基于智能手機的室內外定位技術在物聯(lián)網中的應用

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

關鍵詞：物聯(lián)網；智能手機；定位技術；智能導購；交通管理

0 引言

物聯(lián)網是現(xiàn)代信息技術發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應用與技術提升，它可將各種感知技術、現(xiàn)代網絡技術和人工智能與自動化技術進行聚合與集成應用，從而使人與物智慧對話，創(chuàng)造一個智慧的世界。物聯(lián)網的本質，概括起來主要體現(xiàn)在三個方面：一是互聯(lián)網特征，即對需要聯(lián)網的物一定要能夠在互聯(lián)網上實現(xiàn)互聯(lián)互通；二是識別與通信特征，即納入物聯(lián)網的“物”一定要具備自動識別和物與物通信(M2M)的功能；三是智能化特征，即網絡系統(tǒng)應具有自動化、自我反饋與智能控制的特點。

在過去的幾年中，移動通信系統(tǒng)中的定位技術越來越廣泛地受到人們關注，其主要原因是該技術背后蘊藏著巨大的市場。從當前的實際情況來看，利用GPS、Wi-Fi、無線蜂窩系統(tǒng)(GSM、CDMA等)對手機進行定位的技術條件已經逐步趨于成熟，現(xiàn)在的關鍵是如何使智能手機的室內外定位技術應用于物聯(lián)網，從而最終達到服務于人的目的。本文重點介紹了目前智能手機室內外定位系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，同時介紹了一些新的定位技術，并探討了智能手機室內外定位技術在物聯(lián)網領域應用的意義及其可行性。

1 智能手機的室內外定位技術

智能手機正漸漸成為人們日常生活中實現(xiàn)感知、分享和獲取信息的核心設備。隨著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，并最終為用戶提供極具意義的終端服務。直觀上，位置識別問題可以利用已經被廣泛研究過的基于天線的定位技術(例如Wi-Fi、GSM和GPS)來解決。對于室外定位而言，GPS已經提供了非常理想的識別精度。而無線蜂窩系統(tǒng)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，如果知道了目標移動終端和基站i的直線距離ri，那么，根據(jù)幾何原理，其目標移動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。當已知目標移動終端與鄰近的三個基站1、2、3的距離為r1、r2、r3時，那么以三個基站所在位置為圓心，r1、r2、r3為半徑的三個圓的交點即為目標移動終端所在的位置。在實際的無線定位方法中，通過測量從目標移動終端發(fā)出的信號到達基站i的功率強度，再通過一定的功率損耗模型，就可以得到目標移動終端與基站i的距離ri。通常在圓周定位中，目標移動終端坐標和基站坐標之間存在以下關系：

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

當前主流的定位不管是GPS定位技術還是利用尢線網絡或其他定位手段進行定位，都有其局限性，而未來定位技術的趨勢是將多種定位技術有機結合，發(fā)揮各自的優(yōu)點，以提供較好的精度和響應速度，同時又具有較廣的覆蓋范圍，可實現(xiàn)無縫、精確的定位。以上的基站定位系統(tǒng)通?？赏ㄟ^幾何關系去估計用戶的位置。而下面介紹的新方法，則是通過觀察用戶當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。當前的智能手機平臺都能夠通過網絡來獲取當前使用的基站位置。與此同時再結合用戶移動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所示的場景。

在圖2中，假設用戶當前使用的基站從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當前是出于A、B、C哪個位置。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兩個位置不是位于道路之上，所以B和C兩個位置應該不會是用戶所在的位置，因此此時用戶在位置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所在的位置。

智能手機能夠記錄用戶平時經常行走的路線，并且對基站信息進行記錄，當用戶再次處在相同路線上時，就能匹配以往路徑，因而能夠進行快速而精確的定位。圖3所示是用戶的行進路線依次受到基站覆蓋的定位信息圖。圖中，用戶的行進路線依次受到基站3-1-2-4的覆蓋，其中圓點為比較精確的GPS定位，這樣，當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路線。

綜上所述技術，筆者設計了一個定位系統(tǒng)，并使用Android API完成了Java程序的編寫，同時在Android智能手機上實現(xiàn)了該定位系統(tǒng)。使用時，于機周期性地采集基站的信息，并運行前面所述的算法來提供估計的位置，這樣，根據(jù)估計的情況，系統(tǒng)就會決定何時打開以及關閉GPS。圖4所示是綜合了各種定位技術后獲取的用戶位置信息。

