一种基于射频指纹的实时定位方法和系统

本发明提供一种基于射频指纹的实时定位系统，采用定位标签主动发射短数据包，阅读器测量相应信号强度并发送到定位服务器，定位服务器负责数据同步并估计定位标签的位置。该系统减少了定位标签发射数据量，降低定位标签能耗，延长标签单次充电后的工作时间，而且由于定位服务器采用了混合高斯分布模型、基于公共阅读器集的预定数目最大信号强度阅读器挑选、自适应区域搜索等机制，提高该系统的定位精度并降低了计算量。

1.一种基于射频指纹的实时定位方法，所述方法包括：步骤1)由定位标签周期性发射WiFi信号，所述WiFi信号包含该定位标签标识和WiFi包的序列号；步骤2)由阅读器接收由定位标签发送的WiFi信号并测量该信号的信号强度；步骤3)由阅读器将定位测量信息发送到定位服务器，所述定位测量信息包含该阅读器的标识、所接收的WiFi信号中定位标签的标识、WiFi包的序列号和所测量的信号强度；步骤4)由定位服务器对从多个阅读器接收的定位测量信息进行同步，以形成对于定位标签的射频指纹，所述定位标签的射频指纹为各阅读器测量的由同一定位标签发射的同一WiFi信号的信号强度矢量；步骤5)由定位服务器基于定位标签的射频指纹来估计该定位标签的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1)包括以下步骤：步骤11)定位标签苏醒后，使用内部集成的加速度传感器采集自身加速度数据，并与最近一次采集的加速度数据进行比较；步骤12)如果两次加速度数据差异超过阈值，则定位标签在预定信道发射一短串包含该定位标签标识和WiFi包序列号的WiFi信号，然后进入休眠状态；如果两次加速度数据差异在阈值范围内，则定位标签直接进入休眠状态；其中，所述阈值由加速度传感器型号及精度决定，休眠周期根据应用需求而设定。
3.根据权利要求1所述的方法，在步骤3)中阅读器通过UDP协议将定位测量信息发送到定位服务器，所使用的UDP数据包包含阅读器的MAC地址、WiFi包的序列号、WiFi信号强度以及发射该WiFi信号的定位标签的MAC地址。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤4)包括以下步骤：由定位服务器接收来自多个阅读器传递过来的定位测量信息；由定位服务器根据定位测量信息中所包含的定位标签的标识以及WiFi包的序列号来对信号强度值进行组合，得到各阅读器测量的对于同一定位标签发送的同一WiFi信号的信号强度矢量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤5)由定位服务器基于步骤4)所形成的定位标签的射频指纹来估计该定位标签的位置包括以下步骤：步骤51)选取与上次估计位置的距离小于d的网格作为定位区域S1；步骤52)基于步骤51)所选择的定位区域S1所覆盖的阅读器和所述定位标签的射频指纹对应的阅读器选择公共阅读器；步骤53)对于所选择的定位区域S1内的每个网格进行如下操作：把该网格内所有选择阅读器的似然值相乘，得到对应网格的似然函数值，再与该网络对应的先验概率相乘，得到对应网格的后验概率；步骤54)选择最大后验概率对应的网格作为对定位标签的位置的估计。
6.根据权利要求5所述的方法，其中步骤53)还包括对于与上次估计位置的距离大于d但小于D的区域S2内的每个网格计算似然概率的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中步骤54)包括以下步骤：如果定位区域S1内的最大的似然概率小于区域S2中k个似然概率时，则计算区域S2内的每个网格的后验概率，选择S2中最大后验概率对应的网格作为对定位标签的位置估计；否则，选择S1中最大后验概率对应的网格作为对定位标签的位置估计。
8.根据权利要求7所述的方法，其中D＝2d；k不超过区域S2内网格总数的50％。
9.根据权利要求1所述的方法，在步骤1之前还包括训练的步骤，所述训练步骤包括以下步骤：训练节点主动发射WiFi信号，阅读器将训练节点的定位测量信息发送到定位服务器；定位服务器根据从多个阅读器所接收的定位测量信息，利用混合高斯分布对每个阅读器获取的在相同网格位置的同一个定位标签发射的多个信号强度测量值进行统计分析，并建立射频指纹和对应网格的映射关系。
10.根据权利要求5所述的方法，步骤52)还包括以下步骤：如果选出来的公共阅读器个数太大，则选取其中信号强度最大的K个，参数K依据实际环境来调整。
11.一种基于射频指纹的实时定位系统，所述系统包括：定位标签，用于周期性发射WiFi信号，所述WiFi信号包含该定位标签标识和WiFi包的序列号；阅读器，用于接收由定位标签发送的WiFi信号并测量该信号的信号强度，以及将定位测量信息发送到定位服务器，所述定位测量信息包含该阅读器的标识、所接收的WiFi信号中定位标签的标识、WiFi包的序列号和所测量的信号强度；定位服务器，用于对从多个阅读器接收的定位测量信息进行同步，以形成对于定位标签的射频指纹，并且基于所形成的定位标签的射频指纹来估计该定位标签的位置，所述定位标签的射频指纹为各阅读器测量的由同一定位标签发射的同一WiFi信号的信号强度矢量。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，定位标签苏醒后，使用内部集成的加速度传感器采集自身加速度数据，并与最近一次采集的加速度数据进行比较；如果两次加速度数据差异超过阈值，则定位标签在预定信道发射一短串包含该定位标签标识和WiFi包序列号的WiFi信号，然后进入休眠状态；如果两次加速度数据差异在阈值范围内，则定位标签直接进入休眠状态；其中，所述阈值由加速度传感器型号及精度决定，休眠周期根据应用需求而设定。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，阅读器通过UDP协议将定位测量信息发送到定位服务器，所使用的UDP数据包包含阅读器的MAC地址、WiFi包的序列号、WiFi信号强度以及发射该WiFi信号的定位标签的MAC地址。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，定位服务器包括信息处理模块和定位引擎，所述信息处理模块用于接收来自多个阅读器传递过来的定位测量信息并根据定位测量信息中所包含的定位标签的标识以及WiFi包的序列号来对信号强度值进行组合，得到各阅读器测量的对于同一定位标签发送的同一WiFi信号的信号强度矢量；所述定位引擎基于所形成的定位标签的射频指纹，采用如权利要求5、6、7、8和10之一所述的方法来估计该定位标签的位置。