基于二維碼的實(shí)驗(yàn)儀器定位系統(tǒng)研究

李響 李英浩 趙桐 李春金 何東鋼

摘? 要：本文是利用二維碼定位來解決實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)儀器定位及存放的問題，充分利用二維碼的高儲(chǔ)存容量、高可靠性、高準(zhǔn)確度、高輸入效率等優(yōu)點(diǎn)。通過二維碼存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了基于二維碼的實(shí)驗(yàn)儀器定位系統(tǒng)，應(yīng)用MapInfo軟件進(jìn)行地圖的設(shè)計(jì)，并將搭建好的數(shù)據(jù)庫傳輸?shù)椒?wù)器，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位置顯示。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)極大的減少了實(shí)驗(yàn)儀器存放帶來的麻煩。

關(guān)鍵詞：二維碼定位;數(shù)據(jù)庫;服務(wù)器;MapInfo

中圖分類號(hào)：TP391.44;TP399-C2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）01-0168-04

Research on Positioning System of Experimental Instrument Based on

Two Dimensional Code

LI Xiang1，LI Yinghao1，ZHAO Tong2，LI Chunjin1，HE Donggang1

（1.School of Information Engineering，Dalian Ocean University，Dalian? 116023? China;

2.School of Information Science and Technology，Dalian Maritime University，Dalian? 116026，China）

Abstract：In this paper，two-dimensional code localization is used to solve the problem of locating and storing experimental instruments in the laboratory，making full use of the advantages of two-dimensional code，such as high storage capacity，high reliability，high accuracy and high input efficiency. The experimental instrument positioning system based on two-dimensional code is designed by storing data with two-dimensional code. MapInfo software is used to design the map，and the built database is transmitted to the server to realize accurate position display. Experiments show that the system greatly reduces the trouble caused by the storage of experimental instruments.

Keywords：two-dimensional code location;database;server;MapInfo

0? 引? 言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，基于位置的服務(wù)LBS被廣泛應(yīng)用，如在個(gè)人的定位導(dǎo)航、貨物物流跟蹤和車載導(dǎo)航等各個(gè)領(lǐng)域[1，2]。定位技術(shù)在現(xiàn)在來看非常普遍（如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS），且技術(shù)較為成熟，但室內(nèi)環(huán)境無法接收GPS的信號(hào)，這導(dǎo)致GPS定位技術(shù)在室內(nèi)導(dǎo)航方面仍存在較大的缺陷。例如各大高校的實(shí)驗(yàn)室地理位置信息復(fù)雜，導(dǎo)致人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)不能準(zhǔn)確獲得實(shí)驗(yàn)儀器的方位，增加了其做實(shí)驗(yàn)時(shí)的各種不便。如果可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行定位并精準(zhǔn)地獲取地理位置信息，同時(shí)提供準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)儀器導(dǎo)航，那么將會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來諸多的便利。

目前有三種常見的定位方法：鄰近信息法、場景分析法、幾何特征法。這三種方案衍生出了多種用于確定位置的技術(shù)，其中有射頻識(shí)別技術(shù)、紅外線技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、GPS技術(shù)等[3]，而這些方法都要使用輔助節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，加大了實(shí)驗(yàn)儀器定位的成本，并使得工序變得更加復(fù)雜?；诩t外線技術(shù)的室內(nèi)定位較基于二維碼的室內(nèi)定位，傳播距離短，不適合大范圍應(yīng)用;基于無線射頻識(shí)別技術(shù)的室內(nèi)定位較基于二維碼的室內(nèi)定位[4]，因RFID標(biāo)簽不提供信號(hào)強(qiáng)度信息，需進(jìn)行手工估計(jì)，而難度和誤差較大，且工序復(fù)雜;結(jié)合被動(dòng)RFID標(biāo)簽和WiFi RSSI信號(hào)的定位方法較基于二維碼的室內(nèi)定位[5，6]，因部署環(huán)境時(shí)需要安裝額外的RFID閱讀器[7]而成本提高，部署麻煩。相比之下本文基于二維碼的實(shí)驗(yàn)儀器定位是一種將電子地圖結(jié)合起來的直觀的定位模式，其能夠快速定位、提高效率，為人們提供一個(gè)最便捷有效的定位方法。

本文采用基于二維碼的方法研究實(shí)驗(yàn)儀器的定位，首先是由于二維碼的成本較低而且能夠存儲(chǔ)海量信息。其次是現(xiàn)代對(duì)于二維碼的應(yīng)用已經(jīng)非常普及，二維碼應(yīng)用技術(shù)較為成熟，這為二維碼在實(shí)驗(yàn)儀器定位的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的外部條件。最后，二維碼的部署樣式多種多樣，耳目一新的時(shí)代感為實(shí)驗(yàn)儀器定位注入了活力。

