基于智能手机的室内外定位技术在物联网中的应用

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=ri2 i=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。

对于室内定位，当前尚未出现一个理想且全面的定位解决方案。受制于建筑物内部的拓扑和强烈的电磁干扰等因素，天线信号的强度往往会不规则的变化，从而使感知设备无法进行合理的位置推测。研究发现：Wi-Fi信号在一天的不同时间段内波动很大，并且其强度的变化也并不均匀。另一方面，GSM基站的信号在不同时间上则显得更加稳定。但是，由于其部署的不够密集，其在定位上也遇到了许多困难。另外，这类定位方法往往对基础设施的完善有极高的要求。但是对于发展中的区域而言，这样的成本无疑太高了。然而，在物联网的实际应用中，需要更加精确地确定用户所在的大置和具体所处的室内场所，这样，只有GPS提供的经纬度信息显然是不够的。

最近的研究表明，通过智能手机的传感器可以捕获周围环境的特征（例如光照强度、温度、噪声等），然后将采集到的信息进行特征提取和分类，便可以识别所处的室内场所。另外，智能手机也可以进一步通过3G、Wi-Fi或者蓝牙等通信模块，将捕获的特征传送给后台服务端，服务端再根据存储有该位置附近的各个室内场所的环境特征信息，经过特征匹配来识别所处的室内场所，然后将最终结果发送给智能手机。但是，需要说明的是，各个室内场所的环境特征提取以及建立服务器端的特征数据库，需要大量手机通过参与感知模型来处理。

2 室内外定位技术在物联网中的应用

物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等各个领域。 根据其实质用途，物联网可以归结为三种基本应用模式。

一是对象的智能标签。就是通过二维码、RFID等技术来标识特定的对象，用于区分对象个体。例如在生活中，我们使用的各种智能卡和条码标签，其基本用途就是用来获得对象的识别信息；此外，通过智能标签还可以用于获得对象物品所包含的扩展信息，如智能卡上的金额余额，二维码中所包含的网址和名称等。

二是环境监控和对象跟踪。就是利用多种类型的传感器和分布广泛的传感器网络，实现对某个对象的实时状态的获取和特定对象行为的监控。例如使用分布在市区的各个噪声探头监测噪声污染，通过二氧化碳传感器监控大气中二氧化碳的浓度，通过GPS标签跟踪车辆位置，通过交通路口的摄像头捕捉实时交通流量等。

三是对象的智能控制。物联网基于云计算平台和智能网络，可以依据传感器网络获取的数据进行决策，改变对象的行为，或进行控制和反馈。例如根据光线的强弱调整路灯的亮度，根据车辆的流量自动调整红绿灯的时间间隔等。

以下列举了智能手机室内外定位技术在物联网三种基本应用模式的应用实例。

2.1 利用IOT结合手机室内外定位技术构建智能导购

在传统的“物联网”导购模式中，用户主要是通过智能手机自带的网络模块访问商家和店铺的网站，从而获取所需购买商品的一些基本信息，例如商品的价格、产地、尺寸、成分等等。或者是用户输入想要购买的商品信息，通过云端服务器给出用户合理的建议。这样就给用户购物带来了便利。

不过，单纯地依靠互联网是不够的。大多数情况下，用户是不知道自己想要买的商品的各种信息的，而互联网在“物联网时代”中存在缺陷，例如在信息传播的过程中，互联网对人为的指令、操作和参与的依赖程度比较大，而人们在购物过程中需要“事必躬亲”，对商品的各个细节给予充分的描述，事实上，人们需要的是更加智能化和人性化。

因此，要真正地实现智能导购，除了互联网之外，还要借助其他的信息技术来实现“物联应用”。智能手机的室内外定位技术的发展正好能很好地解决这些问题。室内外定位技术在智能导购方面大致有以下几方面的应用：

第一种是商家向用户推销用户可能喜欢的商品。由于每个人都有其日常活动的范围、路线，而且用户以前购买的商品应该记录在云端服务器上，例如用户以前所买衣服的风格、款式、尺寸都会有相应的记录。如果用户平时经常活动的范围、路线上的商家新到了该用户所喜欢的新款式衣服，那么这些商家就可以向该用户推荐这些商品，并引导用户前去购买或送货上门。

