一種室內(nèi)無線電干擾源嵌入式位置指紋定位裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型為一種室內(nèi)無線電干擾源嵌入式位置指紋定位裝置，該裝置的組成包括多個相同的無線電信號強度采集裝置、無線路由器和嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器裝置；所述的無線電信號強度采集裝置的組成包括采集端控制模塊、第一USB模塊、頻譜儀、天線模塊、第一WiFi模塊、第一數(shù)據(jù)存儲模塊和電池模塊；所述的嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器裝置的組成包括服務(wù)器控制模塊、第二USB模塊、第二WiFi模塊、第二數(shù)據(jù)存儲模塊、LCD顯示及人機交互模塊；本實用新型具有功耗低、尺寸小、易維護(hù)等優(yōu)點，方便在不同環(huán)境下的快速部署。
【專利說明】
一種室內(nèi)無線電干擾源嵌入式位置指紋定位裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型裝置涉及無線定位技術(shù)領(lǐng)域，實現(xiàn)對目標(biāo)室內(nèi)環(huán)境指定頻段內(nèi)的無線電信號強度進(jìn)行測量，配合位置指紋定位技術(shù)完成對定位目標(biāo)的定位工作，本裝置可以采集1HZ-4.4GHz內(nèi)任意頻率的信號強度值，適用于此頻率內(nèi)的無線電干擾源(也稱發(fā)射源)定位，優(yōu)化了定位，提高了定位精度。是可用于室內(nèi)干擾源位置指紋定位、室內(nèi)指定中心頻率信號強度采集、定位算法驗證的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]無線電波在空間或介質(zhì)中傳播具有折射、反射、散射、繞射以及吸收等特性。這些特性使無線電波隨著傳播距離的增加而逐漸衰減，不同頻率(或波長)的無線電波，其傳播特性往往不同。一般情況下，無線電的頻率越低，其傳播損耗越小，覆蓋距離越遠(yuǎn)，繞射能力也越強。
[0003]目前基于位置的應(yīng)用正在飛速發(fā)展，室內(nèi)無線定位是一個很熱門的問題。無線定位技術(shù)大致可以分為基于測距的定位和非測距的定位兩種。在室內(nèi)環(huán)境中，障礙物眾多導(dǎo)致無線信號的傳播產(chǎn)生嚴(yán)重的多徑和陰影效應(yīng)，基于測距的定位容易受這些因素的干擾而出現(xiàn)穩(wěn)定性差、定位精度低的狀況。位置指紋定位屬于非測距定位技術(shù)，其基本思想是提前采集待定位空間中不同位置處的無線信號強度特征作為位置指紋，定位時通過計算實測信號強度與位置指紋點信號強度特征之間的相似度來確定目標(biāo)位置。位置指紋定位技術(shù)正因為利用了室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境生成的與位置強相關(guān)的電磁信號強度特征，故十分適合于室內(nèi)定位。
[0004]位置指紋定位技術(shù)的定位過程通常分為兩個階段:離線訓(xùn)練階段和在線定位階段。離線訓(xùn)練階段，首先需要將待定位的區(qū)域按一定的間距或規(guī)則劃分，以在待定位空間中均勻選取采樣點；然后在每一個采樣點采集一定數(shù)量的無線電信號強度信息，抽取信號的特征參數(shù)，連同該點的位置信息一同存入數(shù)據(jù)庫。此數(shù)據(jù)庫也稱為位置指紋數(shù)據(jù)庫或射頻地圖(Rad1Map)。在線定位階段，將實時采集到的無線電信號強度與位置指紋數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計算，找出相似度最大的點，將該點的位置作為位置估計結(jié)果。
[0005]目前，使用位置指紋定位技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究主要集中在無線保真(Wireless-Fidelity)信號。現(xiàn)有基于WiFi的位置指紋定位系統(tǒng)大多屬于主動定位的系統(tǒng)，它需要移動目標(biāo)主動發(fā)出定位請求才能實現(xiàn)定位。且無線保真信號的頻段固定，大多工作在2.4GHz或5GHz射頻頻段，這也就限定了使用無線保真信號定位所用的無線電頻率。如果我們想要定位其它頻率的無線電信號，這種定位系統(tǒng)將無法使用。同時，由上文介紹的無線電波的傳播特點我們可知，不同頻率的無線電波，其傳播特性不同，當(dāng)前市面上的基于WiFi的室內(nèi)定位系統(tǒng)不可測量任意頻率的無線信號強度，無法為研究人員提供必要的數(shù)據(jù)來研究室內(nèi)定位中不同頻率對定位精度的影響，也無法對以其它頻率為載波(即干擾源)的室內(nèi)無線電信號進(jìn)行定位。同時，現(xiàn)有的定位服務(wù)器往往體積較大，不方便快速部署。
