基于智能手機(jī)的室內(nèi)外定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

引言

物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應(yīng)用與技術(shù)提升，它可將各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能與自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行聚合與集成應(yīng)用，從而使人與物智慧對(duì)話，創(chuàng)造一個(gè)智慧的世界。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)，概括起來(lái)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是互聯(lián)網(wǎng)特征，即對(duì)需要聯(lián)網(wǎng)的物一定要能夠在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通；二是識(shí)別與通信特征,即納入物聯(lián)網(wǎng)的'物”一定要具備自動(dòng)識(shí)別和物與物通信(M2M)的功能；三是智能化特征，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)化、自我反饋與智能控制的特點(diǎn)。

在過(guò)去的幾年中，移動(dòng)通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)越來(lái)越廣泛地受到人們關(guān)注。其主要原因是該技術(shù)背后蘊(yùn)藏著巨大的市場(chǎng)。從當(dāng)前的實(shí)際情況來(lái)看，利用GPS、Wi-Fi、無(wú)線蜂窩系統(tǒng)(GSM、CDMA等)對(duì)手機(jī)進(jìn)行定位的技術(shù)條件已經(jīng)逐步趨于成熟，現(xiàn)在的關(guān)鍵是如何使智能手機(jī)的室內(nèi)夕卜定位技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，從而最終達(dá)到服務(wù)于人的目的。本文重點(diǎn)介紹了目前智能手機(jī)室內(nèi)夕卜定位系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，同時(shí)介紹了一些新的定位技術(shù)，并探討了智能手機(jī)室內(nèi)外定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用的意義及其可行性。

1  智能手機(jī)的室內(nèi)外定位技術(shù)

智能手機(jī)正漸漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪袑?shí)現(xiàn)感知、分享和獲取信息的核心設(shè)備。隨著智能手機(jī)上傳感設(shè)備的不斷豐富，手機(jī)被賦予了強(qiáng)大的感知能力，從而使其更容易理解當(dāng)前所處的環(huán)境，并最終為用戶提供極具意義的終端服務(wù)。直觀上，位置識(shí)別問(wèn)題可以利用已經(jīng)被廣泛研究過(guò)的基于天線的定位技術(shù)(例如Wi-Fi、GSM和GPS)來(lái)解決。對(duì)于室外定位而言,GPS已經(jīng)提供了非常理想的識(shí)別精度。而無(wú)線蜂窩系統(tǒng)相對(duì)于GPS則可提供人們可以接受的低精度但低能耗的定位。

圖1給出了無(wú)線蜂窩系統(tǒng)GSM利用功率信息采用圓周定位的原理圖。根據(jù)圖1中的方法，如果知道了目標(biāo)移動(dòng)終端和基站i的直線距離r，，那么，根據(jù)幾何原理，其目標(biāo)移動(dòng)終端一定位于以基站i所在位置為圓心、r,為半徑的圓周上。當(dāng)已知目標(biāo)移動(dòng)終端與鄰近的三個(gè)基站1、2、3的距離為r1、r2、r3時(shí)，那么以三個(gè)基站所在位置為圓心，r1、r2、r3為半徑的三個(gè)圓的交點(diǎn)即為目標(biāo)移動(dòng)終端所在的位置。在實(shí)際的無(wú)線定位方法中，通過(guò)測(cè)量從目標(biāo)移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)到達(dá)基站i的功率強(qiáng)度，再通過(guò)一定的功率損耗模型，就可以得到目標(biāo)移動(dòng)終端與基站i的距離 ri。通常在圓周定位中，目標(biāo)移動(dòng)終端坐標(biāo)和基站坐標(biāo)之間存在以下關(guān)系：

(x-xi)2+(y-yi)2 =ri2 i=1,2,3 (1)

根據(jù)式⑴就可以得到目標(biāo)移動(dòng)終端的坐標(biāo)。當(dāng)式⑴為矛盾方程時(shí)，該系統(tǒng)可采用最小二乘法求解。

