TWI637189B

TWI637189B - 室內區域定位系統及其方法

Info

Publication number: TWI637189B
Application number: TW105134794A
Authority: TW
Inventors: 王添盛; 柯嘉惠; 方凱田; 曾柏軒
Original assignee: 臺灣高等法院檢察署
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-10-01
Also published as: TW201816420A

Abstract

本發明提出一種室內區域定位方法，包括以下步驟：在一連線階段，一行動終端裝置接收來自複數基地台的複數接收訊號強度，並將複數接收訊號強度及複數基地台的MAC位址一起傳送至一伺服器的區域估計系統；將一離線階段的資料庫輸入至連線階段的伺服器的區域估計系統；以及藉由區域估計系統，計算在複數室內區域中之複數適當室內區域的機率值，區域估計系統包含一區域平均系統及一等級配分系統，區域平均系統包含區域搜尋演算法及區域平均演算法，而等級配分系統包含區域搜尋演算法及等級配分演算法。本發明亦提出一種室內區域定位方法。

Description

室內區域定位系統及其方法

本發明係為一種區域定位系統及其方法，特別是指一種基於地圖資訊及訊號強度指紋的室內區域定位系統及其方法。

近年來，隨著科技的不斷進步，越來越多的應用需要室內定位服務以滿足使用者的體驗需求。基於位置的服務(Location-based Service,LBS)興起得應用便是希望能透過行動終端裝置及網路的配合，確定用戶位置，主動提供用戶可能所需的資訊。

一般來說，基於位置的服務其實並非新技術，但此技術無法突破的問題是只能針對一個範圍去定位人或行動終端裝置的所在，無法提供精確的定位，因此，室內定位已成為目前的發展趨勢。

過去，透過全球定位系統(Global Positioning System,GPS)定位技術的應用已經相當普遍，但無法將其應用延伸至室內區域，主要的問題是因為室內定位極易受到建築物或牆壁的干擾，因此，普遍應用的全球定位系統定位便無法有效地執行。

在目前室內定位的感測技術發展中，常見的技術有Wi-Fi與藍牙無線射頻技術，還有地球磁場、可見光、音波、慣性定位等方式，較早期的技術則有Zigbee、紅外線與無線射頻辨識(Radio Frequency IDentification,RFID)等無線技術。

總而言之，由於全球定位系統無法滿足室內定位服務的需求，並且在傳統的室內定位系統中，經常會產生不合理的定位結果，例如，定位在牆中或在其他障礙物中。

基於上述習知技術之缺失，需要提供一種能有效地改善不合理的定位結果，以增加室內定位精準度。在此構想之下，如何設計一種較佳的室內區域定位系統及其方法，能夠使室內定位精確度達到最佳，乃是待解決的問題。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之室內區域定位方法包括以下步驟：在一連線階段(online phase)，一行動終端裝置接收來自複數基地台的複數接收訊號強度(Received signal strength)，並將該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址一起傳送至一伺服器的區域估計系統；將一離線階段(offline phase)的資料庫輸入至該連線階段的該伺服器的該區域估計系統；以及藉由該區域估計系統，計算在複數室內區域中之複數適當室內區域的機率值，其中，該區域估計系統包含區域平均系統(Area Average System)及等級配分系統(Level Assignment System)，該區域平均系統包含區域搜尋演算法(Area Searching Algorithm)及區域平均演算法(Area Average Algorithm)，而該等級配分系統包含該區域搜尋演算法及等級配分演算法(Level Assignment Algorithm)。

再者，本發明之室內區域定位方法復包括以下步驟：在該離線階段，該行動終端裝置記錄複數參考點位置及該行動終端裝置的方位，並接收來自該複數基地台的該複數接收訊號強度，且將該複數參考點位置、該行動終端裝置的方位、該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址一起傳送至該離線階段的該伺服器來計算出該複數接收訊號強度的平均值及標準差，同時將該複數參考點位置、該行動終端裝置的方位、該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址以及該複數接收訊號強度的平均值及標準差儲存於該資料庫。

較佳地，該區域搜尋演算法從該複數室內區域選擇該複數適當室內區域。

較佳地，該區域平均演算法包含以下步驟：計算複數接收訊號強度距離(Received signal strength Distance,RD)；平均在每一適當室內區域中的該複數接收訊號強度距離；依據所平均的該複數接收訊號強度距離，對該複數適當室內區域排序；以及計算該複數適當室內區域的機率值作為估計結果。

