適用於不同的行動終端設備之室內定位系統研究csie.npu.edu.tw/seminar/14/paper/a2-7.pdf ·...

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適用於不同的行動終端設備之室內定位系統研究 范光 葉生正 * 駱有聲 徐旺興 銘傳大學資訊傳播工程學系 銘傳大學電子工程學系 萬能科技大學資訊工程系 * Email: [email protected] 摘要 隨著智慧型手機的功能逐漸茁壯,能提供身處 環境資訊的適地性服務(Location Based Service, LBS)也日漸受到重視。LBS 除了可以得知使用者 當下的位置,其延伸服務也包括導航系統及交通資 訊等。但目前廣泛被使用的全球衛星定位系統 (Global Positioning System, GPS) ,其衛星資訊容易 受到阻隔而無法接收,所以 GPS 無法適用於遮蔽 物或障礙物繁多的室內空間。而室內定位較為準確 的定位技術為訊號紋比對法 (Pattern matching method),訊號紋比對法必須花費龐大的人力成本 建置訊號紋資料庫,但是行動裝置在不同廠牌甚至 不同型號的情況下,相同的位置所收到的 WiFi 號會有些微的差距,而這些差距足以導致定位的誤 差。本研究是以訊號紋比對法為基礎,加入了無線 基地台之間彼此的訊號差,將訊號差資料建立成資 料庫,透過交叉比對的方式,來修正不同廠牌和不 同型號的行動裝置,所造成的定位誤差以及修正人 體遮蔽效應。 關鍵詞:全球衛星定位系統、室內定位、訊號紋 比對、適地性服務、人體遮蔽效應。 1. 前言 1.1 研究背景與動機 隨著科技的進步,智慧型行動裝置已經融入現 代人生活中成為了不可或缺的一部分。智慧型行動 裝置有多種功能可以讓人們的生活更加的便利,其 中適地性服務(LBS)的應用是本論文主軸,適地性 服務可以提供使用者所在位置的環境資訊,也可以 結合其他的應用程式來便利人們的生活。全球定位 系統 GPS 就是一個發展得相當成熟的定位服務, 但由於 GPS 衛星和行動設備之間必須保持在視線 範圍無阻隔的狀態(Line Of SightLOS) [1][2] ,若 有障礙物阻隔則會造成定位誤差甚至無法正常定 位,雖然 GPS 在室外環境發展的非常成熟,也提 供了很多附加的服務,但是 GPS 卻無法順利應用 在有許多障礙物阻隔的室內空間之中。 在室內定位的技術上,最早提出服務的是由 微軟團隊在 2000 年所提出的 RADAR(Radio Detection and Ranging) [9] RADAR 主要分成離線 階段和連線階段兩種狀態,在離線階段時將蒐集到 的無線網路訊號建置成訊號紋資料庫,在連線階段 時使用者將行動裝置收到的無線網路訊號和訊號 紋資料庫做比對,進而得之使用者所在的位置。但 是這個方法需要花費較多的人力和時間的資源來 建置訊號紋資料庫。而 ZigBee 一種利用訊號強度 (Received Signal Strength Indicator, RSSI),估算 盲節點(Blind Node)和參考節點(Reference Node)方式,來達到室內定位的效果。 本研究以訊號紋 比對法為基礎,用環境中無線網路 AP(access point) 彼此之間的訊號強度差值,來建立訊號紋資料庫, 根據 AP 彼此之間的訊號強度差值來克服不同品 牌或者不同型號之間所蒐集到的訊號差異,因此達 到增加定位準確度的效果。 1.2 研究目的 近年來,智慧型行動裝置快速的發展,像是 Android iOS 都是目前非常熱門的手機作業系統, 其中更以 Android 作業系統的市占率最高。但是就 算是相同作業系統的手機,在不同型號的情況下, 也會造成訊號差異而導致定位的誤差。 本論文的研究主題是藉由在 Wi-Fi 環境下使用智 慧型手機接收無線網路的訊號,再透過環境中四個 AP 彼此之間的訊號強度差值建立成訊號紋資料庫。 藉由這個方法,可以有效修正不同手機或者不同型 號因為所收到的 Wi-Fi 訊號強度不同而導致的定 位誤差。 2. 相關研究 2.1 全球衛星定位系統 全球衛星定位系統(Global Positioning SystemGPS)主要是由美國所開發的定位系統,目前已廣 泛被全球人民所使用,而 GPS 的基本原理是使用 在地球上空環繞著地球旋轉的 24 顆衛星,不斷的 往地球發送訊號。然而當使用者手上的行動裝置接 收到至少三個來自不同衛星所發送的 GPS 的訊號 之後,透過三角定位法的方式[8]GPS 衛星當作 圓心,以衛星與行動裝置的直線距離推算成圓的半 徑,畫出三個以上的圓,就可以推算出圓面交點的 位置,而這個焦點的位置就是使用者手上的行動裝 置之所在位置,如圖 1 所示。 1. GPS 三角定位法 第十四屆島資訊技術與應用研討會 94 2015 Conference on Information Technology and Applications in Outlying Islands

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    *Email: [email protected]

    (Location Based Service,

    LBS)LBS

    (Global Positioning System, GPS)

    GPS

    (Pattern matching

    method)

    WiFi

    1. 1.1

    (LBS)

    GPS

    GPS

    (Line Of SightLOS) [1][2]

    GPS

    GPS

    2000 RADAR(Radio

    Detection and Ranging) [9]RADAR

    ZigBee

    (Received Signal Strength Indicator, RSSI)

    (Blind Node)(Reference Node)

    AP(access point)

    AP

    1.2

    AndroidiOS

    Android

    Wi-Fi

    AP

    Wi-Fi

    2. 2.1

    (Global Positioning System

    GPS)