圖4中顯示了根據(jù)綜合上述技術在Android平臺上的應用實現(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前所使用的基站。根據(jù)實際測試可見，采用各種技術的綜合定位方式，能夠為用戶提供快速和比較精確的定位，并且可以根據(jù)以往記錄的數(shù)據(jù)進行用戶軌跡預測。同時它也克服了各種定位技術的缺陷，而且較GPS響應更快，更加節(jié)能，也較無線蜂窩網絡定位更加精確。因此，綜合目前各種定位技術的智能手機綜合定位技術，無疑將為物聯(lián)網的發(fā)展提供強大的推進力。

對于室內定位，當前尚未出現(xiàn)一個理想且全面的定位解決方案。受制于建筑物內部的拓撲和強烈的電磁干擾等因素，天線信號的強度往往會不規(guī)則的變化，從而使感知設備無法進行合理的位置推測。研究發(fā)現(xiàn)：Wi-Fi信號在一天的不同時間段內波動很大，并且其強度的變化也并不均勻。另一方面，GSM基站的信號在不同時間上則顯得更加穩(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基礎設施的完善有極高的要求。但是對于發(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)網的實際應用中，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場所，這樣，只有GPS提供的經緯度信息顯然是不夠的。

最近的研究表明，通過智能于機的傳感器可以捕獲周圍環(huán)境的特征(例如光照強度、溫度、噪聲等)，然后將采集到的信息進行特征提取和分類，便可以識別所處的室內場所。另外，智能手機也可以進一步通過3G、Wi-Fi或者藍牙等通信模塊，將捕獲的特征傳送給后臺服務端，服務端再根據(jù)存儲有該位置附近的各個室內場所的環(huán)境特征信息，經過特征匹配來識別所處的室內場所，然后將最終結果發(fā)送給智能手機。

但是，需要說明的是，各個室內場所的環(huán)境特征提取以及建立服務器端的特征數(shù)據(jù)庫，需要大量手機通過參與感知模型來處理。

2 室內外定位技術在物聯(lián)網中的應用

物聯(lián)網用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、老人護理、個人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等各個領域。根據(jù)其實質用途，物聯(lián)網可以歸結為三種基本應用模式。

一是對象的智能標簽。就是通過二維碼、RFID等技術來標識特定的對象，用于區(qū)分對象個體。例如在生活中，我們使用的各種智能卡和條碼標簽，其基本用途就是用來獲得對象的識別信息；此外，通過智能標簽還可以用于獲得對象物品所包含的擴展信息，如智能卡上的金額余額，二維碼中所包含的網址和名稱等。

二是環(huán)境監(jiān)控和對象跟蹤。就是利用多種類型的傳感器和分布廣泛的傳感器網絡，實現(xiàn)對某個對象的實時狀態(tài)的獲取和特定對象行為的監(jiān)控。例如使用分布在市區(qū)的各個噪聲探頭監(jiān)測噪聲污染，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標簽跟蹤車輛位置，通過交通路口的攝像頭捕捉實時交通流量等。

三是對象的智能控制。物聯(lián)網基于云計算平臺和智能網絡，可以依據(jù)傳感器網絡獲取的數(shù)據(jù)進行決策，改變對象的行為，或進行控制和反饋。例如根據(jù)光線的強弱調整路燈的亮度，根據(jù)車輛的流量自動調整紅綠燈的時間間隔等。

以下列舉了智能手機室內外定位技術在物聯(lián)網三種基本應用模式的應用實例。

2. 1 利用IOT結合手機室內外定位技術構建智能導購

在傳統(tǒng)的“物聯(lián)網”導購模式中，用戶主要是通過智能手機自帶的網絡模塊訪問商家和店鋪的網站，從而獲取所需購買商品的一些基本信息，例如商品的價格、產地、尺寸、成分等等。或者是用戶輸入想要購買的商品信息，通過云端服務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)網在“物聯(lián)網時代”中存在缺陷，例如在信息傳播的過程中，互聯(lián)網對人為的指令、操作和參與的依賴程度比較大，而人們在購物過程中需要“事必躬親”，對商品的各個細節(jié)給予充分的描述，事實上，人們需要的是更加智能化和人性化。

因此，要真正地實現(xiàn)智能導購，除了互聯(lián)網之外，還要借助其他的信息技術來實現(xiàn)“物聯(lián)應用”。智能手機的室內外定位技術的發(fā)展正好能很好地解決這些問題。室內外定位技術在智能導購方面大致有以下幾方面的應用：

