室内定位指纹库构建实践：ESP32 地磁采集与 WiFi 网格测量

Sat, 16 May 2026 15:00:00 +0800

这学期《传感器与微系统》课程论文做的是室内定位方向的数据工作：在 3m×5m 的实验场地里，人工采集了 WiFi RSSI 与地磁两路指纹，构建了一张 0.5m 网格的指纹库。定位算法本身是论文的核心内容，暂不展开；本文只记录数据采集与预处理的工程实践。

指纹法定位原理

指纹法分离线、在线两个阶段。离线阶段在场地内按网格逐点采集各 AP 的信号强度，形成「位置 ↔ 信号指纹」数据库；在线阶段用实时采到的信号去指纹库里匹配，反推出当前坐标：

WiFi RSSI 空间波动大、成本低，地磁信号空间差异明显、不受光照遮挡影响，两者互补——这也是选择这两路指纹的原因。

地磁采集：ESP32 + ICM20948

地磁传感器选用 ICM20948（9 轴 IMU 内置 AK09916 磁力计），主控为 ESP32，Arduino 框架开发。

采集流程：

通过姿态解算获取横滚角 $\phi$ 与俯仰角 $\theta$
读取磁力计原始三轴数据 $M^b = [m_x, m_y, m_z]^T$
用旋转矩阵把设备坐标系下的磁场校正到水平坐标系（z 轴指向上方）：

$$R_x(\phi) = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \ 0 & \cos\phi & \sin\phi \ 0 & -\sin\phi & \cos\phi \end{bmatrix} \qquad R_y(\theta) = \begin{bmatrix} \cos\theta & 0 & -\sin\theta \ 0 & 1 & 0 \ \sin\theta & 0 & \cos\theta \end{bmatrix}$$

输出三元组：（水平磁场模值，垂直磁场模值，总磁场模值）

采样频率设为 1Hz（宏定义可调）。姿态校正这步很关键——手持设备不可能保证完全水平，不做校正的话，同一位置换个握持角度读数就完全对不上了。

WiFi RSSI 网格测量

场地：约 300cm × 500cm 的室内区域
AP 布置：5 个无线接入点
采样：按 1m 网格逐点人工采集，每个网格点记录 5 路 RSSI（dBm）与地磁三模值

原始数据以 xlsx 记录，字段包括网格点物理坐标（cm）、RSSI_1~RSSI_5、地磁三模值（μT）。

预处理：从 1m 实测到 0.5m 指纹库

实测网格 1m 间距偏稀疏，直接做指纹匹配粒度不够。预处理流水线：

网格提取：从原始测量数据抽取 1m 间隔网格点
IDW 插值扩充：用反距离加权插值把网格加密到 0.5m，扩充指纹库分辨率（插值域的选择有讲究，细节在论文里）
格式转换：xlsx 统一转 CSV 供后续使用

看看采到的数据

数据好不好，可视化是最直观的检验。5 个 AP 中一路 RSSI 的三维曲面——可以明显看到信号强度随空间的起伏：

地磁总模值的等高线图——场地西部偏高（约 55μT）、东部偏低（约 43μT），空间梯度明显，这正是地磁指纹可用于定位的前提：

换个角度看地磁场强度曲面：

小结

指纹库质量决定指纹定位的上限，采集阶段的网格规划、姿态校正、传感器选型都比想象中重要
地磁的空间梯度和 WiFi 的互补性在数据里体现得非常直观
融合定位方法本身是论文核心内容，等论文发表后再写一篇展开