    GPS

    24

    GPS

    [8] GPS

    1

    1. GPS

    94

    2015 Conference on Information Technology and Applications in Outlying Islands

  • (Xd , Yd)

    (Xa ,Ya)(Xb,Yb)(Xc ,Yc)

    dadbdc

    ( 1)

    ( )2 + )2 =

    ( )2 + )2 =

    ( )2 + )2 =

    ( 1)

    GPS

    GPS

    (Line of

    sightLOS)

    [9]

    2.2 RADAR

    RADAR (Radio Detection and

    Ranging) [8][9] Microsoft 2000

    IEEE INFOCOM 2

    X1,Y1RSSI1RSSIn

    Xn,YnRSSI1RSSIn

    Off-line phase

    On-line phase

    Measure RSSI

    PatternMatching

    Estimated Location

    2.

    RADAR(offline)(on-line)

    (Access Point, AP)

    (Euclidean

    Distance)

    (Pattern Matching)

    RADAR

    [10]( 2)

    CnWWAFC

    CnWWAFnW

    d

    dndPdP

    o

    o)log(10)()(

    ( 2)

    P(d)P(d0)

    d d0

    n

    nWCWAF

    WAF

    2.3 ZigBee

    ZigBee

    (Reference Node)(Blind

    Node)(Coordinator)

    USB

    ZigBee

    ZigBee

    ( 3)

    RSSI = [10n log10 (d

    d0) + A] ( 3)

    RSSIn

    ddo

    A

    ZigBee

    ZigBee

    [3]

    ZigBee

    3

    3. ZigBee

    95

    2015 Conference on Information Technology and Applications in Outlying Islands

  • 2.4 iBeacon

    iBeacon Apple

    (Bluetooth)

    (Received Signal Strength Indication,

    RSSI)

    iBeacon

    iBeacon( 4) 4

    ( 4)

    RSSI0 d

    nd0

    4. iBeacon[10]

    3.

    3.1

    Wi-Fi

    Wi-Fi

    (Access point)

    A

    AP

    AP1AP2AP3AP4

    AP1 AP4

    90

    30 20

    AP

    5

    AP AP

    AP AP

    User Radio Map Database

    5.

    Matlab( 5)

    = 22 + 1 + 0 ( 5)

    t APy

    AP

    210210 Radio Map Database

    6.

    NO

    RSSI

    YES

    Radio Map Database

    6.

    B

    Wi-Fi

    7

    96

    2015 Conference on Information Technology and Applications in Outlying Islands

  • AP AP

    AP AP

    User Radio Map Database

    7.

    Radio Map

    AP

    210 Radio Map Database

    8

    AP RSSI

    AP

    Radio Map

    Radio Map

    8.

    3.2

    33 12

    9

    4AP

    9. [5]

    3.3

    3.3.1

    A.

    90

    90

    AP

    AP

    AP1(AP1H)

    AP2(AP2L)AP1

    (AP1L) AP2(AP2H)AP1

    (AP1H) AP3(AP3L)

    AP1(AP1L) AP3

    (AP3H)

    2.5dbm

    0.656dbm

    B.

    AP AP

    3.3.2

    AP

    T1 AP

    APT2 AP

    APT3 AP

    APMatlab Polyfit

    y = 22 + 1 + 0

    y

    210

    2=0.92111= -138078 0=56.7241(

    10.)2=0.10921= -5.2162

    0=66.4568( 11.)

    y

    97

    2015 Conference on Information Technology and Applications in Outlying Islands

  • 210

    AP

    10. Point7-Point12-(AP1-AP2)

    11. Point1-Point16-(AP2-AP3)

    HTC Sensation XL

    Matlab Polyfit

    210

    Samsung Galaxy Nexus

    1.913

    4. Wi-Fi

    Wi-Fi

    Samsung Galaxy NexusHTC

    Sensation XL

    AP1 AP4 90 1

    AP1

    4.89dbmAP2 4.9dbm

    AP3 7.04dbmAP4

    5.78dbm

    AP 12131415

    12. AP1

    13. AP2

    14. AP3

    15. AP4

    98

    2015 Conference on Information Technology and Applications in Outlying Islands

  • AP

    1 2 3

    AP

    2.5dbm

    0.656dbm

    1. (1)

    2. (2)

    3. (3)

    5.

    Radio Map

    AP

    MOST 103-2221-E-130 -024

    [1] , , ,

    , , Vol. 131, pp.

    126-135,

    [2] , , ,

    (LBS)

    ,

    , ,

    [3] ,,,

    (2),

    , ,

    [4], ,

    ,

    [5] , ZigBee

    ,

    ,

    [6] , RSSI

    ,

    , 103

    [7] Chin-Tseng Huang, Cheng-Hsuan Wu, Yao-Nan

    Lee, Jiunn-Tsair Chen, A Novel Indoor

    RSS-Based Position Location Algorithm Using

    Factor Graphs, IEEE Transactions on Wireless

    Communications, Vol. 8, pp. 3050-3058, June

    2009.

    [8] Mc Neff, J.G, The global positioning system

    IEEE Transactions on Microwave Theory and

    Techniques, Vol. 50, pp 645 - 652, March 2002.

    [9] P. Bahl and V.N. Padmanabhan, RADAR: An

    in-building RF-based user location and tracking

    system, Proceedings of IEEE INFOCOM 2000,

    March 2000.

    [10] iBeacon

    http://www.elvistek.com/docs/Introduction_to_E

    lvisTek's_Ibeacon_solution_for_Customer.pdf

    99

    2015 Conference on Information Technology and Applications in Outlying Islands

    A2-7