一种iBeacon基站空间布局优化及室内定位方法技术

本发明专利技术提出一种基于NSGA‑II算法的iBeacon基站空间布局优化及室内定位方法。本发明专利技术针对iBeacon发送射频信号受环境如遮挡物干扰大，且不稳定的缺点，采用遗传优化算法，设计空间布局优化的iBeacon基站部署方案，最大限度的弥补信号不稳定导致的定位精度下降。本发明专利技术实现的室内定位计算方法，采用4个基站数据计算待测点，比传统的3个基站计算具有更加稳定、更加精准的优势。本发明专利技术具有定位精度高、成本低、实施简单、可推广性强的优点，并且可通过选择经优化后的设备部署方案，在最低的部署成本下满足不同的定位精度需求。

An iBeacon Base Station Space Layout Optimization and Indoor Location Method

The invention provides an iBeacon base station spatial layout optimization and indoor positioning method based on NSGA II algorithm. Aiming at the disadvantage that the radio frequency signal transmitted by iBeacon is greatly disturbed and unstable by the environment such as occluder, the present invention adopts genetic optimization algorithm to design the deployment scheme of iBeacon base station with optimized spatial layout, so as to make up for the decrease of positioning accuracy caused by the unstable signal to the greatest extent. The indoor positioning calculation method realized by the invention uses four base station data to calculate the points to be measured, which has more stable and accurate advantages than the traditional three base station calculation. The invention has the advantages of high positioning accuracy, low cost, simple implementation and strong popularization, and can meet different positioning accuracy requirements at the lowest deployment cost by selecting the optimized equipment deployment scheme.

