手機(jī)定位技術(shù)論文(2)
手機(jī)定位技術(shù)論文
手機(jī)定位技術(shù)論文篇二
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
摘 要：在闡述了智能手機(jī)室內(nèi)外定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析了手機(jī)定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的意義及可行性，給出了借助手機(jī)定位實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)購以及交通管理的兩個(gè)應(yīng)用案例，該案例可為今后的應(yīng)用擴(kuò)展和應(yīng)用普及提供參考。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能手機(jī);定位技術(shù);智能導(dǎo)購;交通管理
中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302(2012)04-0025-04
Outdoor and indoor positioning technologies using smart phone with
application to internet of things
XUE Tao1, HUI Jian1,DU Junzhao2, 3 , LIU Hui2, ZHANG Xiaoping3, LIU Chang2, MAO Lei2
(1.Software Engineering Institute at Xidian University, 710071; 2.ZTE Corporation, 710065; 3.Internet of Thing Institute of Shaanxi Province, Xi’an, 710071)
Abstract: On the basis of introducing the outdoor and indoor positioning systems of smart phones, the significance and feasibility of these technologies with application to IOT are analyzed. The implementation of intelligence guide and traffic management using mobile positioning are proposed, which provide a reference for the usage expansion and application popularization.
Key Words: Internet of Things; smart phone; positioning technology; smart shopping guide; traffic management
0 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)。
在過去的幾年中，移動(dòng)通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)越來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)際情況來看，利用GPS、Wi-Fi、無線蜂窩系統(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)外定位技術(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)外定位系統(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)別問題可以利用已經(jīng)被廣泛研究過的基于天線的定位技術(shù)(例如Wi-Fi、GSM和GPS)來解決。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ri，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、 ri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)際的無線定位方法中，通過測(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(1)就可以得到目標(biāo)移動(dòng)終端的坐標(biāo)。當(dāng)式(1)為矛盾方程時(shí)，該系統(tǒng)可采用最小二乘法求解。
當(dāng)前主流的定位不管是GPS定位技術(shù)還是利用無線網(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)無縫、精確的定位。以上的基站定位系統(tǒng)通?？赏ㄟ^幾何關(guān)系去估計(jì)用戶的位置。而下面介紹的新方法，則是通過觀察用戶當(dāng)前使用基站的變化來估算用戶的位置，并間歇性地獲取GPS定位來修正定位精度。當(dāng)前的智能手機(jī)平臺(tái)都能夠通過網(wǎng)絡(luò)來獲取當(dāng)前使用的基站位置。與此同時(shí)再結(jié)合用戶移動(dòng)的信息來增加無線蜂窩系統(tǒng)定位的精確程度。為說明這種新的方法，可以考慮圖2所示的場(chǎng)景。
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。
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Android API完成了Java程序的編寫，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，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，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)過特征匹配來識(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，需要大量手機(jī)通過參與感知模型來處理。
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)搜集等各個(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。就是通過二維碼、RFID等技術(shù)來標(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獲得對(duì)象的識(shí)別信息;此外，通過智能標(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，通過二氧化碳傳感器監(jiān)控大氣中二氧化碳的濃度，通過GPS標(biāo)簽跟蹤車輛位置，通過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
在傳統(tǒng)的“物聯(lián)網(wǎng)”導(dǎo)購模式中，用戶主要是通過智能手機(jī)自帶的網(wǎng)絡(luò)模塊訪問商家和店鋪的網(wǎng)站，從而獲取所需購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?；蛘呤怯脩糨斎胂胍徺I的商品信息，通過云端服務(wù)器給出用戶合理的建議。這樣就給用戶購物帶來了便利。
不過，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)谫徫镞^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，除了互聯(lián)網(wǎng)之外，還要借助其他的信息技術(shù)來實(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題。室內(nèi)外定位技術(shù)在智能導(dǎo)購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)常活動(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)用戶前去購買或送貨上門。
第二種是對(duì)正在購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)來獲取用戶需要購買的物品信息。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?，并綜合智能手機(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)來獲取用戶所要購買物品的信息，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)的定位來獲取物品信息來得更為高效與實(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)劃就可見一斑。車聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)而言之，就是通過無線識(shí)別等信息技術(shù)來實(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，只有充分搜集了車輛信息，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)帶來很多不便。比如，因?yàn)椴荒苋娅@悉信息而無法正確地預(yù)測(cè)交通流量，從而無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，要充分搜集車輛信息，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，基本可以說是人手一部，因此，不用人們添加任何裝置，而只需通過基站對(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。如果能夠通過手機(jī)定位完善車輛信息系統(tǒng)，那么毫無疑問，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
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)境感知與無線通信等核心技術(shù)，無疑將使智能手機(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)在智能購物，交通管理等領(lǐng)域也必將發(fā)揮相當(dāng)重要的作用。
參 考 文 獻(xiàn)
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收稿日期：2012-02-01
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60803152，61100075);
ISN國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(No. ISN-9-09);
中央部委基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(K50510230004)
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