基于智能手機的室內外定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應用

摘要：在闡述了智能手機室內外定位技術(shù)的基礎上，分析了手機定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應用中的意義及可行性，給出了借助手機定位實(shí)現智能導購以及交通管理的兩個(gè)應用案例，該案例可為今后的應用擴展和應用普及提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能手機；定位技術(shù)；智能導購；交通管理

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是現代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術(shù)提升，它可將各種感知技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和人工智能與自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行聚合與集成應用，從而使人與物智慧對話(huà)，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)主要體現在三個(gè)方面：一是互聯(lián)網(wǎng)特征，即對需要聯(lián)網(wǎng)的物一定要能夠在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現互聯(lián)互通；二是識別與通信特征，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 )系統應具有自動(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)背后蘊藏著(zhù)巨大的市場(chǎng)。從當前的實(shí)際情況來(lái)看，利用GPS、Wi-Fi、無(wú)線(xiàn)蜂窩系統(GSM、CDMA等)對手機進(jìn)行定位的技術(shù)條件已經(jīng)逐步趨于成熟，現在的關(guān)鍵是如何使智能手機的室內外定位技術(shù)應用于物聯(lián)網(wǎng)，從而最終達到服務(wù)于人的目的。本文重點(diǎn)介紹了目前智能手機室內外定位系統的研究現狀，同時(shí)介紹了一些新的定位技術(shù)，并探討了智能手機室內外定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應用的意義及其可行性。

1 智能手機的室內外定位技術(shù)

智能手機正漸漸成為人們日常生活中實(shí)現感知、分享和獲取信息的核心設備。隨著(zhù)智能手機上傳感設備的不斷豐富，手機被賦予了強大的感知能力，從而使其更容易理解當前所處的環(huán)境，并最終為用戶(hù)提供極具意義的終端服務(wù)。直觀(guān)上，位置識別問(wèn)題可以利用已經(jīng)被廣泛研究過(guò)的基于天線(xiàn)的定位技術(shù)(例如Wi-Fi、GSM和GPS)來(lái)解決。對于室外定位而言，GPS已經(jīng)提供了非常理想的識別精度。而無(wú)線(xiàn)蜂窩系統相對于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(xiàn)蜂窩系統GSM利用功率信息采用圓周定位的原理圖。根據圖1中的方法，如果知道了目標移動(dòng)終端和基站i的直線(xiàn)距離ri，那么，根據幾何原理，其目標移動(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。當已知目標移動(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)即為目標移動(dòng)終端所在的位置。在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)定位方法中，通過(guò)測量從目標移動(dòng)終端發(fā)出的信號到達基站i的功率強度，再通過(guò)一定的功率損耗模型，就可以得到目標移動(dòng)終端與基站i的距離ri。通常在圓周定位中，目標移動(dòng)終端坐標和基站坐標之間存在以下關(guān)系：

根據式(1)就可以得到目標移動(dòng)終端的坐標。當式(1)為矛盾方程時(shí)，該系統可采用最小二乘法求解。

當前主流的定位不管是GPS定位技術(shù)還是利用尢線(xiàn)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)的趨勢是將多種定位技術(shù)有機結合，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，以提供較好的精度和響應速度，同時(shí)又具有較廣的覆蓋范圍，可實(shí)現無(wú)縫、精確的定位。以上的基站定位系統通?？赏ㄟ^(guò)幾何關(guān)系去估計用戶(hù)的位置。而下面介紹的新方法，則是通過(guò)觀(guān)察用戶(hù)當前使用基站的變化來(lái)估算用戶(hù)的位置，并間歇性地獲取GPS定位來(lái)修正定位精度。當前的智能手機平臺都能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)獲取當前使用的基站位置。與此同時(shí)再結合用戶(hù)移動(dòng)的信息來(lái)增加無(wú)線(xiàn)蜂窩系統定位的精確程度。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，假設用戶(hù)當前使用的基站從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(hù)當前是出于A(yíng)、B、C哪個(gè)位置。但是，如果考慮到當前的地理位置信息，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)位置應該不會(huì )是用戶(hù)所在的位置，因此此時(shí)用戶(hù)在位置A的可能性較大。因此，再結合較為詳盡的地理信息，就能比較精確地確定出用戶(hù)所在的位置。

智能手機能夠記錄用戶(hù)平時(shí)經(jīng)常行走的路線(xiàn)，并且對基站信息進(jìn)行記錄，當用戶(hù)再次處在相同路線(xiàn)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(hù)的行進(jìn)路線(xiàn)依次受到基站覆蓋的定位信息圖。圖中，用戶(hù)的行進(jìn)路線(xiàn)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，當匹配好用戶(hù)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(hù)的行進(jìn)路線(xiàn)。