基于無線網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)及校園LBS平臺設(shè)計研究

胡智鋒

摘要：隨著移動終端和校園無線網(wǎng)絡(luò)的普及，用戶對隨時隨地獲取服務(wù)信息的需求越來越迫切，針對無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已成為教育信息化建設(shè)的新方向和新趨勢，利用校園無線網(wǎng)絡(luò)、移動終端結(jié)合信息系統(tǒng)提供情景感知和基于位置的服務(wù)，是當(dāng)前構(gòu)建智慧校園的主要研究方向。

關(guān)鍵詞：LBS；基于位置服務(wù)；無線定位

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）07-0036-02

Research on Localization Technology Based on Wireless Network and the Design of LBS Platform in Campus

HU Zhi-feng

（Wuhan Business School， Wuhan 430056， China）

Abstract： with the popularity of mobile terminal and wireless campus network， users anytime， anywhere to get information service demand is more and more urgent， for the application of wireless network has become a new direction and a new trend of education informatization construction， the use of campus wireless network， mobile terminal with information systems provide context aware and location based services， is the current construction of the main research direction of the wisdom of the campus.

Key words： LBS； location based service； wireless location

2016年2月1日 《2015年中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展報告》在北京發(fā)布，報告深度呈現(xiàn)了2015年中國互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀。報告顯示，在2013年以來，移動端訪問上升明顯，移動互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)開始成為網(wǎng)民上網(wǎng)的主要選擇，在智能手機(jī)的快速普及下，移動端各類應(yīng)用迅速發(fā)展，使得移動端不僅僅是流量入口，更開始衍生成為消費入口，與此同時，PC端的訪問量逐漸下降，移動互聯(lián)網(wǎng)的大潮已經(jīng)來臨。

同時，我國教育信息化建設(shè)也正在快速的發(fā)展，當(dāng)前高校信息化建設(shè)已普遍進(jìn)入智慧校園階段，基于PC瀏覽器的信息系統(tǒng)已不能很好地滿足用戶的需求，而以基于LBS的校園信息服務(wù)系統(tǒng)能很好地滿足這一需求，基于無線網(wǎng)絡(luò)和移動終端提供個性化服務(wù)是當(dāng)前構(gòu)建智慧校園的主要研究方向。

1 無線定位技術(shù)

目前無線終端的定位方式一般可使用WiFi定位、基站定位、GPS和A-GPS幾種。Wifi精準(zhǔn)定位是通過無線保真（wi-fi）技術(shù)，實現(xiàn)對人或物體的精細(xì)準(zhǔn)確定位，定位時間一般在1秒以內(nèi)，定位精度3至5米；GPS定位就是用“全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）進(jìn)行定位，GPS定位主要應(yīng)用于室外比較空曠的環(huán)境，定位時間3分鐘以內(nèi)，定位精度3至10米；基站定位一般應(yīng)用于手機(jī)用戶，它是通過運營商的網(wǎng)絡(luò)（如GSM網(wǎng)等）獲取移動終端用戶的位置信息，定位時間10秒以內(nèi)，定位精度150至200米；A-GPS是在接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號的基礎(chǔ)上，還通過運營商的網(wǎng)絡(luò)來獲取位置信息，A-GPS定位的時間20秒以內(nèi)，定位精度30米。

當(dāng)前多數(shù)高校已組建了自己的無線網(wǎng)絡(luò)，并具有較高的覆蓋率，無線網(wǎng)絡(luò)已成為校園網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。校園無線定位方式是利用校園無線接入點（Access Point，AP）和移動終端的信號交互實現(xiàn)對無線終端的精準(zhǔn)定位。WiFi設(shè)計的初衷并不是為了定位，但校園無線接入點定期發(fā)送的接收信號強(qiáng)度（RSS）信息為定位提供了可能性。WiFi定位可工作于室內(nèi)外等不同場合，便于實現(xiàn)無處不在的定位，僅需要現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)，使用成本低，WiFi信號受非視距（NLOS）影響小，定位速度快、精度高。目前基于WiFi的定位技術(shù)多數(shù)都利用了RSS， 其方法主要分成三角測量法和位置指紋識別 （fingerprinting）算法兩類。

1）三角測量法利用移動終端到至少三個已知AP之間的距離信息測量目標(biāo)位置。移動終端接收來自三個不同已知位置AP的RSS， 通過無線信號的傳輸損耗模型將其轉(zhuǎn)換成待測目標(biāo)到相應(yīng)AP的距離。然后使用三角形算法計算移動終端的位置。

2）位置指紋識別通過比較定位所需的信號特征指紋信息獲取目標(biāo)位置。與生物指紋識別類似，位置指紋識別依靠表征目標(biāo)特征的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行識別，其定位過程主要分為離線采樣階段與在線定位兩個階段。

