實(shí)時(shí)GIS室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石坤，譚雙權(quán)

（西華大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院，成都 610039）

實(shí)時(shí)GIS室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石坤，譚雙權(quán)

（西華大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院，成都 610039）

隨著各類室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)的位置服務(wù)將成為未來(lái)的趨勢(shì)，同時(shí)大型室內(nèi)建筑也存在著電子地圖可視化功能不足的問題。為了適應(yīng)這種發(fā)展變化，在保證定位精度的情況下選擇較為經(jīng)濟(jì)的RFID技術(shù)進(jìn)行定位，并結(jié)合開源的WebGIS平臺(tái)按照Web三層體系架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套實(shí)時(shí)GIS室內(nèi)定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行有效的監(jiān)控。

室內(nèi)位置服務(wù)；射頻識(shí)別；網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)；二次開發(fā)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子地圖成為了人們出行時(shí)常用的工具，人們可以在其中進(jìn)行位置檢索以及查詢線路等操作。然而在大多數(shù)的情況下，受到定位技術(shù)的限制，電子地圖并不能提供室內(nèi)空間中的位置服務(wù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，人們?cè)谑覂?nèi)活動(dòng)的時(shí)間已經(jīng)占到了80%[1]，隨著RFID、Wi-Fi、藍(lán)牙等室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)的位置服務(wù)將成為未來(lái)的趨勢(shì)。室內(nèi)空間的定位技術(shù)有多種方式，根據(jù)定位所使用的定位設(shè)備的不同，應(yīng)用于室內(nèi)空間的定位技術(shù)可以分為無(wú)線局域網(wǎng)、射頻識(shí)別、ZigBee、紅外線、超聲波、近距離通訊、藍(lán)牙定位技術(shù)[2]等，如何選擇一種定位精度高且經(jīng)濟(jì)的方式是目前面臨的主要問題。另外，大量的大型室內(nèi)建筑也面臨著電子地圖可視化功能不足的問題。

針對(duì)上述問題，本文結(jié)合射頻識(shí)別（RFID）定位技術(shù)和開源的WebGIS平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套實(shí)時(shí)GIS室內(nèi)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Web的三層體系架構(gòu)分別設(shè)計(jì)了地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、地圖數(shù)據(jù)處理層和地圖符號(hào)展示層能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)RFID標(biāo)簽所綁定的目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控與跟蹤。

1 可行性分析與關(guān)鍵性技術(shù)

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種在無(wú)人情況下可以進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象識(shí)別的無(wú)線識(shí)別技術(shù)。通過目標(biāo)物體內(nèi)置的芯片標(biāo)簽，可以將信息連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，用以進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別、追蹤以及確認(rèn)目標(biāo)對(duì)象所處的狀態(tài)。RFID定位系統(tǒng)主要由RFID電子標(biāo)簽、天線、RFID讀寫器以及計(jì)算機(jī)等部分組成。RFID讀寫器既能夠通過天線發(fā)射無(wú)線載波信號(hào)，也能接收電子標(biāo)簽所發(fā)出的電磁信號(hào)，并將所接收到的信息接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)傳給控制中心。

網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)[3]（Web Geographic Information System，WebGIS）通過Internet對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)布，以達(dá)到空間數(shù)據(jù)的共享和互操作的目的，如GIS信息的在線查詢和業(yè)務(wù)處理等。WebGIS客戶端使用Web瀏覽器，如IE，F(xiàn)ireFox，Chrome。其本質(zhì)是一種瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)，服務(wù)器端向客戶端提供信息和服務(wù)，瀏覽器具有獲得各種空間信息和應(yīng)用的功能。

當(dāng)前主流的GIS軟件的開發(fā)方式是在商業(yè)的GIS軟件平臺(tái)之上進(jìn)行二次開發(fā)，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。但是商業(yè)GIS平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費(fèi)用高、功能固定、擴(kuò)展性較差，滿足不了中小型GIS應(yīng)用軟件的要求，而開源GIS軟件平臺(tái)經(jīng)過多年的發(fā)展逐步成熟，甚至一些產(chǎn)品在性能上能夠與商業(yè)GIS平臺(tái)相媲美，在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用也漸漸廣泛，而且其開源、免費(fèi)、可定制功能等特性有利于其與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行功能上的融合與擴(kuò)展。因此，實(shí)時(shí)GIS室內(nèi)定位系統(tǒng)可以使用開源的GIS平臺(tái)，目前的開源GIS軟件大多遵循開放地理空間信息聯(lián)盟所制定的規(guī)范。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)實(shí)時(shí)GIS定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照Web三層體系架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用開源的WebGIS解決方案。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、展示層，其系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

