，从而在K最近邻匹配算法的基础上提高定位精度。

关键词：WiFi，安卓，最近邻匹配算法，加权

Abstract

In today's increasingly technological development, as smart terminals continue to popularize the masses, wireless communication networks are beginning to cover most areas of people's lives. The development and use of services has great demands for the use of user location services. The traditional GPS positioning, owing to its high energy consumption and space limitations, can not play the desired positioning effect in some occlusion scenes and regions, so WiFi positioning has entered people's eyes.

This article adopts the public WiFi and Android smartphone, in which Android client is designed to achieve a simple positioning effect through the location fingerprint calculation by collecting and calculating location fingerprint.

The paper studies the use of three different positioning methods whose the accuracy of the positioning results are different, so as to analyze the advantages and disadvantages of these three methods under various environmental conditions, and generalizes which method is more suitable for WiFi positioning.

The research results show that, based on the theory of the general KNN localization algorithm, by using the size of the Euclidean distance to affect the weighted weight, the obtained positioning effect will be better than the general KNN positioning algorithm. The nearest neighbor matching algorithm has a good positioning effect in specific situations..

The superiority of this paper is to design the Euclidean distance weighted K nearest neighbor matching algorithm, which affects the weighted weight by the calculated Euclidean distance, so to improve the positioning accuracy based on the K nearest neighbor matching algorithm.

Keywords: WiFi, Android, nearest neighbor matching algorithm, weighting

第1章绪论

科技的发展日新月异，每时每刻都会不断地向前进步，智能手机的普及成为了广大群众身处于科技时代的最好证明。智能手机在市场上占据了巨大的份额，由于系统的不同，内置芯片的独特性，现已面世的手机品种数以千计。但是对于不同手机来说，最基本的功能都大致相同，WiFi功能就是其一，同时WiFi也是目前手机上最主要的功能之一。WiFi的出现进一步的改善了人们对于网络的需求和对电子设备的使用，让网络变得普及。

1.1 定位服务的发展历程

定位服务(Location Based Services,LBS)也不是一发明出来就达到现在的程度，其发展历程有诸多变化。

在上个世纪五十年代末，美国研制的子午仪卫星导航系统(Transit navigation satellite system,NNSS)是最初的卫星定位，是GPS的前身。但由于当时的技术的有限，并不能快速反应并返回信息，定位精度堪忧，有40 m到50 m的误差，整体效果不佳，难以令人满意。

在七十年代，为了实现了在紧急状况下，可以跟踪到呼叫的911的电话的所在地，来保护使用者的安全，美国就颁布了911服务规范(Basic 911)，用明文条例规范了这一准则，在当时人们还是在使用座机电话以及用电话线的时候，这钟定位是很容易实现的。但在1993年的美国，在某次袭击事件中，因为实际条件的限制，911呼救中心在缺乏无线定位设备和能力的情况下，无法立刻确定用手机向911呼救的受害者的具体位置，导致无法解救受害者，受害者最终遭遇不测。这件事情为之后无线定位运用于社会服务中，打下了坚实的基础。

在1994年，历经美国军方20多年的研制，新一代GPS形成了24颗卫星共同运作，能够覆盖全球98%的地区，并且可以保证在地球上的任意一处都能够探测到4个卫星，真正的实现了随时随地的定位^[1]。

美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FFC)在1996年推出了一个行政性命令E911，其内容是，在任何时刻，任何地点，都可以通过无线信号追踪到使用用户的位置^[2]。这个行政性命令的推出和新一代的GPS完成，为之后无线定位提供了强有力的内容。

在二十一世纪初期，各个国家根据LBS业务开发出不同的服务，如娱乐，安全，导航，求助，信息等服务，极大的丰富了LBS的应用场景，LBS应用也随之增多。LBS业务开始逐渐渗透进人们的生活之中。

未命名文件(2)

图1.1 卫星定位的概念图

1.2 目前定位服务的趋势

目前，针对LBS的业务也日益增多，LBS的方式呈现多样化，人们在日常生活中可以随处见到利用定位技术的实例^[3]。例如：“共享系列”中的共享单车，共享电动车等均使用了定位技术，来保证其能够正常地被搜索和使用；医院重症病患的实时定位，能够实时地上传病患的所在位置和身体状态，以防在特殊情况下能最快速的救助病患；AR户外游戏，将定位融于游戏之中，实现实施定位，游戏内容随位置变化；路线导航位置定位，能够有效给出位置地点和行驶路径等。

