实时GIS室内定位系统的设计与实现

石坤，谭双权

（西华大学计算机与软件工程学院，成都 610039）

实时GIS室内定位系统的设计与实现

石坤，谭双权

（西华大学计算机与软件工程学院，成都 610039）

随着各类室内定位技术的发展，室内的位置服务将成为未来的趋势，同时大型室内建筑也存在着电子地图可视化功能不足的问题。为了适应这种发展变化，在保证定位精度的情况下选择较为经济的RFID技术进行定位，并结合开源的WebGIS平台按照Web三层体系架构设计实现一套实时GIS室内定位系统，能够实时地对目标对象进行有效的监控。

室内位置服务；射频识别；网络地理信息系统；二次开发

0 引言

随着计算机技术的发展，电子地图成为了人们出行时常用的工具，人们可以在其中进行位置检索以及查询线路等操作。然而在大多数的情况下，受到定位技术的限制，电子地图并不能提供室内空间中的位置服务。据统计表明，人们在室内活动的时间已经占到了80%[1]，随着RFID、Wi-Fi、蓝牙等室内定位技术的发展，室内的位置服务将成为未来的趋势。室内空间的定位技术有多种方式，根据定位所使用的定位设备的不同，应用于室内空间的定位技术可以分为无线局域网、射频识别、ZigBee、红外线、超声波、近距离通讯、蓝牙定位技术[2]等，如何选择一种定位精度高且经济的方式是目前面临的主要问题。另外，大量的大型室内建筑也面临着电子地图可视化功能不足的问题。

针对上述问题，本文结合射频识别（RFID）定位技术和开源的WebGIS平台设计并实现了一套实时GIS室内定位系统。该系统基于Web的三层体系架构分别设计了地图数据存储层、地图数据处理层和地图符号展示层能够实时地对RFID标签所绑定的目标对象进行监控与跟踪。

1 可行性分析与关键性技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种在无人情况下可以进行目标对象识别的无线识别技术。通过目标物体内置的芯片标签，可以将信息连接到计算机网络中，用以进行目标的识别、追踪以及确认目标对象所处的状态。RFID定位系统主要由RFID电子标签、天线、RFID读写器以及计算机等部分组成。RFID读写器既能够通过天线发射无线载波信号，也能接收电子标签所发出的电磁信号，并将所接收到的信息接入计算机网络，通过网络传给控制中心。

网络地理信息系统[3]（Web Geographic Information System，WebGIS）通过Internet对空间数据进行应用和发布，以达到空间数据的共享和互操作的目的，如GIS信息的在线查询和业务处理等。WebGIS客户端使用Web浏览器，如IE，FireFox，Chrome。其本质是一种浏览器/服务器（B/S）结构，服务器端向客户端提供信息和服务，浏览器具有获得各种空间信息和应用的功能。

当前主流的GIS软件的开发方式是在商业的GIS软件平台之上进行二次开发，以满足实际应用的需求。但是商业GIS平台结构复杂、费用高、功能固定、扩展性较差，满足不了中小型GIS应用软件的要求，而开源GIS软件平台经过多年的发展逐步成熟，甚至一些产品在性能上能够与商业GIS平台相媲美，在实际项目中的应用也渐渐广泛，而且其开源、免费、可定制功能等特性有利于其与其他信息系统进行功能上的融合与扩展。因此，实时GIS室内定位系统可以使用开源的GIS平台，目前的开源GIS软件大多遵循开放地理空间信息联盟所制定的规范。

2 系统设计

整个实时GIS定位系统的设计按照Web三层体系架构进行设计，使用开源的WebGIS解决方案。系统分为数据层、业务逻辑层、展示层，其系统框架图如图1所示。

图1 系统架构

其中数据层的数据是将室内的CAD图纸使用ESRI ArcGIS进行格式转化，并使用Udig清理无用的地图元素之后得到的一系列ESRI Shapefile地图数据源，也可以将其导入PostGis空间数据库中。业务逻辑层主要处理定位数据和地图数据，通过GeoTools工具集可以将Shapefile数据源导入到Geoserver中，通过Geoserver可以将电子地图通过WMS的方式发布出来同时RFID定位服务所得到的原始数据也在该层得到近似处理。展示层使用常用的Struts和AJAX引擎相结合的方式将业务逻辑层中的数据通过JSON的数据格式进行传输与存储，同时采用开源的Openlayers进行各类图像符号与地图的展示。

