基于智能手机的室内外定位技术在物联网中的应用
时间：2021-05-10 20:03:46 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：在阐述了智能手机室内外定位技术的基础上，分析了手机定位技术在物联网应用中的意义及可行性，给出了借助手机定位实现智能导购以及交通管理的两个应用案例，该案例可为今后的应用扩展和应用普及提供参考。
关键词：物联网；智能手机；定位技术；智能导购；交通管理
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：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
物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，它可将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术进行聚合与集成应用，从而使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。物联网的本质，概括起来主要体现在三个方面：一是互联网特征，即对需要联网的物一定要能够在互联网上实现互联互通；二是识别与通信特征，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别和物与物通信（M2M）的功能；三是智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。
在过去的几年中，移动通信系统中的定位技术越来越广泛地受到人们关注。其主要原因是该技术背后蕴藏着巨大的市场。从当前的实际情况来看，利用GPS、Wi-Fi、无线蜂窝系统（GSM、CDMA等）对手机进行定位的技术条件已经逐步趋于成熟，现在的关键是如何使智能手机的室内外定位技术应用于物联网，从而最终达到服务于人的目的。本文重点介绍了目前智能手机室内外定位系统的研究现状，同时介绍了一些新的定位技术，并探讨了智能手机室内外定位技术在物联网领域应用的意义及其可行性。
1 智能手机的室内外定位技术
智能手机正渐渐成为人们日常生活中实现感知、分享和获取信息的核心设备。随着智能手机上传感设备的不断丰富，手机被赋予了强大的感知能力，从而使其更容易理解当前所处的环境，并最终为用户提供极具意义的终端服务。直观上，位置识别问题可以利用已经被广泛研究过的基于天线的定位技术（例如Wi-Fi、GSM和GPS）来解决。对于室外定位而言，GPS已经提供了非常理想的识别精度。而无线蜂窝系统相对于GPS则可提供人们可以接受的低精度但低能耗的定位。
图1给出了无线蜂窝系统GSM利用功率信息采用圆周定位的原理图。根据图1中的方法，如果知道了目标移动终端和基站i的直线距离ri，那么，根据几何原理，其目标移动终端一定位于以基站i所在位置为圆心、 ri为半径的圆周上。当已知目标移动终端与邻近的三个基站1、2、3的距离为 r1、r2、r3 时，那么以三个基站所在位置为圆心， r1、r2、r3为半径的三个圆的交点即为目标移动终端所在的位置。在实际的无线定位方法中，通过测量从目标移动终端发出的信号到达基站i的功率强度，再通过一定的功率损耗模型，就可以得到目标移动终端与基站i的距离ri。通常在圆周定位中，目标移动终端坐标和基站坐标之间存在以下关系：
(x-xi)2+(y-yi)2=ri2i=1,2,3 (1)
根据式(1)就可以得到目标移动终端的坐标。当式(1)为矛盾方程时，该系统可采用最小二乘法求解。
当前主流的定位不管是GPS定位技术还是利用无线网络或其他定位手段进行定位，都有其局限性，而未来定位技术的趋势是将多种定位技术有机结合，发挥各自的优点，以提供较好的精度和响应速度，同时又具有较广的覆盖范围，可实现无缝、精确的定位。以上的基站定位系统通常可通过几何关系去估计用户的位置。而下面介绍的新方法，则是通过观察用户当前使用基站的变化来估算用户的位置，并间歇性地获取GPS定位来修正定位精度。当前的智能手机平台都能够通过网络来获取当前使用的基站位置。与此同时再结合用户移动的信息来增加无线蜂窝系统定位的精确程度。为说明这种新的方法，可以考虑图2所示的场景。
在图2中，假设用户当前使用的基站从1变化到了2，如图2（a）所示。所有这些信息不足以确定用户当前是出于A、B、C哪个位置。但是，如果考虑到当前的地理位置信息，如图2(b)所示，那么，由于B和C两个位置不是位于道路之上，所以B和C两个位置应该不会是用户所在的位置，因此此时用户在位置A的可能性较大。因此，再结合较为详尽的地理信息，就能比较精确地确定出用户所在的位置。
智能手机能够记录用户平时经常行走的路线，并且对基站信息进行记录，当用户再次处在相同路线上时，就能匹配以往路径，因而能够进行快速而精确的定位。图3所示是用户的行进路线依次受到基站覆盖的定位信息图。图中，用户的行进路线依次受到基站3-1-2-4的覆盖，其中圆点为比较精确的GPS定位，这样，当匹配好用户所走基站序列之后，再间歇性地插入GPS信息，就能够更加精确地确定用户的行进路线。
综上所述技术，笔者设计了一个定位系统，并使用Android API完成了Java程序的编写，同时在Android智能手机上实现了该定位系统。使用时，手机周期性地采集基站的信息，并运行前面所述的算法来提供估计的位置，这样，根据估计的情况，系统就会决定何时打开以及关闭GPS。图4所示是综合了各种定位技术后获取的用户位置信息。
图4中显示了根据综合上述技术在Android平台上的应用实现。由图可见，图中显示了用户具体的位置和用户周围的基站位置以及用户当前所使用的基站。根据实际测试可见，采用各种技术的综合定位方式，能够为用户提供快速和比较精确的定位，并且可以根据以往记录的数据进行用户轨迹预测。同时它也克服了各种定位技术的缺陷，而且较GPS响应更快，更加节能，也较无线蜂窝网络定位更加精确。因此，综合目前各种定位技术的智能手机综合定位技术，无疑将为物联网的发展提供强大的推进力。