圖1     圓周定位方法

當(dāng)前主流的定位不管是GPS定位技術(shù)還是利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或其他定位手段進(jìn)行定位，都有其局限性，而未來(lái)定位技術(shù)的趨勢(shì)是將多種定位技術(shù)有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，以提供較好的精度和響應(yīng)速度，同時(shí)又具有較廣的覆蓋范圍，可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、精確的定位。以上的基站定位系統(tǒng)通常可通過(guò)幾何關(guān)系去估計(jì)用戶的位置。而下面介紹的新方法，則是通過(guò)觀察用戶當(dāng)前使用基站的變化來(lái)估算用戶的位置，并間歇性地獲取GPS定位來(lái)修正定位精度。當(dāng)前的智能手機(jī)平臺(tái)都能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取當(dāng)前使用的基站位置。與此同時(shí)再結(jié)合用戶移動(dòng)的信息來(lái)增加無(wú)線蜂窩系統(tǒng)定位的精確程度。為說(shuō)明這種新的方法，可以考慮圖2所示的場(chǎng)景。

(b)在已知地理信息旳情況下

圖2     通過(guò)用戶移動(dòng)信息增加定位精度示意圖

在圖2中，假設(shè)用戶當(dāng)前使用的基站從1變化到了2,如圖2(a)所示。所有這些信息不足以確定用戶當(dāng)前是出于A、B、C哪個(gè)位置。但是，如果考慮到當(dāng)前的地理位置信息，如圖2(b)所示，那么，由于B和C兩個(gè)位置不是位于道路之上,所以B和C兩個(gè)位置應(yīng)該不會(huì)是用戶所在的位置，因此此時(shí)用戶在位置A的可能性較大。因此，再結(jié)合較為詳盡的地理信息，就能比較精確地確定出用戶所在的位置。

智能手機(jī)能夠記錄用戶平時(shí)經(jīng)常行走的路線，并且對(duì)基站信息進(jìn)行記錄，當(dāng)用戶再次處在相同路線上時(shí)，就能匹配以往路徑，因而能夠進(jìn)行快速而精確的定位。圖3所示是用戶的行進(jìn)路線依次受到基站覆蓋的定位信息圖。圖中，用戶的行進(jìn)路線依次受到基站3-1-2-4的覆蓋，其中圓點(diǎn)為比較精確的GPS定位，這樣，當(dāng)匹配好用戶所走基站序列之后，再間歇性地插入GPS信息，就能夠更加精確地確定用戶的行進(jìn)路線。

圖3     用戶的行進(jìn)路線依次受到基站覆蓋的定位信息圖

綜上所述技術(shù)，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)定位系統(tǒng)，并使用AndroidAPI完成了Java程序的編寫(xiě)，同時(shí)在Android智能手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了該定位系統(tǒng)。使用時(shí)，手機(jī)周期性地采集基站的信息，并運(yùn)行前面所述的算法來(lái)提供估計(jì)的位置，這樣，根據(jù)估計(jì)的情況，系統(tǒng)就會(huì)決定何時(shí)打開(kāi)以及關(guān)閉GPS。圖4所示是綜合了各種定位技術(shù)后獲取的用戶位置信息。

圖4     綜合各種定位技術(shù)獲取的用戶位置信息

圖4中顯示了根據(jù)綜合上述技術(shù)在Android平臺(tái)上的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。由圖可見(jiàn)，圖中顯示了用戶具體的位置和用戶周圍的基站位置以及用戶當(dāng)前所使用的基站。根據(jù)實(shí)際測(cè)試可見(jiàn),采用各種技術(shù)的綜合定位方式，能夠?yàn)橛脩籼峁┛焖俸捅容^精確的定位，并且可以根據(jù)以往記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶軌跡預(yù)測(cè)。同時(shí)它也克服了各種定位技術(shù)的缺陷，而且較GPS響應(yīng)更快，更加節(jié)能，也較無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位更加精確。因此，綜合目前各種定位技術(shù)的智能手機(jī)綜合定位技術(shù)，無(wú)疑將為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供強(qiáng)大的推進(jìn)力。