RFID定位服务需要使用到的数据主要有RFID电子标签、RFID近距离读写器、分别绑定的目标对象，通常情况下，人员是移动着的而物品是固定的，因此将人员与RFID电子标签进行绑定而将物品与RFID读写器绑定。

射频技术的发展使得单一频段的读卡器已远远不能满足实际系统的要求，本系统中如果只使用单一的低频段的读写器，虽然单个读写器的成本低，但是考虑到室内大面积范围内的精确定位，使得会需要布置多个点位的低频读写器，反而使得成本升高；如果只使用单一的高频段的读写器，虽然单个读写器的射频识别距离提高了，需要的读写器少了，但是并不能达到精确定位的目的。考虑到成本和定位的精确度，本系统的RFID读写器同时采用低频与超高频的两种读写器，低频段的读写器称为唤醒源，因为它的识别标签的距离为其0.5～1m，当目标物品靠近时才会将其唤醒，实际上是向其发送信息，而超高频段的为远距离被动的以太网读写器，它主要负责接收4～6m内所有唤醒源主动对其发送自己所收集到的所有标签的信息。RFID标签的识别是整个系统中最基础也是最核心的部分，由于需要实时地对RFID电子标签进行识别，因此需要每隔一段时间对RFID读写器所能识别的最大范围内的所有的RFID标签进行识别。

3 系统实现

定位服务所产生的数据可以形式化地表示为< tagID，readerID,time>的三元组，其中，通过readerID可以唯一确定唤醒源（低频RFID读写器）的位置既它在地图底图上的x,y坐标，因为这是布置设备时就确定的，如果其的状态是“已用”的，则将其识别出的标签在底图上描绘出来，由于受到温度、湿度、电磁场周围环境等的因素，其精度在0.8～1.2m。布置点位时考虑到硬件的客观条件，因此在以唤醒源为圆心，半径为1.5m的范围内只布置一个唤醒源，保证一个标签只能被一个唤醒源所识别，所以描绘标签时就随机的在底图上以唤醒源（x,y）为圆心，按长度1.5m经比例尺换算过后的为半径的圆内随机描绘识别出的标签。

地图使用开源的gis服务器geoserver进行发布，发布方式为WMS（Web Mapping Service），由于底图是由多个图层所构成的，因此发布出来的是一个图层组，而不是单个图层。Shapfile数据源由多个*.shp文件组成，每个文件代表一个图层，各个图层又分别对应一个*.sld的样式文件。图层组发布的一般步骤为：1、新建工作区2、新建数据存储3、应用样式文件4、填写对应的地理参考坐标系并计算边界5、发布图层6、新建图层组，加入所需图层7、发布图层组。图层组中的每个图层的参考坐标系都应该一致，否则发布出来的底图会显示不正常。

射频识别模块使用C#进行程序设计，数据库采用SQL Server 2008，配置好RFID相关设备和网络环境后，点击开始，识别结果如图2所示。

WebGIS模块使用AJAX引擎和Struts框架，定期地从数据库中读取数据，并用JSON的数据格式传递给前台页面，前台页面再使用Openlayers在底图上进行标签的描绘[4]从而实现了实时的人员监控功能，同时唤醒源也是与相对应的物品绑定的因此也可以进行相应的物品的定位功能。图3展示了人员与物品定位的效果。

4 结语

本文结合射频识别（RFID）定位技术和开源的WebGIS平台设计并实现了一个实时GIS室内定位系统，系统分为两个主要模块，采用三层体系架构设计。其中射频识别模块负责定位数据的收集与处理，We-bGIS平台负责地图的可视化展示，系统能够实时地对目标对象进行监控与跟踪，具有一定的工程应用价值。

图2 标签识别过程

图3 人员物品实时监控

[1]黄川林.室内移动对象轨迹分析研究[D].中国科学技术大学,2014.

[2]徐渠.基于RFID技术的室内定位系统研究与设计[D].南京理工大学,2013.

[3]何振芳,张耀南.WebGIS与Mashup在黑河流域信息化平台构建中的应用[J].地球环境学报,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.

作者简介：

石坤（1991-），男，四川南充人，硕士研究生，研究方向为分布式计算、智能信息处理

谭双权（1991-），男，四川南充人，硕士研究生，研究方向密码学、代数学

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