1? 基于二維碼的實(shí)驗(yàn)儀器定位系統(tǒng)的組成

基于二維碼的實(shí)驗(yàn)儀器定位系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊組成，如圖1所示。二維碼生成模塊，二維碼識(shí)別模塊，掃碼定位模塊，位置顯示模塊[8]。二維碼生成模塊是用于確定實(shí)驗(yàn)室儀器位置，建立數(shù)據(jù)庫，生成實(shí)驗(yàn)室儀器所對(duì)應(yīng)的唯一的二維碼，此二維碼中含有實(shí)驗(yàn)室儀器的相關(guān)信息。二維碼識(shí)別模塊是在確定實(shí)驗(yàn)室儀器的位置時(shí)，用智能手機(jī)掃描識(shí)別二維碼，讀取其識(shí)別實(shí)驗(yàn)儀器的相關(guān)信息。掃碼定位模塊：識(shí)別二維碼后獲取鏈接，并將其傳到服務(wù)器中;位置顯示模塊：用于確定實(shí)驗(yàn)室儀器位置，根據(jù)傳到服務(wù)器以及空間數(shù)據(jù)庫中的定位，反饋輸出實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)該所處的位置[9]。

2? 基于二維碼的實(shí)驗(yàn)儀器定位系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)首先使用筆記本電腦的應(yīng)用Microsoft提供的Windows操作系統(tǒng)搭建一個(gè)Web服務(wù)器，其次應(yīng)用MapInfo軟件地圖制作軟件，制作地理信息地圖[10]，然后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中的地圖信息數(shù)據(jù)，來建立定位地圖，最后將數(shù)據(jù)傳遞到服務(wù)器中，獲取鏈接，從而使定位顯示在智能手機(jī)端，系統(tǒng)的原理流程如圖2所示。

2.1? 位置信息數(shù)據(jù)庫建立

2.1.1? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

對(duì)于數(shù)據(jù)庫的建設(shè)需進(jìn)行全方位多層面的考慮，要對(duì)整體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序存儲(chǔ)，從而縮短存儲(chǔ)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間利用最大化，同時(shí)還要及時(shí)對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行維護(hù)等。由于這些條件之間相互制約，所以存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的選取應(yīng)綜合考慮其他條件，權(quán)衡利弊之后再做決定，以此制定兼容性較好的解決方案。

本文的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為[11，12]：

（1）物理數(shù)據(jù)。物理數(shù)據(jù)是構(gòu)成數(shù)據(jù)信息體系的最底層的邏輯，其可以對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修整處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和修改，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室儀器地理位置發(fā)生變化時(shí)，可以通過修改其物理數(shù)據(jù)來修正其位置。

（2）概念數(shù)據(jù)。概念模式是用戶直觀了解數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的窗口。概念數(shù)據(jù)是主要的框架結(jié)構(gòu)體系。從圖3數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)可以看出，它是數(shù)據(jù)庫框架的中樞，是對(duì)數(shù)據(jù)庫的邏輯表達(dá)，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的邏輯意義，標(biāo)明了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系，是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄的集合。它不包含物理情況的數(shù)據(jù)，只體現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中概念數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系。用管理員身份可對(duì)其進(jìn)行訪問使用。

（3）用戶數(shù)據(jù)。外模式是數(shù)據(jù)庫框架結(jié)構(gòu)體系的基本組成部分。外模式是可以讓用戶了解數(shù)據(jù)庫框架結(jié)構(gòu)的總視圖，每個(gè)用戶只能訪問其所對(duì)應(yīng)的外模式中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫中的其余數(shù)據(jù)對(duì)其不可見。外模式在數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用可以保證數(shù)據(jù)庫的安全性和穩(wěn)定性，防止數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)錯(cuò)誤或者被侵入。

2.1.2? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑

因存儲(chǔ)路徑與檢索直接相關(guān)，為便于檢索，建立數(shù)據(jù)庫時(shí)應(yīng)選擇合適的存儲(chǔ)路徑。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑大致有兩種：一是儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的文件中，二是直接儲(chǔ)存在操作系統(tǒng)上。這兩種存儲(chǔ)路徑各有其優(yōu)缺點(diǎn)，其優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

存儲(chǔ)路徑的選擇應(yīng)基于實(shí)際應(yīng)用的需要。本文的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)量不是很大，所以采用存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫的方式。本文所建立的數(shù)據(jù)庫是基于Excel的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)量小，管理方便。