較佳地，該等級配分演算法包含以下步驟：計算複數接收訊號強度距離；濾除超出範圍的複數參考點；從該複數參考點選擇最可能的多個參考點；計算每一室內區域的相似度；以及計算該複數適當室內區域的機率值作為估計結果。

較佳地，在計算複數接收訊號強度距離的步驟中，該複數接收訊號強度距離是藉由歐幾理得接收訊號強度距離計算方式及混合式接收訊號強度距離計算方式來計算。

再者，本發明亦提供一種室內區域定位系統，包括：一連線階段的伺服器，包含一區域估計系統，並且接收複數接收訊號強度及複數基地台的MAC位址；以及一離線階段的資料庫，輸入至該連線階段的該伺服器的該區域估計系統，其中，該區域估計系統包含一區域平均系統及一等級配分系統，並計算在複數室內區域中之複數適當室內區域的機率值。

較佳地，本發明之室內區域定位系統復包括：一行動終端裝置，接收來自該複數基地台的該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址。

10‧‧‧行動終端裝置

12‧‧‧室內區域

12a、12b、12c‧‧‧區域

14‧‧‧參考點

16‧‧‧無線基地台

20‧‧‧離線階段

202‧‧‧行動終端裝置

204‧‧‧伺服器

206‧‧‧資料庫

22‧‧‧連線階段

222‧‧‧行動終端裝置

224‧‧‧伺服器

226‧‧‧區域估計系統

S31、S33、S35‧‧‧步驟

S41、S43、S45、S47‧‧‧步驟

S51、S53、S55、S57‧‧‧步驟

S61、S63、S65、S67、S69‧‧‧步驟

圖1為習知技術中的指紋式室內區域定位的基本架構示意圖；圖2為本發明一實施例的室內區域定位系統的示意圖；圖3為本發明一實施例的室內區域定位方法的流程圖；圖4為本發明一實施例的室內區域定位方法之離線階段的流程圖；圖5為本發明一實施例的室內區域定位方法之區域平均演算法的流程圖；以及圖6為本發明一實施例的室內區域定位方法之等級配分演算法的流程圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

並且，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。

本發明提出一種基於地圖資訊及訊號強度指紋的室內區域定位系統架構。如圖1的訊號強度指紋基本架構所示，一行動終端裝置10於一室內區域12環境空間中，如圖1所示，室內區域12包含三個區域，分別為區域12a、區域12b及區域12c。此外，在室內區域12環境空間中具有複數參考點14，並且於每一區域中設置一無線基地台16。本發明採用指紋式室內區域定位方式來進行室內區域定位，因此，本發明基於地圖資訊及訊號強度指紋提出一種較佳的室內區域定位系統及其方法。

其中，行動終端裝置10可為手持裝置(handheld device)、移動終端、行動電話、智慧型手機、平板電腦、手提電腦、筆記型電腦等裝置，但不限於本發明。

換言之，依據本發明之較佳實施例，如圖2所示，本發明之室內區域定位系統包括；一連線階段22的伺服器224，包含一區域估計系統，並且接收複數接收訊號強度(Received signal strength)及複數基地台的MAC位址；以及一離線階段20的資料庫206，輸入至該連線階段22的該伺服器224的該區域估計系統226，其中，該區域估計系統包含一區域平均系統(未顯示於圖式中)及一等級配分系統(未顯示於圖式中)，並計算在複數室內區域中之複數適當室內區域的機率值。其中，在離線階段20，資料庫206設置於伺服器204中。

依據本發明之一實施例，本發明之室內區域定位系統復包括一行動終端裝置202、222，行動終端裝置10接收來自該複數基地16台的該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址。

為了提升室內區域定位的精確度，本發明提出的區域平均系統(Area Average System)可包含區域搜尋演算法(Area Searching Algorithm)及區域平均演算法(Area Average Algorithm)，並且本發明提出的等級配分系統(Level Assignment System)可包含該區域搜尋演算法及一等級配分演算法(Level Assignment Algorithm)。

簡而言之，本發明提出的區域平均系統主要著重在每一區域的相似度估計，而本發明提出的等級配分系統主要著重在整個室內區域環境空間中最相似的參考點。區域平均系統與等級配分系統都能計算出使用者/用戶在每一區域的機率值，因此，使用者所在的區域能準確地被估計而得到，同時使用者的位置也能在估計區域之後進行估算。

