實時GIS室內定位系統的設計與實現

石坤，譚雙權

（西華大學計算機與軟件工程學院，成都 610039）

實時GIS室內定位系統的設計與實現

石坤，譚雙權

（西華大學計算機與軟件工程學院，成都 610039）

隨著各類室內定位技術的發展，室內的位置服務將成為未來的趨勢，同時大型室內建筑也存在著電子地圖可視化功能不足的問題。為了適應這種發展變化，在保證定位精度的情況下選擇較為經濟的RFID技術進行定位，并結合開源的WebGIS平臺按照Web三層體系架構設計實現一套實時GIS室內定位系統，能夠實時地對目標對象進行有效的監控。

室內位置服務；射頻識別；網絡地理信息系統；二次開發

0 引言

隨著計算機技術的發展，電子地圖成為了人們出行時常用的工具，人們可以在其中進行位置檢索以及查詢線路等操作。然而在大多數的情況下，受到定位技術的限制，電子地圖并不能提供室內空間中的位置服務。據統計表明，人們在室內活動的時間已經占到了80%[1]，隨著RFID、Wi-Fi、藍牙等室內定位技術的發展，室內的位置服務將成為未來的趨勢。室內空間的定位技術有多種方式，根據定位所使用的定位設備的不同，應用于室內空間的定位技術可以分為無線局域網、射頻識別、ZigBee、紅外線、超聲波、近距離通訊、藍牙定位技術[2]等，如何選擇一種定位精度高且經濟的方式是目前面臨的主要問題。另外，大量的大型室內建筑也面臨著電子地圖可視化功能不足的問題。

針對上述問題，本文結合射頻識別（RFID）定位技術和開源的WebGIS平臺設計并實現了一套實時GIS室內定位系統。該系統基于Web的三層體系架構分別設計了地圖數據存儲層、地圖數據處理層和地圖符號展示層能夠實時地對RFID標簽所綁定的目標對象進行監控與跟蹤。

1 可行性分析與關鍵性技術

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是一種在無人情況下可以進行目標對象識別的無線識別技術。通過目標物體內置的芯片標簽，可以將信息連接到計算機網絡中，用以進行目標的識別、追蹤以及確認目標對象所處的狀態。RFID定位系統主要由RFID電子標簽、天線、RFID讀寫器以及計算機等部分組成。RFID讀寫器既能夠通過天線發射無線載波信號，也能接收電子標簽所發出的電磁信號，并將所接收到的信息接入計算機網絡，通過網絡傳給控制中心。

網絡地理信息系統[3]（Web Geographic Information System，WebGIS）通過Internet對空間數據進行應用和發布，以達到空間數據的共享和互操作的目的，如GIS信息的在線查詢和業務處理等。WebGIS客戶端使用Web瀏覽器，如IE，FireFox，Chrome。其本質是一種瀏覽器/服務器（B/S）結構，服務器端向客戶端提供信息和服務，瀏覽器具有獲得各種空間信息和應用的功能。

當前主流的GIS軟件的開發方式是在商業的GIS軟件平臺之上進行二次開發，以滿足實際應用的需求。但是商業GIS平臺結構復雜、費用高、功能固定、擴展性較差，滿足不了中小型GIS應用軟件的要求，而開源GIS軟件平臺經過多年的發展逐步成熟，甚至一些產品在性能上能夠與商業GIS平臺相媲美，在實際項目中的應用也漸漸廣泛，而且其開源、免費、可定制功能等特性有利于其與其他信息系統進行功能上的融合與擴展。因此，實時GIS室內定位系統可以使用開源的GIS平臺，目前的開源GIS軟件大多遵循開放地理空間信息聯盟所制定的規范。

2 系統設計

整個實時GIS定位系統的設計按照Web三層體系架構進行設計，使用開源的WebGIS解決方案。系統分為數據層、業務邏輯層、展示層，其系統框架圖如圖1所示。

圖1 系統架構

其中數據層的數據是將室內的CAD圖紙使用ESRI ArcGIS進行格式轉化，并使用Udig清理無用的地圖元素之后得到的一系列ESRI Shapefile地圖數據源，也可以將其導入PostGis空間數據庫中。業務邏輯層主要處理定位數據和地圖數據，通過GeoTools工具集可以將Shapefile數據源導入到Geoserver中，通過Geoserver可以將電子地圖通過WMS的方式發布出來同時RFID定位服務所得到的原始數據也在該層得到近似處理。展示層使用常用的Struts和AJAX引擎相結合的方式將業務邏輯層中的數據通過JSON的數據格式進行傳輸與存儲，同時采用開源的Openlayers進行各類圖像符號與地圖的展示。