[0006]在無線電通信系統(tǒng)中，被確定是產(chǎn)生干擾的發(fā)射、輻射、或感應(yīng)稱之為干擾源。對干擾源的定位屬于被動定位，有著廣闊的意義，這種被動定位系統(tǒng)只需佩戴一個無線電發(fā)射裝置即能運用在室內(nèi)醫(yī)療等行業(yè)中，如對重點病人跟蹤監(jiān)護(hù)、醫(yī)療設(shè)備監(jiān)控;監(jiān)獄重點犯人跟蹤、目標(biāo)實時位置查詢等。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]本實用新型的目的為針對當(dāng)前技術(shù)存在的不足，提供一種室內(nèi)無線電干擾源嵌入式位置指紋定位裝置。該裝置通過采集端控制模塊與頻譜分析儀的組合，使用采集端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，能夠測量lHz-4.4GHz的無線電信號強度，動態(tài)測量范圍為-125dBm-lOdBm，相對測量精度0.25dB，并且減小了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，在進(jìn)行無線電信號強度采集時，采集誤差不超過0.25dB，具有較高的采集精度，可以滿足位置指紋定位對采集誤差的要求。實驗設(shè)備小巧，功耗低，方便部署，定位精度高。
[0008]本實用新型的技術(shù)方案為:
[0009]—種室內(nèi)無線電干擾源嵌入式位置指紋定位裝置，該裝置的組成包括多個相同的無線電信號強度采集裝置、無線路由器和嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器裝置;所述的無線電信號強度采集裝置的組成包括采集端控制模塊、第一 USB模塊、頻譜儀、天線模塊、第一 WiFi模塊、第一數(shù)據(jù)存儲模塊和電池模塊;其連接關(guān)系為采集端控制模塊分別與第一 USB模塊、第一數(shù)據(jù)存儲模塊、電池模塊連接，頻譜儀分別與第一 USB模塊、天線模塊連接;第一 USB模塊與第一 WiFi模塊連接，第一 WiFi模塊與無線路由器無線連接;所述的多個無線電信號強度采集裝置的數(shù)量為3?6個；
[0010]所述的嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器裝置的組成包括服務(wù)器控制模塊、第二USB模塊、第二 WiFi模塊、第二數(shù)據(jù)存儲模塊、IXD顯示及人機交互模塊;其連接關(guān)系為:服務(wù)器控制模塊分別與第二 USB模塊、第二數(shù)據(jù)存儲模塊、LCD顯示及人機交互模塊連接;USB模塊與第二WiFi模塊連接，第二 WiFi模塊與無線路由器無線連接；
[0011]所述的第一WiFi模塊、第二 WiFi模塊均采用主控芯片為MT7601UN的無線網(wǎng)卡；
[0012]所述的采集端控制模塊選用64位Intel Atom E3825雙核處理器；
[0013]所述的天線模塊為全向天線；
[0014]所述的第一數(shù)據(jù)存儲模塊、第二數(shù)據(jù)存儲模塊均為安裝有TFCard的數(shù)據(jù)存儲模塊；
[0015]所述的服務(wù)器控制模塊為四核ARMCorteX-A9構(gòu)架的處理器。
[0016]本實用新型的有益效果為:與傳統(tǒng)基于WLAN的室內(nèi)位置指紋定位裝置不同，傳統(tǒng)的定位裝置為固定無線電信號的發(fā)射端，實現(xiàn)無線電信號接收端的定位功能;本實用新型與傳統(tǒng)方式相反，固定無線電信號的接收端，對無線電的發(fā)射端(也稱干擾源)實施定位。本實用新型只需更改服務(wù)器所發(fā)送的配置數(shù)據(jù)即可實時測量lHz-4.4GHz內(nèi)動態(tài)范圍為-125dBm-10dBm的任意頻率無線信號強度值，并將強度值存入相關(guān)數(shù)據(jù)庫，且測量強度值的測量精度為0.25dB，不限制于現(xiàn)有室內(nèi)定位所使用的無線電載體頻率;能夠?qū)λ鶞y量頻率的室內(nèi)無線電信號干擾源或發(fā)射源進(jìn)行定位;為研究不同頻率的無線電波對室內(nèi)定位精度的影響提供平臺；采用位置指紋數(shù)據(jù)庫濾波方法，有效提高了裝置的定位精度，以實施例為例，其定位誤差的累積誤差分布如附圖6所示，系統(tǒng)定位精度位于2m內(nèi)的概率由位置指紋數(shù)據(jù)庫濾波前的74%提高到了濾波后的97%，可知實施例中定位精度有了較大提高；為數(shù)據(jù)預(yù)處理及匹配算法留出接口，方便研究人員進(jìn)行不同定位算法效果驗證;采用嵌入式系統(tǒng)，使得本裝置具有功耗低、尺寸小、易維護(hù)等優(yōu)點，方便在不同環(huán)境下的快速部署。