第一種是商家向用戶推銷用戶可能喜歡的商品。由于每個人都有其日?；顒拥姆秶?、路線，而且用戶以前購買的商品應該記錄在云端服務器上，例如用戶以前所買衣服的風格、款式、尺寸都會有相應的記錄。如果用戶平時經?；顒拥姆秶?、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，并引導用戶前去購買或送貨上門。

第二種是對正在購買一件商品的用戶推薦其可能喜歡的商品。如果用戶在一個大型商場逛了幾家商鋪后仍然沒有買到自己心儀的商品，此時就可以利用智能手機的事內定位技術來獲取用戶需要購買的物品信息。仍以買衣服為例，當用戶逛了幾家賣衣服的商鋪之后，根據(jù)精確的室內定位，可以獲取用戶要買衣服這個信息，并且根據(jù)其在各個商鋪逗留的時間可以得到用戶喜歡的風格、款式等信息，進而能夠為用戶提供相似款式的商鋪位置信息，并綜合智能手機的室內外定位技術給出合理的最優(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的室內定位技術來獲取用戶所要購買物品的信息，還是比較被動的。如果物聯(lián)網發(fā)展中最為廣泛的主動信息反饋技術，即射頻識別能夠把物品本身變?yōu)橐粋€信息發(fā)布者，就會比光靠智能手機的定位來獲取物品信息來得更為高效與實用。

總而言之，智能手機的室內外定位技術還處于試驗階段，但是這種技術的成熟和推廣，必將大大增加物聯(lián)網服務于人的能力。然而，要想實現(xiàn)真正意義上的物聯(lián)，并不是一個產品、一種技術的推出就可以成就的，它需要在行業(yè)、企業(yè)等各個環(huán)節(jié)之間做出不懈的努力與合作。

2．2 手機定位在車聯(lián)網發(fā)展中發(fā)揮作用

在物聯(lián)網發(fā)展過程中，一些市場需求較為旺盛、應用條件相對成熟的領域已經走在了前列，比如車聯(lián)網、智能交通、智能醫(yī)療等。這其中，車聯(lián)網被人們寄予了極大的希望，這一點從國家政策層面多次出臺重大專項計劃就可見一斑。車聯(lián)網簡而言之，就是通過無線識別等信息技術來實現(xiàn)對車輛動靜態(tài)信息的提取和有效利用，并根據(jù)不同的功能需求對車輛的運行狀態(tài)進行有效的監(jiān)管和綜合服務。通過這一定義不難看出，車聯(lián)網的關鍵是實時提取車輛的動態(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測等綜合服務。不過在現(xiàn)階段，即便是北京、上海這樣的大城市，也不能提供全路網的實時動態(tài)信息，其監(jiān)測網絡只部署到了主干道上，而除此之外的很多道路都不在監(jiān)測范圍之內。

道路信啟、采集不足會帶來很多不便。比如，因為不能全面獲悉信息而無法正確地預測交通流量，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，很多汽車信息服務提供的大多是出行導航、通信、娛樂等基本服務，或者緊急情況救援等特殊服務，而人們最需要的交通出行建議服務卻不能有效提供。

目前的道路監(jiān)測系統(tǒng)多由各地的交通管理局在固定地點布放，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，還需要調動各方面的力量。

隨著手機定位技術的發(fā)展，手機定位的精確度在不斷提高。目前我國已經有9億多移動用戶，在駕駛員當中，手機普率更高，基本可以說是人手一部，因此，不用人們添加任何裝置，而只需通過基站對手機進行定位，就可以基本確定駕駛員所在車輛的大致位置信息。如果能夠通過手機定位完善車輛信息系統(tǒng)，那么毫無疑問，運營商就能夠提供更多的汽車信息服務，其在產業(yè)鏈上的價值地位也能進一步體現(xiàn)。當然，由于目前手機定位的精確度只能達到100多米的范圍，因此，要準確監(jiān)測車輛情況，還存在一定的難度，此外，如何在車輛移動過程中做到信息的及時更新，這對于現(xiàn)在的定位技術也是一個挑戰(zhàn)。

3 結語

隨著3G手機網絡功能的普及以及物聯(lián)網技術的高速發(fā)展，智能手機作為一個全新的媒體形式，已經引起了人們的廣泛關注。而物聯(lián)網在多方面的物體識別、環(huán)境感知與無線通信等核心技術，無疑將使智能手機成為物聯(lián)網時代的基礎計算平臺之一，智能手機與物聯(lián)網的融合，也必將助推新商業(yè)模式的發(fā)展。

室內外定位作為智能手機的基礎應用，可以提供相應人或物體的可靠的位置信息，同時在智能購物，交通管理等領域也必將發(fā)揮相當重要的作用。