基於地圖資訊及訊號強度指紋之概念下，如圖3所示，圖3為本發明實施例的室內區域定位方法的流程圖。本發明之室內區域定位方法包括下列步驟S31~S35：步驟S31：在一連線階段，一行動終端裝置接收來自複數基地台的複數接收訊號強度，並將該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址一起傳送至一伺服器的區域估計系統；步驟S33：將一離線階段的資料庫輸入至該連線階段的該伺服器的該區域估計系統；以及步驟S35：藉由該區域估計系統，計算在複數室內區域中之複數適當室內區域的機率值，其中，該區域估計系統包含一區域平均系統及一等級配分系統，該區域平均系統包含一區域搜尋演算法及一區域平均演算法，而該等級配分系統包含該區域搜尋演算法及一等級配分演算法。

其中，區域搜尋演算法從該複數室內區域選擇該複數適當室內區域。具體而言，區域搜尋演算法能選出適當的區域進行估計，進而達到降低估計範圍以及可提高室內定位精確度的功效。

其中，區域搜尋演算法可包含下列步驟：針對每一區域中的每一存取點(access point)(即無線基地台)計算出平均標準差(average standard deviation)；針對每一區域中的每一存取點(access point)計算出上限(upper bound)；以及將連線階段的接收訊號強度與上限相比較。

再者，如圖4所示，本發明之室內區域定位方法復包括下列步驟S41~S47：步驟S41：在該離線階段，該行動終端裝置記錄複數參考點位置及該行動終端裝置的方位；步驟S43：接收來自該複數基地台的該複數接收訊號強度，且將該複數參考點位置、該行動終端裝置的方位、該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址一起傳送至該離線階段的該伺服器；步驟S45：計算出該複數接收訊號強度的平均值及標準差；以及步驟S47：同時將該複數參考點位置、該行動終端裝置的方位、該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址以及該複數接收訊號強度的平均值及標準差儲存於該資料庫。

依據本發明之較佳實施例，如圖5所示，圖5顯示本發明的室內區域定位方法之區域平均演算法的流程圖。本發明所提出的區域平均演算法包括下列步驟S51~S57：步驟S51：計算複數接收訊號強度距離(Received signal strength Distance,RD)；步驟S53：平均在每一適當室內區域中的該複數接收訊號強度距離；步驟S55：依據所平均的該複數接收訊號強度距離，對該複數適當室內區域排序；以及步驟S57：計算該複數適當室內區域的機率值作為估計結果。

此外，依據本發明之較佳實施例，如圖6所示，圖5顯示本發明的室內區域定位方法之等級配分演算法的流程圖。本發明所提出的等級配分演算法包括下列步驟S61~S69：步驟S61：計算複數接收訊號強度距離；步驟S63：濾除超出範圍的複數參考點；步驟S65：從該複數參考點選擇最可能的多個參考點；步驟S67：計算每一室內區域的相似度；以及步驟S69：計算該複數適當室內區域的機率值作為估計結果。

其中，在計算複數接收訊號強度距離的步驟中，該複數接收訊號強度距離是藉由歐幾理得接收訊號強度距離計算方式(Euclidean Received Signal Strength Distance Scheme)以及混合式接收訊號強度距離計算方式(Fusion Received Signal Strength Distance Scheme)來計算。

由上述計算複數接收訊號強度距離的步驟中，歐幾理得接收訊號強度距離計算方式是利用歐幾理得距離(Euclidean distance)來表示接收訊號強度距離。

所以在本發明較佳實施例中，本發明除了以歐幾理得接收訊號強度距離計算方式來計算接收訊號強度距離之外，本發明亦以混合式接收訊號強度距離計算方式來計算接收訊號強度距離，也就是說，當2.4GHz與5GHz的頻段都被考慮時，混合式接收訊號強度距離計算方式能以加權(weighting)方式進而可更準確地計算出接收訊號強度距離。因此，本發明之區域估計系統能比傳統的定位系統達到更高的區域估計精準度，並且區域搜尋演算法與混合式接收訊號強度距離計算方式能有效地提高區域估計系統的精準度。

在上述較佳實施例中，本發明之伺服器包含一或複數處理器以及至少一儲存裝置，因此，本發明提出的上述演算法可經由伺服器執行，並且伺服器可藉由無線網路模組與行動終端裝置或無線基地台進行無線通訊。

