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(gòu)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(gòu)；交通管理

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(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)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(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(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：

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)還是利用尢線網(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。

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)匹配好用戶昕走基站序列之后，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。