室内三维GIS在智能家庭中的应用

文/高文浩 高胜宏 余加兵

在高速发展的现代社会中，人们的工作和生活节奏不断加快，家庭琐事常常应接不暇，特别随着人口老龄化的发展，家庭智能管理显得更为迫切，人们经常忘记小物件的存放位置，忘记花草、家具、家电的日常维护，出门后担心门窗及水电气的安全。基于室内GIS的智能家庭管理系统可以实现家庭管理的安全、高效和智能化。室内GIS结合RFID的室内定位功能可解决室内物品的快速定位问题，GIS强大的数据管理功能可实现对家庭物品的快速分类管理，记录展示日常维护数据，与物联网智能传感器的联合应用，使门窗、水电气的安全状态实现可视化。

图1：智能家庭GIS系统硬件架构图

1 智能家庭GIS系统的总体设计方案

本方案的硬件框架如图1，由无源RFID标签，RFID读写器，智能传感器，终端控制器组成，实现物品定位，安防状态监控功能。

系统的底层硬件部分是一套基于RFID读写器的数据采集系统，其作用是获取物品的位置信息。RFID读写器的布置数量和位置与房间结构和面积大小相关。RFID读写器之间通过ZigBee协议自制组网 ，每个读写器既能够采集数据又能够作为路由器参与组网与转发数据。读写器采集到的数据都上送给终端控制器进行综合处理。读写器平时处于待机状态，接收到终端控制器的查找命令后开始扫描工作，这样既节能又减少辐射。

RFID标签采用无源标签，能方便安全地与监测物品实现物理和信息上的绑定。RFID读写器能同时读取多个标签信息。

智能传感器也是通过ZigBee协议参与到系统的自制组网中，将安防状态信息实时上送给终端控制器生成GIS终端调用的安防数据文件。

终端控制器是一套基于多核ARM 的嵌入式GIS 系统，可实现显示和触屏操作，终端控制器也可以将数据库文件传给台式机或远程终端。终端控制器可以录入物品的属性参数，同时结合采集到的物品位置信息，实现物品位置、属性参数的可视化。

图2：智能家庭GIS系统软件功能图

本方案的应用软件框架如图2，由定位查找、展示管理、安防监控、秘书提醒等功能模块组成。

1.1 定位查找功能

系统可基于语音、文字、图片对指定的物品进行查找，比如手机、眼镜、钥匙等不易看见的小物品，在显示终端启动查找后，物品图片模型便会显示在GIS图中相应的房间区域。对指定房间区域启动查找后，显示终端便会显示出指定区域内的所有跟踪物品。

GIS系统实现过程：首先对房屋的基础数据进行测量，利用CAD建立房间三维图，并导入GIS系统，转换成三维GIS图；将跟踪物品的属性信息与RFID标签建立对应关系表并录入GIS文件；将RFID读写器的位置信息与房间的尺寸数据建立关联并录入GIS 文件；RFID读写器采集到的物品位置信息经控制终端计算后，存入终端数据库，控制终端调用数据文件在GIS三维室内空间图的相应区域显示物品图片模型。

1.2 安防监控功能

对于家庭贵重物品、宠物等重点对象进行定时位置扫描，及时监控物品的状态。通过传感器对水电气、门窗的状态进行实时安防监控。

GIS系统实现过程：在GIS平台上，先把需要重点监控物品的属性录入数据库，控制终端将数据库中的物品列表下发给各RFID读写器，读写器会自动定时扫描列表中物品所对应的RFID标签，并及时上送位置信息，控制终端根据位置信息更新数据库，适时调用并显示在GIS三维空间图中。

智能传感器会实时将门窗、水电气的状态上送给终端控制器，终端控制器实时更新安防数据，并刷新GIS图中各监控点的安防状态。

1.3 展示管理功能

对于书籍、服装、鞋帽、箱包等物品，点击相应区域如书柜、鞋柜、衣柜等启动查找，控制终端便会展示出所需查找物品的图片并显示物品细分位置、品牌等自定义信息。

GIS系统实现过程，首先将需要查找的物品信息与对应的RFID标签进行关联，通过控制终端的菜单录入系统，形成完整的物品属性数据库。控制终端下发区域查找命令后，RFID读写器将区域的物品标签信息上送给终端，终端根据标签信息，调出物品属性参数，并弹窗显示在GIS三维图上。

1.4 缴费管理提醒功能

在控制终端中，点击缴费功能菜单后，家庭水电气、手机、网络、有线电视、物业等缴费项目将会逐条显示。

GIS系统中的实现：在GIS控制终端中，需要提前将缴费项目、缴费日期等数据录入数据库。选中三维GIS图中的实物模型图或直接点击缴费菜单后，控制终端将调用缴费数据文件并弹窗显示缴费信息，系统也会自动计时到期提醒缴费。

1.5 维护管理提醒功能

对家庭的花草施肥、地板保养、空调及油烟机清洗、煤气灶热水器的安全检查、洗衣机洁净维护等进行记录跟踪，到期提醒。选中图中的实物模型图后，会自动显示相关的维护信息。

GIS系统中的实现 ：将维护时间间隔、物品id、物品名称等录入数据库。在界面中选定相应的物品后，终端会调用关联的维护信息数据文件，并弹窗显示维护信息。系统也会定期提醒用户需要护理的项目。

2 关键技术

2.1 室内三维界面的创建

由人工测量或利用开发商的房屋设计图获取房间的空间结构尺寸，用CAD制图软件编辑制作房屋空间图，导入GIS系统，生成GIS系统能显示的图形，在图形中标定RFID读写器的相对位置，建立读写器室内相对位置坐标，以此为参考确定室内监控物品的位置。在创建室内空间图时，可同时创建室内家具、物品的模型图，并确定相对存放位置。

2.2 GIS 数据库的建立

创建RFID读写器与物品位置的关系表、物品的属性表、日常维护信息表、缴费信息表，通过菜单录入系统，生成可视化需要调用的数据文件，另一方面通过RFID读写器采集到的位置信息和传感器上送的安防信息生成相应的数据文件。

2.3 位置计算模型的建立

终端控制器通过邻近的几个RFID读写器探测到的交叉区域来实现物品位置粗定位，进一步通过多级连续调整读写器的发射功率，对物体位置进行精确定位。室内物品位置信息的最终确定，通过终端控制器的计算模型获得。

2.4 无线数据通信网的建立

读写器与标签之间实现RFID通信、读写器相互之间、读写器与控制终端之间、家用物联网智能传感器与控制终端之间都通过ZigBee协议自制组网，终端控制器与家用路由器之间通过Wi-Fi通信，实现与家庭桌面系统、远程桌面终端、手持终端的远程数据交互。

3 结语

本系统方案将实用安全的RFID技术和室内三维GIS结合，应用于智能家庭的可视化。协助用户对物品定位查找、对家庭的贵重物品定期扫描、对衣物等进行分类管理和直观展示、对门窗重点位置进行安防监控。本系统方案对商店、仓库、大卖场、货站等场所也有很好的实用价值。在未来智能家居的应用中，可以将家电家具的智能控制功能纳入GIS 平台，实现集中可视化操控。