對(duì)于室內(nèi)定位，當(dāng)前尚未出現(xiàn)一個(gè)理想且全面的定位解決方案。受制于建筑物內(nèi)部的拓?fù)浜蛷?qiáng)烈的電磁干擾等因素，天線信號(hào)的強(qiáng)度往往會(huì)不規(guī)則的變化，從而使感知設(shè)備無(wú)法進(jìn)行合理的位置推測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)：Wi-Fi信號(hào)在一天的不同時(shí)間段內(nèi)波動(dòng)很大，并且其強(qiáng)度的變化也并不均勻。另一方面，GSM基站的信號(hào)在不同時(shí)間上則顯得更加穩(wěn)定。但是，由于其部署的不夠密集，其在定位上也遇到了許多困難。另外，這類定位方法往往對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的完善有極高的要求。但是對(duì)于發(fā)展中的區(qū)域而言，這樣的成本無(wú)疑太高了。然而，在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，需要更加精確地確定用戶所在的大體位置和具體所處的室內(nèi)場(chǎng)所，這樣，只有GPS提供的經(jīng)緯度信息顯然是不夠的。

最近的研究表明，通過(guò)智能手機(jī)的傳感器可以捕獲周圍環(huán)境的特征（例如光照強(qiáng)度、溫度、噪聲等），然后將采集到的信息進(jìn)行特征提取和分類，便可以識(shí)別所處的室內(nèi)場(chǎng)所。另外，智能手機(jī)也可以進(jìn)一步通過(guò)3G、Wi-Fi或者藍(lán)牙等通信模塊，將捕獲的特征傳送給后臺(tái)服務(wù)端，服務(wù)端再根據(jù)存儲(chǔ)有該位置附近的各個(gè)室內(nèi)場(chǎng)所的環(huán)境特征信息，經(jīng)過(guò)特征匹配來(lái)識(shí)別所處的室內(nèi)場(chǎng)所，然后將最終結(jié)果發(fā)送給智能手機(jī)。但是，需要說(shuō)明的是，各個(gè)室內(nèi)場(chǎng)所的環(huán)境特征提取以及建立服務(wù)器端的特征數(shù)據(jù)庫(kù)，需要大量手機(jī)通過(guò)參與感知模型來(lái)處理。

2  室內(nèi)外定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、老人護(hù)理、個(gè)人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測(cè)、食品溯源、敵情偵查和情報(bào)捜集等各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)其實(shí)質(zhì)用途，物聯(lián)網(wǎng)可以歸結(jié)為三種基本應(yīng)用模式。

一是對(duì)象的智能標(biāo)簽。就是通過(guò)二維碼、RFID等技術(shù)來(lái)標(biāo)識(shí)特定的對(duì)象，用于區(qū)分對(duì)象個(gè)體。例如在生活中，我們使用的各種智能卡和條碼標(biāo)簽，其基本用途就是用來(lái)獲得對(duì)象的識(shí)別信息；此外，通過(guò)智能標(biāo)簽還可以用于獲得對(duì)象物品所包含的擴(kuò)展信息，如智能卡上的金額余額，二維碼中所包含的網(wǎng)址和名稱等。

二是環(huán)境監(jiān)控和對(duì)象跟蹤。就是利用多種類型的傳感器和分布廣泛的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)對(duì)象的實(shí)時(shí)狀態(tài)的獲取和特定對(duì)象行為的監(jiān)控。例如使用分布在市區(qū)的各個(gè)噪聲探頭監(jiān)測(cè)噪聲污染，通過(guò)二氧化碳傳感器監(jiān)控大氣中二氧化碳的濃度，通過(guò)GPS標(biāo)簽跟蹤車輛位置，通過(guò)交通路口的攝像頭捕捉實(shí)時(shí)交通流量等。

三是對(duì)象的智能控制。物聯(lián)網(wǎng)基于云計(jì)算平臺(tái)和智能網(wǎng)絡(luò)，可以依據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，改變對(duì)象的行為，或進(jìn)行控制和反饋。例如根據(jù)光線的強(qiáng)弱調(diào)整路燈的亮度，根據(jù)車輛的流量自動(dòng)調(diào)整紅綠燈的時(shí)間間隔等。

以下列舉了智能手機(jī)室內(nèi)外定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)三種基本應(yīng)用模式的應(yīng)用實(shí)例。

