一种室内无线电干扰源嵌入式位置指纹定位装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型为一种室内无线电干扰源嵌入式位置指纹定位装置，该装置的组成包括多个相同的无线电信号强度采集装置、无线路由器和嵌入式系统定位服务器装置；所述的无线电信号强度采集装置的组成包括采集端控制模块、第一USB模块、频谱仪、天线模块、第一WiFi模块、第一数据存储模块和电池模块；所述的嵌入式系统定位服务器装置的组成包括服务器控制模块、第二USB模块、第二WiFi模块、第二数据存储模块、LCD显示及人机交互模块；本实用新型具有功耗低、尺寸小、易维护等优点，方便在不同环境下的快速部署。
【专利说明】
一种室内无线电干扰源嵌入式位置指纹定位装置
技术领域
[0001]本实用新型装置涉及无线定位技术领域，实现对目标室内环境指定频段内的无线电信号强度进行测量，配合位置指纹定位技术完成对定位目标的定位工作，本装置可以采集1HZ-4.4GHz内任意频率的信号强度值，适用于此频率内的无线电干扰源(也称发射源)定位，优化了定位，提高了定位精度。是可用于室内干扰源位置指纹定位、室内指定中心频率信号强度采集、定位算法验证的装置。
【背景技术】
[0002]无线电波在空间或介质中传播具有折射、反射、散射、绕射以及吸收等特性。这些特性使无线电波随着传播距离的增加而逐渐衰减，不同频率(或波长)的无线电波，其传播特性往往不同。一般情况下，无线电的频率越低，其传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力也越强。
[0003]目前基于位置的应用正在飞速发展，室内无线定位是一个很热门的问题。无线定位技术大致可以分为基于测距的定位和非测距的定位两种。在室内环境中，障碍物众多导致无线信号的传播产生严重的多径和阴影效应，基于测距的定位容易受这些因素的干扰而出现稳定性差、定位精度低的状况。位置指纹定位属于非测距定位技术，其基本思想是提前采集待定位空间中不同位置处的无线信号强度特征作为位置指纹，定位时通过计算实测信号强度与位置指纹点信号强度特征之间的相似度来确定目标位置。位置指纹定位技术正因为利用了室内复杂环境生成的与位置强相关的电磁信号强度特征，故十分适合于室内定位。
[0004]位置指纹定位技术的定位过程通常分为两个阶段:离线训练阶段和在线定位阶段。离线训练阶段，首先需要将待定位的区域按一定的间距或规则划分，以在待定位空间中均匀选取采样点；然后在每一个采样点采集一定数量的无线电信号强度信息，抽取信号的特征参数，连同该点的位置信息一同存入数据库。此数据库也称为位置指纹数据库或射频地图(Rad1Map)。在线定位阶段，将实时采集到的无线电信号强度与位置指纹数据库中的数据进行匹配计算，找出相似度最大的点，将该点的位置作为位置估计结果。
[0005]目前，使用位置指纹定位技术的室内定位系统研究主要集中在无线保真(Wireless-Fidelity)信号。现有基于WiFi的位置指纹定位系统大多属于主动定位的系统，它需要移动目标主动发出定位请求才能实现定位。且无线保真信号的频段固定，大多工作在2.4GHz或5GHz射频频段，这也就限定了使用无线保真信号定位所用的无线电频率。如果我们想要定位其它频率的无线电信号，这种定位系统将无法使用。同时，由上文介绍的无线电波的传播特点我们可知，不同频率的无线电波，其传播特性不同，当前市面上的基于WiFi的室内定位系统不可测量任意频率的无线信号强度，无法为研究人员提供必要的数据来研究室内定位中不同频率对定位精度的影响，也无法对以其它频率为载波(即干扰源)的室内无线电信号进行定位。同时，现有的定位服务器往往体积较大，不方便快速部署。
[0006]在无线电通信系统中，被确定是产生干扰的发射、辐射、或感应称之为干扰源。对干扰源的定位属于被动定位，有着广阔的意义，这种被动定位系统只需佩戴一个无线电发射装置即能运用在室内医疗等行业中，如对重点病人跟踪监护、医疗设备监控;监狱重点犯人跟踪、目标实时位置查询等。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的为针对当前技术存在的不足，提供一种室内无线电干扰源嵌入式位置指纹定位装置。该装置通过采集端控制模块与频谱分析仪的组合，使用采集端进行数据采集及处理，能够测量lHz-4.4GHz的无线电信号强度，动态测量范围为-125dBm-lOdBm，相对测量精度0.25dB，并且减小了服务器的负担，在进行无线电信号强度采集时，采集误差不超过0.25dB，具有较高的采集精度，可以满足位置指纹定位对采集误差的要求。实验设备小巧，功耗低，方便部署，定位精度高。