传统的卫星定位，虽然能够大范围，高选择性定位，但是并不是在所有地方都适合定位，对于需要定位的区域也有相当大的选择，一般是选取平坦开阔，建筑分布适中的地区才能在获取较为精确的定位。现如今科技和设备的提升，卫星定位已经一定程度上改善了高层建筑物和密集建筑物对定位精度的影响，但是能源损耗高和室内无法使用这些缺点仍不可忽视。为了使能够在密集建筑之间或者室内之间进行定位，随处可见的WiFi成了探索的主要方向，受到市场的广泛关注并且开发前景明朗。

WiFi定位，同卫星定位相比，优越性在于能够在密集建筑物群和建筑物室内中使用，并且定位精度高，能够满足定位在封闭区域内的精度需求^[4]；同时能源的损耗低，对无线设备和信号发射设备来说，均不需要耗费大量的能源，仅需要小量的能耗就可以完成正常的运行；WiFi定位对于资源利用率有增加，卫星定位在定位过程中浪费了绝大多数的能源，同WiFi定位相比，资源利用率没有优势；WiFi部署方便，容易获得，目前在公共场所和室内房屋均有WiFi的部署，WiFi已然变成生活的必需品之一。

1.3 WiFi定位的原理

虽然WiFi定位是可行的，但是它的实际用途并不是专门用来实现定位，而是用于传递信号。由于WiFi的便捷性和易获取性，WiFi信号的部分参数可以用于实现定位效果，可以在一定程度下满足在人们所需的场景下定位。在近二十年内针对WiFi定位的研究之中，位置指纹是使用的普遍方式，并取得了相当大的进步成果。

位置指纹，就是对应位置像人的指腹的指纹一样，具有独特性^[5]。能够区别这个位置的独特表征都可以称作位置指纹，例如时间，距离，信号的强度等，同时位置指纹在表达形式上是可以以多种数据共同表示，这就大大增加了位置指纹的灵活性和可靠性。一般来说由两个最为常见的位置特征：多径结构和接受信号强度（Received Signal Strength，RSS）。

多径结构，如果WiFi信号的本质是无线电信号，当其的载频足够大是可以近似看作成光学射线。当这种无线电信号在空气中传播，信号射线会类似光信号在空间内遇到不同的物体，发生反射，折射，衍射和散射^[6]。因为在空间内存在人员在其中活动的问题，类光信号会随时变化^[7]。每一种射线都具有一定的功率和时延，一个位置可以接收到多个类光射线。如果要使用接收器分离和提取接收到的多径分量，那就需要传播信号的带宽满足足够大，分解之后的多径分量就形成该点处的位置指纹。使用多径结构构建的位置指纹，是由时延和功率组成^[8]。如下图所示，是某一点处的多径分量，时延和功率分别是t1,t2,t3,t4,t5,t6和η1,η2,η3,η4,η5,η6。

但因为同一个无线电信号会经过不同的路径产生多种射线，在一个区域内不仅只有一个信号发射源，多种信号发射源和环境变化互相叠加，影响会导致多径效应发生很大的变化，同时多径结构对载频和带宽有很大的要求，所以在一定程度上多径效应不能满足我们实际的需求和操作。

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图1.2 某一点处的多径分量

RSS的获取方式并没有很困难，由于RSS不受信号带宽的影响，而且在众多无线移动设备正常工作中是必须的，所以在大部分通信采用的窄带宽内也能够顺利的获取。RSS的这些特点让采集RSS变得简单方便，受到大多数研究学者的欢迎^[9]。故本次设计利用RSS值进行WiFi定位。

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图1.3 获取RSS的一般方式

在一般环境的理想状态下，若有一个已知位置的信号发射源，RSS值可以由公式表示出。RSS一般表达式为：

RSS=P−Q−10αlog10d

(1.1)

在上式中，P为信号发射源的发送功率；Q是一个常数，其大小与环境和信号发射的频率有关；α称为路径损耗指数，不同环境下α的值会不同，一般根据环境的不同α取2~5；d是信号发射源距离测量点之间的距离。借此可以看出RSS值收到部分环境的影响，任何一个条件的改变，都会使RSS值发生变化。同时RSS值动态范围较大，所以上式只是在理想状态下的一个平均值。