2.1  利用IOT結(jié)合手機(jī)室內(nèi)外定位技術(shù)構(gòu)建智能導(dǎo)購(gòu)

在傳統(tǒng)的“物聯(lián)網(wǎng)”導(dǎo)購(gòu)模式中，用戶主要是通過(guò)智能手機(jī)自帶的網(wǎng)絡(luò)模塊訪問(wèn)商家和店鋪的網(wǎng)站，從而獲取所需購(gòu)買商品的一些基本信息，例如商品的價(jià)格、產(chǎn)地、尺寸、成分等等?；蛘呤怯脩糨斎胂胍?gòu)買的商品信息，通過(guò)云端服務(wù)器給出用戶合理的建議。這樣就給用戶購(gòu)物帶來(lái)了便利。

不過(guò)，單純地依靠互聯(lián)網(wǎng)是不夠的。大多數(shù)情況下，用戶是不知道自己想要買的商品的各種信息的，而互聯(lián)網(wǎng)在“物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代”中存在缺陷，例如在信息傳播的過(guò)程中，互聯(lián)網(wǎng)對(duì)人為的指令、操作和參與的依賴程度比較大，而人們?cè)谫?gòu)物過(guò)程中需要“事必躬親”，對(duì)商品的各個(gè)細(xì)節(jié)給予充分的描述，事實(shí)上，人們需要的是更加智能化和人性化。

因此，要真正地實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)購(gòu)，除了互聯(lián)網(wǎng)之外，還要借助其他的信息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)應(yīng)用”。智能手機(jī)的室內(nèi)外定位技術(shù)的發(fā)展正好能很好地解決這些問(wèn)題。室內(nèi)外定位技術(shù)在智能導(dǎo)購(gòu)方面大致有以下幾方面的應(yīng)用：

第一種是商家向用戶推銷用戶可能喜歡的商品。由于每個(gè)人都有其日?；顒?dòng)的范圍、路線，而且用戶以前購(gòu)買的商品應(yīng)該記錄在云端服務(wù)器上，例如用戶以前所買衣服的風(fēng)格、款式、尺寸都會(huì)有相應(yīng)的記錄。如果用戶平時(shí)經(jīng)?；顒?dòng)的范圍、路線上的商家新到了該用戶所喜歡的新款式衣服，那么這些商家就可以向該用戶推薦這些商品，并引導(dǎo)用戶前去購(gòu)買或送貨上門。

第二種是對(duì)正在購(gòu)買一件商品的用戶推薦其可能喜歡的商品。如果用戶在一個(gè)大型商場(chǎng)逛了幾家商鋪后仍然沒(méi)有買到自己心儀的商品，此時(shí)就可以利用智能手機(jī)的室內(nèi)定位技術(shù)來(lái)獲取用戶需要購(gòu)買的物品信息。仍以買衣服為例，當(dāng)用戶逛了幾家賣衣服的商鋪之后，根據(jù)精確的室內(nèi)定位，可以獲取用戶要買衣服這個(gè)信息，并且根據(jù)其在各個(gè)商鋪逗留的時(shí)間可以得到用戶喜歡的風(fēng)格、款式等信息，進(jìn)而能夠?yàn)橛脩籼峁┫嗨瓶钍降纳啼佄恢眯畔ⅲ⒕C合智能手機(jī)的室內(nèi)外定位技術(shù)給出合理的最優(yōu)路線。這樣就能夠給用戶帶來(lái)便利，提高買到用戶喜歡商品的概率。

然而，單純地依靠智能手機(jī)的室內(nèi)定位技術(shù)來(lái)獲取用戶所要購(gòu)買物品的信息，還是比較被動(dòng)的。如果物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中最為廣泛的主動(dòng)信息反饋技術(shù)，即射頻識(shí)別能夠把物品本身變?yōu)橐粋€(gè)信息發(fā)布者，就會(huì)比光靠智能手機(jī)的定位來(lái)獲取物品信息來(lái)得更為高效與實(shí)用。

總而言之，智能手機(jī)的室內(nèi)外定位技術(shù)還處于試驗(yàn)階段,但是這種技術(shù)的成熟和推廣，必將大大增加物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)于人的能力。然而，要想實(shí)現(xiàn)真正意義上的物聯(lián)，并不是一個(gè)產(chǎn)品、一種技術(shù)的推出就可以成就的，它需要在行業(yè)、企業(yè)等各個(gè)環(huán)節(jié)之間做出不懈的努力與合作。