在說明本發明之代表性實施例時，本說明書已經提出操作本發明之該方法及/或程序做為一特定順序的步驟。但是，某種程度上該方法並不會依賴此處所提出的特定順序的步驟，該方法不應限於所述之該等特定的步驟順序。如本技藝專業人士將可瞭解，其它的步驟順序亦為可行。因此，在本說明書中所提出之特定順序的步驟不應被視為對於申請專利範圍之限制。此外，關於本發明之方法及/或程序之申請專利範圍不應限於在所提出順序中之步驟的效能，本技藝專業人士可立即瞭解該等順序可以改變，且仍維持在本發明之精神及範圍內。

熟習此項技藝者應即瞭解可對上述各項範例進行變化，而不致悖離其廣義之發明性概念。因此，應瞭解本發明並不限於所揭示之特定範例，而係為涵蓋歸屬如後載各請求項所定義之本發明精神及範圍內的修飾。

Claims

一種室內區域定位方法，係包括以下步驟：在一連線階段，一行動終端裝置接收來自複數基地台的複數接收訊號強度，並將該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址一起傳送至一伺服器的區域估計系統；將一離線階段的資料庫輸入至該連線階段的該伺服器的該區域估計系統；以及藉由該區域估計系統，計算在複數室內區域中之複數適當室內區域的機率值，其中，該區域估計系統包含一區域平均系統及一等級配分系統，該區域平均系統包含區域搜尋演算法及區域平均演算法，而該等級配分系統包含該區域搜尋演算法及等級配分演算法，其中，該區域搜尋演算法包含以下步驟：針對每一區域中的每一存取點計算出一平均標準差；針對每一區域中的每一存取點計算出一上限；以及將該連線階段的該複數接收訊號強度與該上限相比較，其中，該區域平均演算法包含以下步驟：計算複數接收訊號強度距離；平均在每一適當室內區域中的該複數接收訊號強度距離；依據所平均的該複數接收訊號強度距離，對該複數適當室內區域排序；以及計算該複數適當室內區域的機率值作為估計結果，其中，該等級配分演算法包含以下步驟：計算複數接收訊號強度距離；濾除超出範圍的複數參考點；從該複數參考點選擇最可能的多個參考點；計算每一室內區域的相似度；以及計算該複數適當室內區域的機率值作為估計結果。
如申請專利範圍第1項所述之室內區域定位方法，復包括以下步驟：在該離線階段，該行動終端裝置記錄複數參考點位置及該行動終端裝置的方位，並接收來自該複數基地台的該複數接收訊號強度，且將該複數參考點位置、該行動終端裝置的方位、該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址一起傳送至該離線階段的該伺服器來計算出該複數接收訊號強度的平均值及標準差，同時將該複數參考點位置、該行動終端裝置的方位、該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址以及該複數接收訊號強度的平均值及標準差儲存於該資料庫。
如申請專利範圍第1項所述之室內區域定位方法，其中，在計算複數接收訊號強度距離的步驟中，該複數接收訊號強度距離是藉由歐幾理得接收訊號強度距離計算方式及混合式接收訊號強度距離計算方式來計算。
一種室內區域定位系統，係包括：一連線階段的伺服器，包含一區域估計系統，並且接收複數接收訊號強度及複數基地台的MAC位址；以及一離線階段的資料庫，輸入至該連線階段的該伺服器的該區域估計系統，其中，該區域估計系統包含一區域平均系統及一等級配分系統，並計算在複數室內區域中之複數適當室內區域的機率值，其中，該區域平均系統包含區域搜尋演算法及區域平均演算法，而該等級配分系統包含該區域搜尋演算法及等級配分演算法，其中，該區域搜尋演算法包含以下步驟：針對每一區域中的每一存取點計算出一平均標準差；針對每一區域中的每一存取點計算出一上限；以及將該連線階段的該複數接收訊號強度與該上限相比較，其中，該區域平均演算法包含以下步驟：計算複數接收訊號強度距離；平均在每一適當室內區域中的該複數接收訊號強度距離；依據所平均的該複數接收訊號強度距離，對該複數適當室內區域排序；以及計算該複數適當室內區域的機率值作為估計結果，其中，該等級配分演算法包含以下步驟：計算複數接收訊號強度距離；濾除超出範圍的複數參考點；從該複數參考點選擇最可能的多個參考點；計算每一室內區域的相似度；以及計算該複數適當室內區域的機率值作為估計結果。
如申請專利範圍第4項所述之室內區域定位系統，復包括：一行動終端裝置，接收來自該複數基地台的該複數接收訊號強度及該複數基地台的MAC位址。