【技术实现步骤摘要】
一种iBeacon基站空间布局优化及室内定位方法
本专利技术涉及一种基于多目标遗传算法NSGA-II算法对iBeacon基站进行空间布局优化技术，并且利用iBeacon基站和智能手机实现的室内定位方法，是一种通过在室内利用优化算法优化部署位置信息已知的iBeacon设备以及利用智能手机实现室内定位的方法。
技术介绍
在城市中生活的人们，不可避免地光顾各种商场、机场、医院、停车场等陌生的公共场所，而这些公共场所的室内环境复杂而且陌生，因此，人们对于室内精确导航定位服务的需求日益强烈。例如，当用户在购物中心购物时需要寻找某个商铺、或者在火车站低下停车场寻找停车位或反向寻车、或者在机场需要寻找走失的同伴时，都需要室内定位技术的支持。目前，已经提出的室内定位技术包括红外定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位技术、W1-Fi定位技术、zigbee定位技术、磁场定位技术、计算机视觉定位技术等。这些室内定位技术由于定位精度低、成本高、定位速度慢、商业运营困难等各种原因，没有得到大规模的推广应用。蓝牙(Bluetooth)是一种短距离无线通信技术，可实现固定设备、移动设备之间的短距离数据交换。蓝牙4.0是2012年采用了蓝牙低功耗技术(BLE)的最新蓝牙版本，传输距离最远可达100米，且智能手机基本都内置了蓝牙4.0模块，其应用前景非常广阔。iBeacon是苹果推出一项基于蓝牙4.0的精准微定位技术，其工作原理是：iBeacon基站不断向四周发送蓝牙信号，待满足iBeacon技术标准的蓝牙模块的智能设备进入设定区域时，就能够收到信号，通过三点定位算法、信号强度指示(RSSI)等方式可计算出用户位置。由于iBeacon设备发送的是2.4GHz频段的射频信号，该信号传播受环境如遮挡物干扰大，且不稳定，因此，基于该原理的测距精度难以保证，需要在室内有多个(大于3个)iBeacon基站，通过算法互相验证纠正，并且这些iBeacon基站的空间布局要合理，才能达到比较好的室内定位效果，同时保证成本的低廉。综上所述，基于iBeacon的室内地位技术当前面临如何优化iBeacon基站空间布局，以保证定位精度和部署成本。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种基于NSGA-II算法的iBeacon基站空间布局优化及室内定位方法。本专利技术通过NSGA-II算法优化部署iBeacon基站的空间布局，以及利用智能手机即可实现室内定位，具有定位精度高、成本低、实施简单、可推广性强的优点，并且可通过改变设备部署密度，在最低的部署成本下满足不同的定位精度需求。其具体技术方案如下：一种基于NSGA-II算法的iBeacon基站空间布局优化及室内定位方法，该方法具体包括以下步骤：步骤一：将室内待部署iBeacon基站的区域，按1米×1米划分成网格，每个网格按行列编上编号(i,j)，区域平面图最左上角的网格编号为(0,0)，其余的依次累加“1”，每个网格内都有可能部署一个iBeacon基站。步骤二：将整个区域的网格利用二进制编码，转换成NSGA-II算法的基因序列，序列中“1”代表部署iBeacon基站，“0”代表没有部署。随机初始化iBeacon基站的部署方案，以待测点与基站平均最短距离和部署成本为优化目标进行优化，最终生成iBeacon基站的部署方案最优集。步骤三：根据部署精度、成本等需求，从最优集中选择相应的iBeacon基站部署方案，将所有iBeacon设备的Minor号设置成唯一的编号，同时记录iBeacon设备所在网格的编号，即坐标数据，这些iBeacon设备的Minor号、坐标数据等属性存储在数据服务器中。步骤四：用户携带装有iBeacon信号接收处理App的智能手机，进入待定位区域，智能手机通过App识别周围iBeacon基站发送的广播帧，基于广播帧中的信号强度进行排序，选取信号最强的4个iBeacon基站，根据经验模型将这4个iBeacon基站信号强度转换成待定位点与对应基站的距离d1,d2,d3,d4。步骤五：待定位点坐标计算，可以分为两种方式。一是以智能手机将计算出的4个距离d1,d2,d3,d4，发送至服务器端，由服务器按照一定的计算方式进行计算，获得待定位点的坐标，然后发送至智能手机端，在App地图中显示。二是通过App打包下载服务器端有关iBeacon基站的属性数据，以及4个距离d1,d2,d3,d4，用于计算待定位点坐标，直接通过App在手机端计算，计算方式与服务器上的计算方式相同，然后在App地图中显示。所述步骤二的具体过程如下：(1)将室内待部署iBeacon基站1米×1米网格区域，视为二维数组，将其按行转化为一维数组，作为遗传算法二进制编码的基因序列，同时记录每个基因在二维数组中的行列编号(i，j)。(2)以随机法进行种群初始化，即基因序列中随机函数生成“0”、“1”，“1”代表部署iBeacon基站，“0”代表没有部署。(3)以“待测点与iBeacon基站的平均距离越短，收到的信号越强，从而获得待测点位置的精度越高”为假设前提，确定iBeacon基站的部署方案的一个优化目标，待测点与基站平均最短距离的计算方式如下：其中，Fxd是整个区域中所有待测点与基站平均距离，n是这个区域的待测点个数，Fxd是区域中某个待测点与基站平均距离，m是待测点周围一定范围内(如5米)的iBeacon基站个数，m应大于或等于4，d是待测点与其周围某个基站之间的距离。另一个优化目标为部署方案的成本最小化，其计算方式如下：min(Fcost)＝min(k×a)(4)其中，k表示部署方案中的iBeacon基站个数，a表示部署单个iBeacon基站的成本。(4)生成的种群中每个个体由优化目标计算评价后，利用快速非支配排序算法进行排序，按次序使个体两两配对进行交叉变异，从而生成下一代种群。(5)根据步骤(4)不断进行遗传进化，直至达到设定的迭代终止条件，最终获得的新一代种群即为精英集。所述步骤四中，计算iBeacon基站信号强度转换成待定位点与对应基站的距离d1,d2,d3,d4，其计算方式如下：d＝10[(|RSSI|-A)/(10×N)](5)其中,d是计算所得距离，RSSI是接收信号强度(负值)，A是发射端和接收端相隔1米时的信号强度，N是环境衰减因子。由于所处环境不同，每台发射源(蓝牙设备)对应参数值都不一样，因此，公式里的每项参数都应该做实验(校准)获得。所述步骤五中的待测点定位计算方式，具体过程如下：(1)按照改进的加权质心定位算法，对4个iBeacon基站，任选3个进行组合，共有组，即每次取3个基站进行定位计算，计算公式如下：其中，(x，y)是待测点坐标，(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)是3个基站的坐标，d1,d2,d3分别是待测点到3个基站的距离。(2)根据(1)得到4组待测点坐标，假设分别是(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4),通过加权平均，都到最后待测点的坐标(x,y)，计算公式如下：本专利技术的有益效果：1、本专利技术针对iBeacon发送射频信号受环境如遮挡物干扰大，且不稳定的缺点，采用遗传优化算法，设计空间布局优化的iBeacon基站部署方案，最大限度的弥补信号不稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于NSGA‑II算法的iBeacon基站空间布局优化及室内定位方法，该方法具体包括以下步骤：步骤一：将室内待部署iBeacon基站的区域，按1米×1米划分成网格，每个网格按行列编上编号(i,j)，区域平面图最左上角的网格编号为(0,0)，其余的依次累加“1”，每个网格内都有可能部署一个iBeacon基站；步骤二：将整个区域的网格利用二进制编码，转换成NSGA‑II算法的基因序列，序列中“1”代表部署iBeacon基站，“0”代表没有部署；随机初始化iBeacon基站的部署方案，以待测点与基站平均最短距离和部署成本为优化目标进行优化，最终生成iBeacon基站的部署方案最优集；步骤三：根据部署精度、成本等需求，从最优集中选择相应的iBeacon基站部署方案，将所有iBeacon设备的Minor号设置成唯一的编号，同时记录iBeacon设备所在网格的编号，即坐标数据，这些iBeacon设备的Minor号、坐标数据等属性存储在数据服务器中；步骤四：用户携带装有iBeacon信号接收处理App的智能手机，进入待定位区域，智能手机通过App识别周围iBeacon基站发送的广播帧，基于广播帧中的信号强度进行排序，选取信号最强的4个iBeacon基站，根据经验模型将这4个iBeacon基站信号强度转换成待定位点与对应基站的距离d1,d2,d3,d4；步骤五：待定位点坐标计算，可以分为两种方式：一是以智能手机将计算出的4个距离d1,d2,d3,d4，发送至服务器端，由服务器按照一定的计算方式进行计算，获得待定位点的坐标，然后发送至智能手机端，在App地图中显示；二是通过App打包下载服务器端有关iBeacon基站的属性数据，以及4个距离d1,d2,d3,d4，用于计算待定位点坐标，直接通过App在手机端计算，计算方式与服务器上的计算方式相同，然后在App地图中显示。...