【附圖說明】
[0017]下面結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)一步說明。
[0018]圖1是實用新型裝置的室內(nèi)無線電干擾源嵌入式位置指紋定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是實用新型裝置的無線電信號強度采集裝置的程序流程圖。
[0020]圖3是實用新型裝置的嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器的主程序流程圖。
[0021 ]圖4是實用新型裝置的位置指紋庫濾波方法流程圖。
[0022]圖5是實用新型裝置的信號強度采集側(cè)視圖，其中，采集點數(shù)為10點。
[0023]圖6是實用新型裝置使用位置指紋庫濾波前后100個采集點定位精度累積誤差分布曲線。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)行說明，但它們不對本實用新型作任何限制。
[0025]—種室內(nèi)無線電干擾源嵌入式位置指紋定位裝置，該裝置的組成整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括多個相同的無線電信號強度采集裝置、無線路由器201和嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器裝置，所述的多個無線電信號強度采集裝置的數(shù)量為3?6個，(本實施例為4臺)；
[0026]所述的無線電信號強度采集裝置的組成包括采集端控制模塊101、USB模塊102、頻譜儀103、天線模塊104、WiFi模塊105、數(shù)據(jù)存儲模塊106和電池模塊107;其連接關(guān)系為采集端控制模塊101分別與USB模塊102、數(shù)據(jù)存儲模塊106、電池模塊107連接，頻譜儀103分別與USB模塊102、天線模塊104連接;USB模塊102與WiFi模塊105連接，WiFi模塊105與無線路由器201無線連接；
[0027]所述的嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器裝置的組成包括服務(wù)器控制模塊301、USB模塊302、WiFi模塊303、數(shù)據(jù)存儲模塊304、LCD顯示及人機交互模塊305;其連接關(guān)系為:服務(wù)器控制模塊301分別與USB模塊302、數(shù)據(jù)存儲模塊304、LCD顯示及人機交互模塊305連接;USB模塊302與WiFi模塊303連接，WiFi模塊303與無線路由器201無線連接；
[0028]具體的連接方式如下所述。
[0029]嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器與無線電信號強度采集裝置之間通過WiFi模塊105、WiFi模塊303與無線路由器202建立無線局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，WiFi模塊105直接接入USB模塊102;WiFi模塊303直接接入USB模塊302。無線電信號強度采集裝置接收來自定位服務(wù)器的配置數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)包括:所需測量的起始頻率、終止頻率、回傳一次數(shù)據(jù)前需要進(jìn)行的采集數(shù)量，同時回傳需要測量頻率的信號強度值及采集的時間；SA44B頻譜儀103與USB模塊102通過USB Type-B數(shù)據(jù)線連接，該數(shù)據(jù)線同時負(fù)責(zé)向SA44B頻譜儀供電，電池模塊107負(fù)責(zé)向采集端控制模塊101系統(tǒng)時鐘供電，使無線電信號強度采集模塊斷電后系統(tǒng)時間不丟失；采集端控制模塊101根據(jù)需要讀寫數(shù)據(jù)存儲模塊106，內(nèi)容包括采集到信號強度值及系統(tǒng)日志。服務(wù)器控制模塊301將LCD顯示及人機交互模塊305的輸入數(shù)據(jù)按通信協(xié)議格式轉(zhuǎn)換并發(fā)送給無線信號強度采集裝置，同時監(jiān)聽由無線信號強度采集裝置返回的數(shù)據(jù)，提取出有效數(shù)據(jù)后根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)存入數(shù)據(jù)指紋數(shù)據(jù)庫或進(jìn)行濾波、匹配運算。最后將結(jié)果顯示到屏幕上。