RFID定位服務需要使用到的數據主要有RFID電子標簽、RFID近距離讀寫器、分別綁定的目標對象，通常情況下，人員是移動著的而物品是固定的，因此將人員與RFID電子標簽進行綁定而將物品與RFID讀寫器綁定。

射頻技術的發展使得單一頻段的讀卡器已遠遠不能滿足實際系統的要求，本系統中如果只使用單一的低頻段的讀寫器，雖然單個讀寫器的成本低，但是考慮到室內大面積范圍內的精確定位，使得會需要布置多個點位的低頻讀寫器，反而使得成本升高；如果只使用單一的高頻段的讀寫器，雖然單個讀寫器的射頻識別距離提高了，需要的讀寫器少了，但是并不能達到精確定位的目的。考慮到成本和定位的精確度，本系統的RFID讀寫器同時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，因為它的識別標簽的距離為其0.5～1m，當目標物品靠近時才會將其喚醒，實際上是向其發送信息，而超高頻段的為遠距離被動的以太網讀寫器，它主要負責接收4～6m內所有喚醒源主動對其發送自己所收集到的所有標簽的信息。RFID標簽的識別是整個系統中最基礎也是最核心的部分，由于需要實時地對RFID電子標簽進行識別，因此需要每隔一段時間對RFID讀寫器所能識別的最大范圍內的所有的RFID標簽進行識別。

3 系統實現

定位服務所產生的數據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，因為這是布置設備時就確定的，如果其的狀態是“已用”的，則將其識別出的標簽在底圖上描繪出來，由于受到溫度、濕度、電磁場周圍環境等的因素，其精度在0.8～1.2m。布置點位時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的范圍內只布置一個喚醒源，保證一個標簽只能被一個喚醒源所識別，所以描繪標簽時就隨機的在底圖上以喚醒源（x,y）為圓心，按長度1.5m經比例尺換算過后的為半徑的圓內隨機描繪識別出的標簽。

地圖使用開源的gis服務器geoserver進行發布，發布方式為WMS（Web Mapping Service），由于底圖是由多個圖層所構成的，因此發布出來的是一個圖層組，而不是單個圖層。Shapfile數據源由多個*.shp文件組成，每個文件代表一個圖層，各個圖層又分別對應一個*.sld的樣式文件。圖層組發布的一般步驟為：1、新建工作區2、新建數據存儲3、應用樣式文件4、填寫對應的地理參考坐標系并計算邊界5、發布圖層6、新建圖層組，加入所需圖層7、發布圖層組。圖層組中的每個圖層的參考坐標系都應該一致，否則發布出來的底圖會顯示不正常。

射頻識別模塊使用C#進行程序設計，數據庫采用SQL Server 2008，配置好RFID相關設備和網絡環境后，點擊開始，識別結果如圖2所示。

WebGIS模塊使用AJAX引擎和Struts框架，定期地從數據庫中讀取數據，并用JSON的數據格式傳遞給前臺頁面，前臺頁面再使用Openlayers在底圖上進行標簽的描繪[4]從而實現了實時的人員監控功能，同時喚醒源也是與相對應的物品綁定的因此也可以進行相應的物品的定位功能。圖3展示了人員與物品定位的效果。

4 結語

本文結合射頻識別（RFID）定位技術和開源的WebGIS平臺設計并實現了一個實時GIS室內定位系統，系統分為兩個主要模塊，采用三層體系架構設計。其中射頻識別模塊負責定位數據的收集與處理，We-bGIS平臺負責地圖的可視化展示，系統能夠實時地對目標對象進行監控與跟蹤，具有一定的工程應用價值。

圖2 標簽識別過程

圖3 人員物品實時監控

[1]黃川林.室內移動對象軌跡分析研究[D].中國科學技術大學,2014.

[2]徐渠.基于RFID技術的室內定位系統研究與設計[D].南京理工大學,2013.

[3]何振芳,張耀南.WebGIS與Mashup在黑河流域信息化平臺構建中的應用[J].地球環境學報,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.

作者簡介：

石坤（1991-），男，四川南充人，碩士研究生，研究方向為分布式計算、智能信息處理

譚雙權（1991-），男，四川南充人，碩士研究生，研究方向密碼學、代數學

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