2.2  手機(jī)定位在車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮作用

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，一些市場(chǎng)需求較為旺盛、應(yīng)用條件相對(duì)成熟的領(lǐng)域已經(jīng)走在了前列，比如車聯(lián)網(wǎng)、智能交通、智能醫(yī)療等。這其中，車聯(lián)網(wǎng)被人們寄予了極大的希望，這一點(diǎn)從國(guó)家政策層面多次出臺(tái)重大專項(xiàng)計(jì)劃就可見(jiàn)一斑。車聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)而言之，就是通過(guò)無(wú)線識(shí)別等信息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛動(dòng)靜態(tài)信息的提取和有效利用，并根據(jù)不同的功能需求對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)管和綜合服務(wù)。通過(guò)這一定義不難看出，車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)提取車輛的動(dòng)態(tài)信息，只有充分捜集了車輛信息，才能談得上車輛監(jiān)管以及出行路線建議和交通流量預(yù)測(cè)等綜合服務(wù)。不過(guò)在現(xiàn)階段，即便是北京、上海這樣的大城市，也不能提供全路網(wǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，其監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)只部署到了主干道上，而除此之外的很多道路都不在監(jiān)測(cè)范圍之內(nèi)。

道路信息采集不足會(huì)帶來(lái)很多不便。比如，因?yàn)椴荒苋娅@悉信息而無(wú)法正確地預(yù)測(cè)交通流量，從而無(wú)法給人們出行提出合理建議，這使得車聯(lián)網(wǎng)的重要功能之一，也就是緩解道路擁堵大打折扣。因此，我們看到，很多汽車信息服務(wù)提供的大多是出行導(dǎo)航、通信、娛樂(lè)等基本服務(wù)，或者緊急情況救援等特殊服務(wù)，而人們最需要的交通出行建議服務(wù)卻不能有效提供。

目前的道路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多由各地的交通管理局在固定地點(diǎn)布放，而單單依靠交通管理局的力量卻非常有限，因此，要充分捜集車輛信息，還需要調(diào)動(dòng)各方面的力量。

隨著手機(jī)定位技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)定位的精確度在不斷提高。目前我國(guó)已經(jīng)有9億多移動(dòng)用戶，在駕駛員當(dāng)中，手機(jī)普及率更高，基本可以說(shuō)是人手一部，因此，不用人們添加任何裝置，而只需通過(guò)基站對(duì)手機(jī)進(jìn)行定位，就可以基本確定駕駛員所在車輛的大致位置信息。如果能夠通過(guò)手機(jī)定位完善車輛信息系統(tǒng)，那么毫無(wú)疑問(wèn)，運(yùn)營(yíng)商就能夠提供更多的汽車信息服務(wù)，其在產(chǎn)業(yè)鏈上的價(jià)值地位也能進(jìn)一步體現(xiàn)。當(dāng)然,由于目前手機(jī)定位的精確度只能達(dá)到100多米的范圍，因此,要準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)車輛情況，還存在一定的難度，此外，如何在車輛移動(dòng)過(guò)程中做到信息的及時(shí)更新，這對(duì)于現(xiàn)在的定位技術(shù)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3  結(jié)語(yǔ)

隨著3G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)功能的普及以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，智能手機(jī)作為一個(gè)全新的媒體形式，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。而物聯(lián)網(wǎng)在多方面的物體識(shí)別、環(huán)境感知與無(wú)線通信等核心技術(shù)，無(wú)疑將使智能手機(jī)成為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的基礎(chǔ)計(jì)算平臺(tái)之一，智能手機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)的融合，也必將助推新商業(yè)模式的發(fā)展。

室內(nèi)外定位作為智能手機(jī)的基礎(chǔ)應(yīng)用，可以提供相應(yīng)人或物體的可靠的位置信息，同時(shí)在智能購(gòu)物，交通管理等領(lǐng)域也必將發(fā)揮相當(dāng)重要的作用。

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