其中數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)是將室內(nèi)的CAD圖紙使用ESRI ArcGIS進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，并使用Udig清理無(wú)用的地圖元素之后得到的一系列ESRI Shapefile地圖數(shù)據(jù)源，也可以將其導(dǎo)入PostGis空間數(shù)據(jù)庫(kù)中。業(yè)務(wù)邏輯層主要處理定位數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)，通過GeoTools工具集可以將Shapefile數(shù)據(jù)源導(dǎo)入到Geoserver中，通過Geoserver可以將電子地圖通過WMS的方式發(fā)布出來(lái)同時(shí)RFID定位服務(wù)所得到的原始數(shù)據(jù)也在該層得到近似處理。展示層使用常用的Struts和AJAX引擎相結(jié)合的方式將業(yè)務(wù)邏輯層中的數(shù)據(jù)通過JSON的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸與存儲(chǔ)，同時(shí)采用開源的Openlayers進(jìn)行各類圖像符號(hào)與地圖的展示。

RFID定位服務(wù)需要使用到的數(shù)據(jù)主要有RFID電子標(biāo)簽、RFID近距離讀寫器、分別綁定的目標(biāo)對(duì)象，通常情況下，人員是移動(dòng)著的而物品是固定的，因此將人員與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行綁定而將物品與RFID讀寫器綁定。

射頻技術(shù)的發(fā)展使得單一頻段的讀卡器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的要求，本系統(tǒng)中如果只使用單一的低頻段的讀寫器，雖然單個(gè)讀寫器的成本低，但是考慮到室內(nèi)大面積范圍內(nèi)的精確定位，使得會(huì)需要布置多個(gè)點(diǎn)位的低頻讀寫器，反而使得成本升高；如果只使用單一的高頻段的讀寫器，雖然單個(gè)讀寫器的射頻識(shí)別距離提高了，需要的讀寫器少了，但是并不能達(dá)到精確定位的目的?？紤]到成本和定位的精確度，本系統(tǒng)的RFID讀寫器同時(shí)采用低頻與超高頻的兩種讀寫器，低頻段的讀寫器稱為喚醒源，因?yàn)樗淖R(shí)別標(biāo)簽的距離為其0.5～1m，當(dāng)目標(biāo)物品靠近時(shí)才會(huì)將其喚醒，實(shí)際上是向其發(fā)送信息，而超高頻段的為遠(yuǎn)距離被動(dòng)的以太網(wǎng)讀寫器，它主要負(fù)責(zé)接收4～6m內(nèi)所有喚醒源主動(dòng)對(duì)其發(fā)送自己所收集到的所有標(biāo)簽的信息。RFID標(biāo)簽的識(shí)別是整個(gè)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)也是最核心的部分，由于需要實(shí)時(shí)地對(duì)RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，因此需要每隔一段時(shí)間對(duì)RFID讀寫器所能識(shí)別的最大范圍內(nèi)的所有的RFID標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

定位服務(wù)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以形式化地表示為< tagID，readerID,time>的三元組，其中，通過readerID可以唯一確定喚醒源（低頻RFID讀寫器）的位置既它在地圖底圖上的x,y坐標(biāo)，因?yàn)檫@是布置設(shè)備時(shí)就確定的，如果其的狀態(tài)是“已用”的，則將其識(shí)別出的標(biāo)簽在底圖上描繪出來(lái)，由于受到溫度、濕度、電磁場(chǎng)周圍環(huán)境等的因素，其精度在0.8～1.2m。布置點(diǎn)位時(shí)考慮到硬件的客觀條件，因此在以喚醒源為圓心，半徑為1.5m的范圍內(nèi)只布置一個(gè)喚醒源，保證一個(gè)標(biāo)簽只能被一個(gè)喚醒源所識(shí)別，所以描繪標(biāo)簽時(shí)就隨機(jī)的在底圖上以喚醒源（x,y）為圓心，按長(zhǎng)度1.5m經(jīng)比例尺換算過后的為半徑的圓內(nèi)隨機(jī)描繪識(shí)別出的標(biāo)簽。