[0008]本实用新型的技术方案为:
[0009]—种室内无线电干扰源嵌入式位置指纹定位装置，该装置的组成包括多个相同的无线电信号强度采集装置、无线路由器和嵌入式系统定位服务器装置;所述的无线电信号强度采集装置的组成包括采集端控制模块、第一 USB模块、频谱仪、天线模块、第一 WiFi模块、第一数据存储模块和电池模块;其连接关系为采集端控制模块分别与第一 USB模块、第一数据存储模块、电池模块连接，频谱仪分别与第一 USB模块、天线模块连接;第一 USB模块与第一 WiFi模块连接，第一 WiFi模块与无线路由器无线连接;所述的多个无线电信号强度采集装置的数量为3?6个；
[0010]所述的嵌入式系统定位服务器装置的组成包括服务器控制模块、第二USB模块、第二 WiFi模块、第二数据存储模块、IXD显示及人机交互模块;其连接关系为:服务器控制模块分别与第二 USB模块、第二数据存储模块、LCD显示及人机交互模块连接;USB模块与第二WiFi模块连接，第二 WiFi模块与无线路由器无线连接；
[0011]所述的第一WiFi模块、第二 WiFi模块均采用主控芯片为MT7601UN的无线网卡；
[0012]所述的采集端控制模块选用64位Intel Atom E3825双核处理器；
[0013]所述的天线模块为全向天线；
[0014]所述的第一数据存储模块、第二数据存储模块均为安装有TFCard的数据存储模块；
[0015]所述的服务器控制模块为四核ARMCorteX-A9构架的处理器。
[0016]本实用新型的有益效果为:与传统基于WLAN的室内位置指纹定位装置不同，传统的定位装置为固定无线电信号的发射端，实现无线电信号接收端的定位功能;本实用新型与传统方式相反，固定无线电信号的接收端，对无线电的发射端(也称干扰源)实施定位。本实用新型只需更改服务器所发送的配置数据即可实时测量lHz-4.4GHz内动态范围为-125dBm-10dBm的任意频率无线信号强度值，并将强度值存入相关数据库，且测量强度值的测量精度为0.25dB，不限制于现有室内定位所使用的无线电载体频率;能够对所测量频率的室内无线电信号干扰源或发射源进行定位;为研究不同频率的无线电波对室内定位精度的影响提供平台；采用位置指纹数据库滤波方法，有效提高了装置的定位精度，以实施例为例，其定位误差的累积误差分布如附图6所示，系统定位精度位于2m内的概率由位置指纹数据库滤波前的74%提高到了滤波后的97%，可知实施例中定位精度有了较大提高；为数据预处理及匹配算法留出接口，方便研究人员进行不同定位算法效果验证;采用嵌入式系统，使得本装置具有功耗低、尺寸小、易维护等优点，方便在不同环境下的快速部署。
【附图说明】
[0017]下面结合附图对本实用新型进一步说明。
[0018]图1是实用新型装置的室内无线电干扰源嵌入式位置指纹定位系统结构示意图。
[0019]图2是实用新型装置的无线电信号强度采集装置的程序流程图。
[0020]图3是实用新型装置的嵌入式系统定位服务器的主程序流程图。
[0021 ]图4是实用新型装置的位置指纹库滤波方法流程图。
[0022]图5是实用新型装置的信号强度采集侧视图，其中，采集点数为10点。
[0023]图6是实用新型装置使用位置指纹库滤波前后100个采集点定位精度累积误差分布曲线。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本实用新型进行说明，但它们不对本实用新型作任何限制。
[0025]—种室内无线电干扰源嵌入式位置指纹定位装置，该装置的组成整体结构如图1所示，包括多个相同的无线电信号强度采集装置、无线路由器201和嵌入式系统定位服务器装置，所述的多个无线电信号强度采集装置的数量为3?6个，(本实施例为4台)；