[0030]所述的WiFi模塊105^?丨模塊303均為主控芯片為階76011^的無線網(wǎng)卡，具體為Tenda-W311MA，該無線網(wǎng)卡價格低廉，運用廣泛，驅(qū)動只需稍作修改即可用于Linux操作系統(tǒng)，縮短了程序的開發(fā)周期。
[0031]所述的采集端控制模塊101選用64位Intel Atom E3825雙核處理器，主頻可達(dá)1.336取，配備268 DDR3內(nèi)存，運算能力強大。雙核構(gòu)架非常適合多線程編程。無線電信號強度采集端程序流程圖如圖2所示，可分為通信部分和采集部分。其中，采集部分為獨立線程負(fù)責(zé)信號的采集與處理，具體為開源開發(fā)板MinnowBoard Max Dual。
[0032]所述的頻譜儀103選用的是Signal Hound生產(chǎn)的USB-SA44B型頻譜分析儀，該頻譜分析儀可以測量頻率為lHz-4.4GHz的無線電信號強度，測量的信號強度范圍為-151dBm-lOdBm。初始化過后，還需要進(jìn)行一系列配置方可正常使用，典型的配置信息包括:衰減器設(shè)置、混頻器設(shè)定、靈敏度設(shè)定、ADC時鐘設(shè)定、起始頻率、終止頻率設(shè)定等。
[0033]所述的USB模塊102、USB模塊302為公知器件，包括USB接口及其外圍電路，本實例為 USB2.0接口。
[0034]所述的天線模塊104為2dBi增益的全向天線；
[0035]所述的電池模塊107具體為BS-1225-PC電池座與CR1220扣式電池。
[0036]所述的無線路由器201為公知器件，只需要能完成無線組網(wǎng)及Mac地址與IP綁定的功能即可，本實例中選用的是JCG JHR-N926R。
[0037]所述的數(shù)據(jù)存儲模塊106、數(shù)據(jù)存儲模塊304，均為安裝有TFCard的數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲操作系統(tǒng)及定位所需數(shù)據(jù)，其中，數(shù)據(jù)存儲模塊104中TF Card容量需要大于4GB。
[0038]所述的服務(wù)器控制模塊301只需要能夠運行Linux桌面系統(tǒng)即可，本實例選用三星Exynos-4412處理器，該處理器為四核ARM Cortex_A9構(gòu)架的處理器，其主頻高達(dá)1.4GHz，能夠輕松運行Linux桌面系統(tǒng)。多核的處理器構(gòu)架十分適合多線程程序的運行，嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器程序即為多線程程序，能夠充分發(fā)揮處理器性能。本系統(tǒng)界面的開發(fā)是在Linux下利用QT開發(fā)環(huán)境下完成的，該開發(fā)環(huán)境只需稍作編譯即可在嵌入式系統(tǒng)上運行，位置指紋數(shù)據(jù)庫采用SQLite數(shù)據(jù)庫。
[0039]所述的LCD顯示及人機交互模塊305為公知器件，主要包括顯示屏及公知器件鼠標(biāo)、鍵盤、顯示屏具體為迪文科技公司的01?^?'482701043_06￥1'屏，該屏為4.3寸電阻觸摸屏，工作電壓3.3V-6V，通過TTL與服務(wù)器控制模塊301通信。
[0040]圖3是本實用新型在實例中嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器的主程序流程圖。首先創(chuàng)建定位算法線程，待QT事件響應(yīng)定位請求時進(jìn)行定位計算。然后創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫線程，讀寫數(shù)據(jù)庫，為定位提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。再創(chuàng)建守護(hù)線程，其中守護(hù)線程負(fù)責(zé)創(chuàng)建多個通信線程，每個通信線程負(fù)責(zé)與一個無線電信號強度采集裝置建立通信并保證通信線程意外終止后及時重啟。最后，用戶成功登陸后進(jìn)入QT事件響應(yīng)模式，系統(tǒng)會根據(jù)用戶的輸入或點擊觸發(fā)響應(yīng)的事件。定位匹配算法采用公知方法WKNN，其中K = 3。