2.1.3? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的選擇對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)十分關(guān)鍵。在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，我們應(yīng)該嚴(yán)格區(qū)分穩(wěn)定的數(shù)據(jù)區(qū)域和不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)區(qū)域，以及使用頻率高的存儲(chǔ)區(qū)域和使用頻率低的存儲(chǔ)區(qū)域，重視存儲(chǔ)的重要性。為了建設(shè)使用效率較高的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在建設(shè)過程中我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際建設(shè)需要和數(shù)據(jù)實(shí)際應(yīng)用的動(dòng)態(tài)情況來選擇合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置，從而建立一個(gè)穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)庫，為室內(nèi)定位打造一個(gè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)。

2.2? 地理信息位置確立

相比于其他地圖制作軟件，如ArcGIS，MapInfo軟件不僅可以滿足本系統(tǒng)的地圖制作需要，構(gòu)造體現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息（如溫度、濕度），還可體現(xiàn)地理坐標(biāo)，同時(shí)其還可以承載數(shù)據(jù)庫對(duì)外接口傳輸?shù)牡貓D信息。除此之外，MapInfo軟件還具有其獨(dú)特優(yōu)勢：強(qiáng)大的圖形表達(dá)、處理功能;實(shí)用的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫功能;靈活的數(shù)據(jù)查詢分析功能;多樣化的數(shù)據(jù)可視表達(dá)方式;功能強(qiáng)大的系統(tǒng)開發(fā)工具;方便靈活的圖形輸入輸出功能;支持多種硬件操作平臺(tái);快速、準(zhǔn)確的GPS連接能力。因此本系統(tǒng)采用MapInfo軟件制作地圖。

采用MapInfo軟件制作好地圖，將地圖放入數(shù)據(jù)庫中，把每一個(gè)二維碼的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)到數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的地理數(shù)據(jù)信息位置。之后通過掃描二維碼得到數(shù)據(jù)信息并將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器通過對(duì)信息解碼允許其訪問并通過接口連接到相對(duì)服務(wù)器中對(duì)應(yīng)信息的位置，最后通過調(diào)取其中的信息傳輸?shù)绞謾C(jī)移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)定位。

2.3? 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器數(shù)據(jù)傳遞

隨著智能機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用，移動(dòng)的訪問需求也越來越大，同時(shí)信息獲取方式也越來越多，小服務(wù)程序（Servlet）因其移動(dòng)便利性，穩(wěn)定性和易開發(fā)性，而在各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其可以讓訪問端與服務(wù)端進(jìn)行有效的交流并隨時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。其數(shù)據(jù)傳輸過程如圖4所示。

客戶端發(fā)送請(qǐng)求指令到服務(wù)器→服務(wù)器將請(qǐng)求信息發(fā)送到Servlet→Servlet生成響應(yīng)內(nèi)容并將內(nèi)容傳遞給服務(wù)器→服務(wù)器將響應(yīng)返回給客戶端。

3? 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與實(shí)際應(yīng)用

準(zhǔn)備工作完成后，進(jìn)行測試并得出結(jié)果便可完成檢驗(yàn)工作。具體操作步驟如下：首先，把二維碼固定在實(shí)驗(yàn)室門口處。打開智能手機(jī)，將服務(wù)器上線，地圖確認(rèn)完畢，網(wǎng)絡(luò)通信狀況良好;接著將手機(jī)掃碼功能打開，對(duì)準(zhǔn)二維碼（如圖5所示）;隨后，使用智能手機(jī)對(duì)二維碼進(jìn)行識(shí)別（如圖6所示）;識(shí)別后彈出相應(yīng)鏈接，點(diǎn)擊進(jìn)入（如圖7所示）。

最終得到對(duì)應(yīng)地理位置信息，成功實(shí)現(xiàn)位置坐標(biāo)標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器定位。（如圖8所示）。

對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器均進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果全部準(zhǔn)確正常?？紤]到光照等因素對(duì)室內(nèi)定位的影響，筆者又對(duì)黑暗條件下的定位情況進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不使用手機(jī)探照燈的情況下，定位依舊準(zhǔn)確正常。至此，筆者對(duì)本文研究的室內(nèi)定位系統(tǒng)的檢驗(yàn)完成，結(jié)果令人滿意。由于二維碼本身的材質(zhì)禁不住外部化學(xué)物品的侵蝕，所以當(dāng)其應(yīng)用于大型工廠廠房、醫(yī)院等場所時(shí)，會(huì)使維護(hù)管理變得更加復(fù)雜，但其應(yīng)用前景不會(huì)受其微小缺陷的影響。

4? 結(jié)? 論

本文利用二維碼的高儲(chǔ)存容量、高可靠性、高準(zhǔn)確度、高輸入效率等優(yōu)點(diǎn)，來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)了基于二維碼的實(shí)驗(yàn)儀器定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MapInfo軟件建立地圖，并通過服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的位置顯示。多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比顯示，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)有效快捷地定位，減少尋找實(shí)驗(yàn)室儀器時(shí)的麻煩，所以其應(yīng)用前景廣泛。

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