而往往在实际情况下，移动设备在空间内不断检测四周的信号，在每时每刻都能够接收到多个发射源发来的信号，所以由检测到的多个RSS值可以组成一个RSS向量，代表这个位置的位置指纹，也是最典型的位置指纹。

WiFi定位的基本原理，是根据操作所需，在需要定位的区域内收集可能收集的点的RSS值，构成位置指纹，形成位置指纹库^[10]。然后测量待测点的位置指纹，同位置指纹库中已有的位置指纹进行匹配，用已有的位置推测出待测位置^[11]。推测的方法有多种，需要在不同需求和不同场合下选择。

1.4 公共WiFi

公共WiFi，是布设在公共场所的WiFi，区别于家庭WiFi和商用WiFi。公共WiFi因为在公共场所铺设和开放，所以面向的对象就是大众，也就是可以使用它的任何人。

公共WiFi一般存在于大部分我们所熟知的地区，如学校的校园网，就是在学校校内铺设的免费WiFi，供教师员工和学生所使用；大型商场中的公共WiFi，一般名称都会含有“free”，标志着免费供在商场中的消费者使用；办公楼中的WiFi，供办公人员访问网络，部分办公仪器也需要WiFi来支持办公，例如打印机。

公共WiFi一般有两个特点：

一是覆盖范围广。公共WiFi一般覆盖的范围都是几层楼的建筑内，或者一大片区域。这不是因为AP的性能好，能够覆盖很大的范围，而是因为一般WiFi都是连接相当多的AP，每一个AP覆盖一定区域，管理一定区域的网络连接，所以当整个区域都布设AP之后，就能够实现WiFi全方位覆盖。这样做的效果是节省了资金和提高了利用率。

因为一个大范围覆盖的AP造价很高，难以投入生产和使用中；若这个AP出现故障，整个区域内都会没有信号或者无法连接网络，会造成用户体验不佳，同时维修可会存在困扰；AP的信号向四周放射式发射，而一般的建筑物等公共场所式不规则图形，会有相当多的区域接收不到信号或者信号覆盖到所需场所以外的地方。

使用了多个AP共同协作之后，多个小覆盖AP的价格明显低于一个极大覆盖AP的价格；多个AP中有一个损坏了，不会影响其他AP的使用；AP选择区域进行部署，这样就可以让不需要信号的区域没有信号，并且保证有人活动的区域能够接受到信号；

二是不会受到用户的干扰，一般的家庭WiFi可以根据使用者的需求更改WiFi的名字和连接密码，或者改变WiFi的连接方式和信道，但是对于公共WiFi，WiFi的内容是无法修改的，相当于是“别人家”的WiFi，只有访问权，没有占有权。

1.5 论文安排

本次论文设计中，第一章为绪论，介绍定位服务的发展和WiFi定位对比于卫星定位的优势；第二章为系统的构成及原理，介绍本次设计所需的软件和硬件，以及WiFi定位的简单原理；第三章为设计准备和定位算法，着重介绍了怎么完成设计之前的准备，以及定位算法的原理和选择；第四章为实验过程及其分析，即在实际地点完成了本次论文的实验过程并且对实验过程中产生的现象和最后的结果进行分析，来区别WiFi不同定位算法的优劣性；第五章为实验过程中出现的问题，分析在设计和实验中出现的问题，有的问题已经解决，有的问题仍需解决；第六章为总结和展望，总结整篇文章，对未来的设计和进步做展望。

系统构成及原理

整个系统的大致模型是由Android手机和公共场所的WiFi组成，在两者之间进行信息交换，进而定位。

2.1 系统构成

Android手机在市场上的份额大大超过其他操作系统的手机。而且内置WiFi模块以及易于在终端上编程等优点，用Android手机进行WiFi定位是非常合适的选择。在采集数据阶段，使用Android手机在所需位置上进行采集，检测到多个WiFi的RSS值，并构成其地点的位置指纹，记录在安卓手机之中。在定位阶段，待定位地点上收集到的RSS值构成RSS值向量，同已存储到安卓手机之中的位置指纹进行匹配，进而定位。

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