[0041]QT事件響應(yīng)中還包括一種本實用新型提高定位精度的方法:位置指紋數(shù)據(jù)庫濾波。該方法采用公知技術(shù)，其流程圖如圖4所示。首先通過位置指紋點鄰域系統(tǒng)的平均歐式相似度判斷該點是否為噪聲點，遍歷所有指紋點后可得噪聲分布圖，后對噪聲點進(jìn)行均值處理，得到新的位置指紋數(shù)據(jù)庫。
[0042]本實用新型涉及的軟件和協(xié)議均為器件自帶或公知技術(shù)。
[0043]本裝置的運行過程:
[0044]嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器首先執(zhí)行初始化操作，驗證用戶的登錄信息，若用戶成功登陸，則彈出服務(wù)器主界面。隨后用戶根據(jù)所需情況通過人機交互界面輸入配置數(shù)據(jù)，確認(rèn)后數(shù)據(jù)將通過通信線路傳輸給無線電信號強度采集裝置。采集裝置收到數(shù)據(jù)后對SA44B頻譜儀進(jìn)行配置并回傳采集數(shù)據(jù)。至此，系統(tǒng)開始采集。服務(wù)器接收到采集數(shù)據(jù)后根據(jù)當(dāng)前所處離線、在線階段狀態(tài)決定該數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫或用于定位。離線采集階段完成后，用戶可以直接使用此位置指紋數(shù)據(jù)庫亦可對位置指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行圖4所示的濾波處理。上述工作完成之后，即可進(jìn)入在線定位階段。此時，服務(wù)器將根據(jù)采集裝置實時回傳的數(shù)據(jù)對目標(biāo)進(jìn)行定位，定位結(jié)果將顯示在人機交互界面。
[0045]將所設(shè)計的室內(nèi)無線電干擾源位置指紋定位系統(tǒng)裝置用于室內(nèi)定位實驗，當(dāng)使用4臺無線電信號強度采集裝置，且裝置分布于室內(nèi)不同位置;無線電干擾源為400MHz信號；在某點處采集10個數(shù)據(jù)的圖形如圖5所示。圖6為室內(nèi)對100個采集數(shù)據(jù)進(jìn)行定位時，位置指紋數(shù)據(jù)庫未濾波和濾波后定位精度的累積誤差分布圖，結(jié)果表明，使用位置指紋數(shù)據(jù)庫濾波方法的定位精度有所提升。
[0046]本實用新型未盡事宜為公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種室內(nèi)無線電干擾源嵌入式位置指紋定位裝置，其特征為該裝置的組成包括多個相同的無線電信號強度采集裝置、無線路由器和嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器裝置;所述的無線電信號強度采集裝置的組成包括采集端控制模塊、第一 USB模塊、頻譜儀、天線模塊、第一WiFi模塊、第一數(shù)據(jù)存儲模塊和電池模塊;其連接關(guān)系為采集端控制模塊分別與第一 USB模塊、第一數(shù)據(jù)存儲模塊、電池模塊連接，頻譜儀分別與第一 USB模塊、天線模塊連接;第一 USB模塊與第一 WiFi模塊連接，第一 WiFi模塊與無線路由器無線連接;所述的多個無線電信號強度采集裝置的數(shù)量為3~6個； 所述的嵌入式系統(tǒng)定位服務(wù)器裝置的組成包括服務(wù)器控制模塊、第二 USB模塊、第二WiFi模塊、第二數(shù)據(jù)存儲模塊、LCD顯示及人機交互模塊;其連接關(guān)系為:服務(wù)器控制模塊分別與第二 USB模塊、第二數(shù)據(jù)存儲模塊、LCD顯示及人機交互模塊連接;USB模塊與第二 WiFi模塊連接，第二 WiFi模塊與無線路由器無線連接。2.如權(quán)利要求1所述的室內(nèi)無線電干擾源嵌入式位置指紋定位裝置，其特征為所述的第一 WiFi模塊、第二 WiFi模塊均采用主控芯片為MT7601UN的無線網(wǎng)卡;所述的采集端控制模塊選用64位Intel Atom E3825雙核處理器；所述的天線模塊為全向天線;所述的第一數(shù)據(jù)存儲模塊、第二數(shù)據(jù)存儲模塊均為安裝有TF Card的數(shù)據(jù)存儲模塊;所述的服務(wù)器控制模塊為四核ARM Cortex-A9構(gòu)架的處理器。
【文檔編號】H04W64/00GK205648009SQ201620515030
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】杜太行, 方孟智, 江春冬, 陳云飛, 李娟妹
【申請人】河北工業(yè)大學(xué)