[0026]所述的无线电信号强度采集装置的组成包括采集端控制模块101、USB模块102、频谱仪103、天线模块104、WiFi模块105、数据存储模块106和电池模块107;其连接关系为采集端控制模块101分别与USB模块102、数据存储模块106、电池模块107连接，频谱仪103分别与USB模块102、天线模块104连接;USB模块102与WiFi模块105连接，WiFi模块105与无线路由器201无线连接；
[0027]所述的嵌入式系统定位服务器装置的组成包括服务器控制模块301、USB模块302、WiFi模块303、数据存储模块304、LCD显示及人机交互模块305;其连接关系为:服务器控制模块301分别与USB模块302、数据存储模块304、LCD显示及人机交互模块305连接;USB模块302与WiFi模块303连接，WiFi模块303与无线路由器201无线连接；
[0028]具体的连接方式如下所述。
[0029]嵌入式系统定位服务器与无线电信号强度采集装置之间通过WiFi模块105、WiFi模块303与无线路由器202建立无线局域网进行数据交换，WiFi模块105直接接入USB模块102;WiFi模块303直接接入USB模块302。无线电信号强度采集装置接收来自定位服务器的配置数据，配置数据包括:所需测量的起始频率、终止频率、回传一次数据前需要进行的采集数量，同时回传需要测量频率的信号强度值及采集的时间；SA44B频谱仪103与USB模块102通过USB Type-B数据线连接，该数据线同时负责向SA44B频谱仪供电，电池模块107负责向采集端控制模块101系统时钟供电，使无线电信号强度采集模块断电后系统时间不丢失；采集端控制模块101根据需要读写数据存储模块106，内容包括采集到信号强度值及系统日志。服务器控制模块301将LCD显示及人机交互模块305的输入数据按通信协议格式转换并发送给无线信号强度采集装置，同时监听由无线信号强度采集装置返回的数据，提取出有效数据后根据系统状态存入数据指纹数据库或进行滤波、匹配运算。最后将结果显示到屏幕上。
[0030]所述的WiFi模块105^?丨模块303均为主控芯片为阶76011^的无线网卡，具体为Tenda-W311MA，该无线网卡价格低廉，运用广泛，驱动只需稍作修改即可用于Linux操作系统，缩短了程序的开发周期。
[0031]所述的采集端控制模块101选用64位Intel Atom E3825双核处理器，主频可达1.336取，配备268 DDR3内存，运算能力强大。双核构架非常适合多线程编程。无线电信号强度采集端程序流程图如图2所示，可分为通信部分和采集部分。其中，采集部分为独立线程负责信号的采集与处理，具体为开源开发板MinnowBoard Max Dual。
[0032]所述的频谱仪103选用的是Signal Hound生产的USB-SA44B型频谱分析仪，该频谱分析仪可以测量频率为lHz-4.4GHz的无线电信号强度，测量的信号强度范围为-151dBm-lOdBm。初始化过后，还需要进行一系列配置方可正常使用，典型的配置信息包括:衰减器设置、混频器设定、灵敏度设定、ADC时钟设定、起始频率、终止频率设定等。
[0033]所述的USB模块102、USB模块302为公知器件，包括USB接口及其外围电路，本实例为 USB2.0接口。
[0034]所述的天线模块104为2dBi增益的全向天线；
[0035]所述的电池模块107具体为BS-1225-PC电池座与CR1220扣式电池。
[0036]所述的无线路由器201为公知器件，只需要能完成无线组网及Mac地址与IP绑定的功能即可，本实例中选用的是JCG JHR-N926R。
[0037]所述的数据存储模块106、数据存储模块304，均为安装有TFCard的数据存储模块，用于存储操作系统及定位所需数据，其中，数据存储模块104中TF Card容量需要大于4GB。
[0038]所述的服务器控制模块301只需要能够运行Linux桌面系统即可，本实例选用三星Exynos-4412处理器，该处理器为四核ARM Cortex_A9构架的处理器，其主频高达1.4GHz，能够轻松运行Linux桌面系统。多核的处理器构架十分适合多线程程序的运行，嵌入式系统定位服务器程序即为多线程程序，能够充分发挥处理器性能。本系统界面的开发是在Linux下利用QT开发环境下完成的，该开发环境只需稍作编译即可在嵌入式系统上运行，位置指纹数据库采用SQLite数据库。