第二种是对正在购买一件商品的用户推荐其可能喜欢的商品。如果用户在一个大型商场逛了几家商铺后仍然没有买到自己心仪的商品，此时就可以利用智能手机的室内定位技术来获取用户需要购买的物品信息。仍以买衣服为例，当用户逛了几家卖衣服的商铺之后，根据精确的室内定位，可以获取用户要买衣服这个信息，并且根据其在各个商铺逗留的时间可以得到用户喜欢的风格、款式等信息，进而能够为用户提供相似款式的商铺位置信息，并综合智能手机的室内外定位技术给出合理的最优路线。这样就能够给用户带来便利，提高买到用户喜欢商品的概率。

然而，单纯地依靠智能手机的室内定位技术来获取用户所要购买物品的信息，还是比较被动的。如果物联网发展中最为广泛的主动信息反馈技术，即射频识别能够把物品本身变为一个信息者，就会比光靠智能手机的定位来获取物品信息来得更为高效与实用。

总而言之，智能手机的室内外定位技术还处于试验阶段，但是这种技术的成熟和推广，必将大大增加物联网服务于人的能力。然而，要想实现真正意义上的物联，并不是一个产品、一种技术的推出就可以成就的，它需要在行业、企业等各个环节之间做出不懈的努力与合作。

2.2 手机定位在车联网发展中发挥作用

在物联网发展过程中，一些市场需求较为旺盛、应用条件相对成熟的领域已经走在了前列，比如车联网、智能交通、智能医疗等。这其中，车联网被人们寄予了极大的希望，这一点从国家政策层面多次出台重大专项计划就可见一斑。车联网简而言之，就是通过无线识别等信息技术来实现对车辆动静态信息的提取和有效利用，并根据不同的功能需求对车辆的运行状态进行有效的监管和综合服务。通过这一定义不难看出，车联网的关键是实时提取车辆的动态信息，只有充分搜集了车辆信息，才能谈得上车辆监管以及出行路线建议和交通流量预测等综合服务。不过在现阶段，即便是北京、上海这样的大城市，也不能提供全路网的实时动态信息，其监测网络只部署到了主干道上，而除此之外的很多道路都不在监测范围之内。

道路信息采集不足会带来很多不便。比如，因为不能全面获悉信息而无法正确地预测交通流量，从而无法给人们出行提出合理建议，这使得车联网的重要功能之一，也就是缓解道路拥堵大打折扣。因此，我们看到，很多汽车信息服务提供的大多是出行导航、通信、娱乐等基本服务，或者紧急情况救援等特殊服务，而人们最需要的交通出行建议服务却不能有效提供。

目前的道路监测系统多由各地的交通管理局在固定地点布放，而单单依靠交通管理局的力量却非常有限，因此，要充分搜集车辆信息，还需要调动各方面的力量。

随着手机定位技术的发展，手机定位的精确度在不断提高。目前我国已经有9亿多移动用户，在驾驶员当中，手机普及率更高，基本可以说是人手一部，因此，不用人们添加任何装置，而只需通过基站对手机进行定位，就可以基本确定驾驶员所在车辆的大致位置信息。如果能够通过手机定位完善车辆信息系统，那么毫无疑问，运营商就能够提供更多的汽车信息服务，其在产业链上的价值地位也能进一步体现。当然，由于目前手机定位的精确度只能达到100多米的范围，因此，要准确监测车辆情况，还存在一定的难度，此外，如何在车辆移动过程中做到信息的及时更新，这对于现在的定位技术也是一个挑战。

3 结 语

随着3G手机网络功能的普及以及物联网技术的高速发展，智能手机作为一个全新的媒体形式，已经引起了人们的广泛关注。而物联网在多方面的物体识别、环境感知与无线通信等核心技术，无疑将使智能手机成为物联网时代的基础计算平台之一，智能手机与物联网的融合，也必将助推新商业模式的发展。

室内外定位作为智能手机的基础应用，可以提供相应人或物体的可靠的位置信息，同时在智能购物，交通管理等领域也必将发挥相当重要的作用。

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收稿日期：2012-02-01

基金项目：国家自然科学基金资助项目（60803152，61100075）；

ISN国家重点实验室开放基金（No. ISN-9-09）；

中央部委基本科研业务费（K50510230004）