基于智能手機的室內外定位技術在物聯網中的應用

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網應用中的意義及可行性，給出了借助手機定位實現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：物聯網；智能手機；定位技術；智能導購；交通管理

0 引言

物聯網是現代信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術提升，它可將各種感知技術、現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，創造一個智慧的世界。物聯網的本質，概括起來主要體現在三個方面：一是互聯網特征，即對需要聯網的物一定要能夠在互聯網上實現互聯互通；二是識別與通信特征，即納入物聯網的“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(GSM、CDMA等)對手機進行定位的技術條件已經逐步趨于成熟，現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的研究現狀，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終端和基站i的直線距離ri，那么，根據幾何原理，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，發揮各自的優點，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，可實現無縫、精確的定位。以上的基站定位系統通常可通過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。