[0039]所述的LCD显示及人机交互模块305为公知器件，主要包括显示屏及公知器件鼠标、键盘、显示屏具体为迪文科技公司的01?^?'482701043_06￥1'屏，该屏为4.3寸电阻触摸屏，工作电压3.3V-6V，通过TTL与服务器控制模块301通信。
[0040]图3是本实用新型在实例中嵌入式系统定位服务器的主程序流程图。首先创建定位算法线程，待QT事件响应定位请求时进行定位计算。然后创建数据库线程，读写数据库，为定位提供数据基础。再创建守护线程，其中守护线程负责创建多个通信线程，每个通信线程负责与一个无线电信号强度采集装置建立通信并保证通信线程意外终止后及时重启。最后，用户成功登陆后进入QT事件响应模式，系统会根据用户的输入或点击触发响应的事件。定位匹配算法采用公知方法WKNN，其中K = 3。
[0041]QT事件响应中还包括一种本实用新型提高定位精度的方法:位置指纹数据库滤波。该方法采用公知技术，其流程图如图4所示。首先通过位置指纹点邻域系统的平均欧式相似度判断该点是否为噪声点，遍历所有指纹点后可得噪声分布图，后对噪声点进行均值处理，得到新的位置指纹数据库。
[0042]本实用新型涉及的软件和协议均为器件自带或公知技术。
[0043]本装置的运行过程:
[0044]嵌入式系统定位服务器首先执行初始化操作，验证用户的登录信息，若用户成功登陆，则弹出服务器主界面。随后用户根据所需情况通过人机交互界面输入配置数据，确认后数据将通过通信线路传输给无线电信号强度采集装置。采集装置收到数据后对SA44B频谱仪进行配置并回传采集数据。至此，系统开始采集。服务器接收到采集数据后根据当前所处离线、在线阶段状态决定该数据存入数据库或用于定位。离线采集阶段完成后，用户可以直接使用此位置指纹数据库亦可对位置指纹数据库进行图4所示的滤波处理。上述工作完成之后，即可进入在线定位阶段。此时，服务器将根据采集装置实时回传的数据对目标进行定位，定位结果将显示在人机交互界面。
[0045]将所设计的室内无线电干扰源位置指纹定位系统装置用于室内定位实验，当使用4台无线电信号强度采集装置，且装置分布于室内不同位置;无线电干扰源为400MHz信号；在某点处采集10个数据的图形如图5所示。图6为室内对100个采集数据进行定位时，位置指纹数据库未滤波和滤波后定位精度的累积误差分布图，结果表明，使用位置指纹数据库滤波方法的定位精度有所提升。
[0046]本实用新型未尽事宜为公知技术。
【主权项】
1.一种室内无线电干扰源嵌入式位置指纹定位装置，其特征为该装置的组成包括多个相同的无线电信号强度采集装置、无线路由器和嵌入式系统定位服务器装置;所述的无线电信号强度采集装置的组成包括采集端控制模块、第一 USB模块、频谱仪、天线模块、第一WiFi模块、第一数据存储模块和电池模块;其连接关系为采集端控制模块分别与第一 USB模块、第一数据存储模块、电池模块连接，频谱仪分别与第一 USB模块、天线模块连接;第一 USB模块与第一 WiFi模块连接，第一 WiFi模块与无线路由器无线连接;所述的多个无线电信号强度采集装置的数量为3~6个； 所述的嵌入式系统定位服务器装置的组成包括服务器控制模块、第二 USB模块、第二WiFi模块、第二数据存储模块、LCD显示及人机交互模块;其连接关系为:服务器控制模块分别与第二 USB模块、第二数据存储模块、LCD显示及人机交互模块连接;USB模块与第二 WiFi模块连接，第二 WiFi模块与无线路由器无线连接。2.如权利要求1所述的室内无线电干扰源嵌入式位置指纹定位装置，其特征为所述的第一 WiFi模块、第二 WiFi模块均采用主控芯片为MT7601UN的无线网卡;所述的采集端控制模块选用64位Intel Atom E3825双核处理器；所述的天线模块为全向天线;所述的第一数据存储模块、第二数据存储模块均为安装有TF Card的数据存储模块;所述的服务器控制模块为四核ARM Cortex-A9构架的处理器。
【文档编号】H04W64/00GK205648009SQ201620515030
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】杜太行, 方孟智, 江春冬, 陈云飞, 李娟妹
【申请人】河北工业大学