【技术特征摘要】
1.一种基于NSGA-II算法的iBeacon基站空间布局优化及室内定位方法，该方法具体包括以下步骤：步骤一：将室内待部署iBeacon基站的区域，按1米×1米划分成网格，每个网格按行列编上编号(i,j)，区域平面图最左上角的网格编号为(0,0)，其余的依次累加“1”，每个网格内都有可能部署一个iBeacon基站；步骤二：将整个区域的网格利用二进制编码，转换成NSGA-II算法的基因序列，序列中“1”代表部署iBeacon基站，“0”代表没有部署；随机初始化iBeacon基站的部署方案，以待测点与基站平均最短距离和部署成本为优化目标进行优化，最终生成iBeacon基站的部署方案最优集；步骤三：根据部署精度、成本等需求，从最优集中选择相应的iBeacon基站部署方案，将所有iBeacon设备的Minor号设置成唯一的编号，同时记录iBeacon设备所在网格的编号，即坐标数据，这些iBeacon设备的Minor号、坐标数据等属性存储在数据服务器中；步骤四：用户携带装有iBeacon信号接收处理App的智能手机，进入待定位区域，智能手机通过App识别周围iBeacon基站发送的广播帧，基于广播帧中的信号强度进行排序，选取信号最强的4个iBeacon基站，根据经验模型将这4个iBeacon基站信号强度转换成待定位点与对应基站的距离d1,d2,d3,d4；步骤五：待定位点坐标计算，可以分为两种方式：一是以智能手机将计算出的4个距离d1,d2,d3,d4，发送至服务器端，由服务器按照一定的计算方式进行计算，获得待定位点的坐标，然后发送至智能手机端，在App地图中显示；二是通过App打包下载服务器端有关iBeacon基站的属性数据，以及4个距离d1,d2,d3,d4，用于计算待定位点坐标，直接通过App在手机端计算，计算方式与服务器上的计算方式相同，然后在App地图中显示。2.如权利要求1所述的基于NSGA-II算法的iBeacon基站空间布局优化及室内定位方法，其特征在于：所述步骤二的具体过程如下：(1)将室内待部署iBeacon基站1米×1米网格区域，视为二维数组，将其按行转化为一维数组，作为遗传算法二进制编码的基因序列，同时记录每个基因在二维数组中的行列编号(i，j)；(2)以随机法进...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘哲，
申请(专利权)人：浙江传媒学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33