室內三維GIS在智能家庭中的應用

文/高文浩 高勝宏 余加兵

在高速發展的現代社會中，人們的工作和生活節奏不斷加快，家庭瑣事常常應接不暇，特別隨著人口老齡化的發展，家庭智能管理顯得更為迫切，人們經常忘記小物件的存放位置，忘記花草、家具、家電的日常維護，出門后擔心門窗及水電氣的安全。基于室內GIS的智能家庭管理系統可以實現家庭管理的安全、高效和智能化。室內GIS結合RFID的室內定位功能可解決室內物品的快速定位問題，GIS強大的數據管理功能可實現對家庭物品的快速分類管理，記錄展示日常維護數據，與物聯網智能傳感器的聯合應用，使門窗、水電氣的安全狀態實現可視化。

圖1：智能家庭GIS系統硬件架構圖

1 智能家庭GIS系統的總體設計方案

本方案的硬件框架如圖1，由無源RFID標簽，RFID讀寫器，智能傳感器，終端控制器組成，實現物品定位，安防狀態監控功能。

系統的底層硬件部分是一套基于RFID讀寫器的數據采集系統，其作用是獲取物品的位置信息。RFID讀寫器的布置數量和位置與房間結構和面積大小相關。RFID讀寫器之間通過ZigBee協議自制組網 ，每個讀寫器既能夠采集數據又能夠作為路由器參與組網與轉發數據。讀寫器采集到的數據都上送給終端控制器進行綜合處理。讀寫器平時處于待機狀態，接收到終端控制器的查找命令后開始掃描工作，這樣既節能又減少輻射。

RFID標簽采用無源標簽，能方便安全地與監測物品實現物理和信息上的綁定。RFID讀寫器能同時讀取多個標簽信息。

智能傳感器也是通過ZigBee協議參與到系統的自制組網中，將安防狀態信息實時上送給終端控制器生成GIS終端調用的安防數據文件。

終端控制器是一套基于多核ARM 的嵌入式GIS 系統，可實現顯示和觸屏操作，終端控制器也可以將數據庫文件傳給臺式機或遠程終端。終端控制器可以錄入物品的屬性參數，同時結合采集到的物品位置信息，實現物品位置、屬性參數的可視化。

圖2：智能家庭GIS系統軟件功能圖

本方案的應用軟件框架如圖2，由定位查找、展示管理、安防監控、秘書提醒等功能模塊組成。

1.1 定位查找功能

系統可基于語音、文字、圖片對指定的物品進行查找，比如手機、眼鏡、鑰匙等不易看見的小物品，在顯示終端啟動查找后，物品圖片模型便會顯示在GIS圖中相應的房間區域。對指定房間區域啟動查找后，顯示終端便會顯示出指定區域內的所有跟蹤物品。

GIS系統實現過程：首先對房屋的基礎數據進行測量，利用CAD建立房間三維圖，并導入GIS系統，轉換成三維GIS圖；將跟蹤物品的屬性信息與RFID標簽建立對應關系表并錄入GIS文件；將RFID讀寫器的位置信息與房間的尺寸數據建立關聯并錄入GIS 文件；RFID讀寫器采集到的物品位置信息經控制終端計算后，存入終端數據庫，控制終端調用數據文件在GIS三維室內空間圖的相應區域顯示物品圖片模型。

1.2 安防監控功能

對于家庭貴重物品、寵物等重點對象進行定時位置掃描，及時監控物品的狀態。通過傳感器對水電氣、門窗的狀態進行實時安防監控。

GIS系統實現過程：在GIS平臺上，先把需要重點監控物品的屬性錄入數據庫，控制終端將數據庫中的物品列表下發給各RFID讀寫器，讀寫器會自動定時掃描列表中物品所對應的RFID標簽，并及時上送位置信息，控制終端根據位置信息更新數據庫，適時調用并顯示在GIS三維空間圖中。

智能傳感器會實時將門窗、水電氣的狀態上送給終端控制器，終端控制器實時更新安防數據，并刷新GIS圖中各監控點的安防狀態。

1.3 展示管理功能

對于書籍、服裝、鞋帽、箱包等物品，點擊相應區域如書柜、鞋柜、衣柜等啟動查找，控制終端便會展示出所需查找物品的圖片并顯示物品細分位置、品牌等自定義信息。

GIS系統實現過程，首先將需要查找的物品信息與對應的RFID標簽進行關聯，通過控制終端的菜單錄入系統，形成完整的物品屬性數據庫。控制終端下發區域查找命令后，RFID讀寫器將區域的物品標簽信息上送給終端，終端根據標簽信息，調出物品屬性參數，并彈窗顯示在GIS三維圖上。

1.4 繳費管理提醒功能

在控制終端中，點擊繳費功能菜單后，家庭水電氣、手機、網絡、有線電視、物業等繳費項目將會逐條顯示。

GIS系統中的實現：在GIS控制終端中，需要提前將繳費項目、繳費日期等數據錄入數據庫。選中三維GIS圖中的實物模型圖或直接點擊繳費菜單后，控制終端將調用繳費數據文件并彈窗顯示繳費信息，系統也會自動計時到期提醒繳費。

1.5 維護管理提醒功能

對家庭的花草施肥、地板保養、空調及油煙機清洗、煤氣灶熱水器的安全檢查、洗衣機潔凈維護等進行記錄跟蹤，到期提醒。選中圖中的實物模型圖后，會自動顯示相關的維護信息。

GIS系統中的實現 ：將維護時間間隔、物品id、物品名稱等錄入數據庫。在界面中選定相應的物品后，終端會調用關聯的維護信息數據文件，并彈窗顯示維護信息。系統也會定期提醒用戶需要護理的項目。

2 關鍵技術

2.1 室內三維界面的創建

由人工測量或利用開發商的房屋設計圖獲取房間的空間結構尺寸，用CAD制圖軟件編輯制作房屋空間圖，導入GIS系統，生成GIS系統能顯示的圖形，在圖形中標定RFID讀寫器的相對位置，建立讀寫器室內相對位置坐標，以此為參考確定室內監控物品的位置。在創建室內空間圖時，可同時創建室內家具、物品的模型圖，并確定相對存放位置。

2.2 GIS 數據庫的建立

創建RFID讀寫器與物品位置的關系表、物品的屬性表、日常維護信息表、繳費信息表，通過菜單錄入系統，生成可視化需要調用的數據文件，另一方面通過RFID讀寫器采集到的位置信息和傳感器上送的安防信息生成相應的數據文件。

2.3 位置計算模型的建立

終端控制器通過鄰近的幾個RFID讀寫器探測到的交叉區域來實現物品位置粗定位，進一步通過多級連續調整讀寫器的發射功率，對物體位置進行精確定位。室內物品位置信息的最終確定，通過終端控制器的計算模型獲得。

2.4 無線數據通信網的建立

讀寫器與標簽之間實現RFID通信、讀寫器相互之間、讀寫器與控制終端之間、家用物聯網智能傳感器與控制終端之間都通過ZigBee協議自制組網，終端控制器與家用路由器之間通過Wi-Fi通信，實現與家庭桌面系統、遠程桌面終端、手持終端的遠程數據交互。

3 結語

本系統方案將實用安全的RFID技術和室內三維GIS結合，應用于智能家庭的可視化。協助用戶對物品定位查找、對家庭的貴重物品定期掃描、對衣物等進行分類管理和直觀展示、對門窗重點位置進行安防監控。本系統方案對商店、倉庫、大賣場、貨站等場所也有很好的實用價值。在未來智能家居的應用中，可以將家電家具的智能控制功能納入GIS 平臺，實現集中可視化操控。