地圖使用開源的gis服務(wù)器geoserver進(jìn)行發(fā)布，發(fā)布方式為WMS（Web Mapping Service），由于底圖是由多個(gè)圖層所構(gòu)成的，因此發(fā)布出來(lái)的是一個(gè)圖層組，而不是單個(gè)圖層。Shapfile數(shù)據(jù)源由多個(gè)*.shp文件組成，每個(gè)文件代表一個(gè)圖層，各個(gè)圖層又分別對(duì)應(yīng)一個(gè)*.sld的樣式文件。圖層組發(fā)布的一般步驟為：1、新建工作區(qū)2、新建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3、應(yīng)用樣式文件4、填寫對(duì)應(yīng)的地理參考坐標(biāo)系并計(jì)算邊界5、發(fā)布圖層6、新建圖層組，加入所需圖層7、發(fā)布圖層組。圖層組中的每個(gè)圖層的參考坐標(biāo)系都應(yīng)該一致，否則發(fā)布出來(lái)的底圖會(huì)顯示不正常。

射頻識(shí)別模塊使用C#進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2008，配置好RFID相關(guān)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境后，點(diǎn)擊開始，識(shí)別結(jié)果如圖2所示。

WebGIS模塊使用AJAX引擎和Struts框架，定期地從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)，并用JSON的數(shù)據(jù)格式傳遞給前臺(tái)頁(yè)面，前臺(tái)頁(yè)面再使用Openlayers在底圖上進(jìn)行標(biāo)簽的描繪[4]從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的人員監(jiān)控功能，同時(shí)喚醒源也是與相對(duì)應(yīng)的物品綁定的因此也可以進(jìn)行相應(yīng)的物品的定位功能。圖3展示了人員與物品定位的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合射頻識(shí)別（RFID）定位技術(shù)和開源的WebGIS平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)GIS室內(nèi)定位系統(tǒng)，系統(tǒng)分為兩個(gè)主要模塊，采用三層體系架構(gòu)設(shè)計(jì)。其中射頻識(shí)別模塊負(fù)責(zé)定位數(shù)據(jù)的收集與處理，We-bGIS平臺(tái)負(fù)責(zé)地圖的可視化展示，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控與跟蹤，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖2 標(biāo)簽識(shí)別過程

圖3 人員物品實(shí)時(shí)監(jiān)控

[1]黃川林.室內(nèi)移動(dòng)對(duì)象軌跡分析研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2014.

[2]徐渠.基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué),2013.

[3]何振芳,張耀南.WebGIS與Mashup在黑河流域信息化平臺(tái)構(gòu)建中的應(yīng)用[J].地球環(huán)境學(xué)報(bào),2014(1):42-48.

[4]STEFANAKIS E.Introducing Map Mashups in Primary School[C].Proceedings of the 6th International Conference on Geographic Information Science(Giscience 2010).Zurich,2010:14-17.

作者簡(jiǎn)介：

石坤（1991-），男，四川南充人，碩士研究生，研究方向?yàn)榉植际接?jì)算、智能信息處理

譚雙權(quán)（1991-），男，四川南充人，碩士研究生，研究方向密碼學(xué)、代數(shù)學(xué)

Design and Implementation of Real-Time Indoor Location System

SHI Kun，TAN Shuang-quan

（College of Computer and Software Engineering,Xihua University,Chengdu 610039）

With the development of all kinds of indoor locating technology,indoor location service will become the trend of the future and some large indoor constructions also exists the disadvantages of electronic map visualization function.In order to adapt to the trend,on the premise of no loss positioning accuracy,chooses more economic locating way by RFID technology,and combined with free web geographic informa-tion system platform implements a real-time indoor location system according to the three layer architecture of web design.The system can monitor the target object in real-time effectively.

Indoor Location Services;RFID;Web Geographic Information System;Redevelop

1007-1423（2016）08-0081-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.08.017

2016-03-01

2016-03-11