離線采樣階段目標(biāo)在于建立一個位置指紋識別數(shù)據(jù)庫。首先， 選擇合理的參考點分布，確保能為定位階段的準(zhǔn)確位置估計提供足夠的信息。接著依次在各個參考點上測量來自不同AP的RSS值，將相應(yīng)的MAC地址與參考點的位置信息記錄在數(shù)據(jù)庫中，直至遍歷關(guān)注區(qū)域內(nèi)所有的參考點。由于受環(huán)境影響，無線信號強(qiáng)度并不穩(wěn)定，為了克服RSS不穩(wěn)定對定位的影響，通常在每個參考點上多次測量取平均。在線定位階段，給定數(shù)據(jù)庫后，依據(jù)一定的匹配算法將移動終端上接收的RSS與數(shù)據(jù)庫中的已有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計算位置估計值。常用的匹配算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、KNN、最近鄰法（NN）等。

隨著無線定位技術(shù)的成熟和無線終端的普及，用戶對隨時隨地獲取信息服務(wù)的要求也越來越迫切，目前高校校園基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，使校園LBS的實現(xiàn)成為可能。

2 校園LBS平臺設(shè)計

LBS（Location Based Service，基于位置服務(wù)）是指通過無線電通訊網(wǎng)絡(luò)或外部（GPS）定位方式，獲取移動終端用戶的位置信息，在GIS平臺的支持下，為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。

校園LBS是指借助校園無線通信網(wǎng)絡(luò)，搭建校園位置信息管理服務(wù)平臺，通過定位、導(dǎo)航、查詢和索引等技術(shù)，以可視化地圖的形式，將各類相關(guān)的信息和服務(wù)組織起來，為用戶提供精準(zhǔn)的信息推送，實現(xiàn)對全校師生的智能化的信息服務(wù)。

2.1 校園LBS功能結(jié)構(gòu)

校園LBS服務(wù)核心由三部分組成：無線定位服務(wù)、指紋數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測。其功能結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

構(gòu)建校園LBS的功能是通過網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測、指紋數(shù)據(jù)庫與無線定位服務(wù)獲取移動終端的位置信息，然后根據(jù)其位置信息來獲取服務(wù)器端提供的各類服務(wù)。

校園無線網(wǎng)絡(luò)WiFi接入點是通過無線交換機(jī)等無線網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的控制與管理，無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)AP狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取與狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的匯總。移動終端的主要作用是利用WiFi或GPS定位獲取移動終端當(dāng)前的地理位置，并完成移動終端與服務(wù)器端之間的通信，然后根據(jù)用戶要求呈現(xiàn)相應(yīng)的信息。服務(wù)器端的主要作用是接收各移動終端所發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)分析與挖掘，然后根據(jù)用戶要求進(jìn)行展現(xiàn)。

2.2 校園LBS平臺技術(shù)特點和要求

1）基于802.11b/g/n/ac標(biāo)準(zhǔn)，利用現(xiàn)有Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)， WIFI信號覆蓋范圍廣且不需要增加額外硬件設(shè)施，通過合理的部署WIFI可徹底消除信號盲區(qū)。要求對打開WiFi的智能終端（關(guān)聯(lián)和非關(guān)聯(lián)）進(jìn)行定位，定位精度按照AP的部署密度決定，一般在校園85%的面積不超過10米；終端位置計算速度不低于5000個/秒；終端上報位置信息的頻率間隔不能超過5秒；每秒推送的實時定位數(shù)據(jù)性能不低于50個/秒。

2）采樣無線指紋定位算法，室內(nèi)定位精度2至3米，室外定位精度5至10米。

3）高性能定位搜索引擎，定位響應(yīng)時間小于5秒；

4）開放式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于定制化開發(fā)，靈活的整合第三方應(yīng)用。

5）校園地圖分2 D的、3 D和2.5 D樓宇內(nèi)分層展示，地圖可放大、縮小。可實現(xiàn)校園內(nèi)的WiFi定位導(dǎo)航；實現(xiàn)個體全軌跡記錄；校園整體軌跡熱圖；可設(shè)定電子圍欄，精確統(tǒng)計分析進(jìn)出圍欄范圍內(nèi)的人數(shù)和個體樣本；設(shè)定特定區(qū)域內(nèi)的人員聚集告警。

6）實現(xiàn)根據(jù)校園內(nèi)部賬號系統(tǒng)進(jìn)行位置的查詢和分析；與校園其他內(nèi)部系統(tǒng)（OA、一卡通、智能圖書館等）對接，實現(xiàn)和位置信息的關(guān)聯(lián)統(tǒng)計分析；可通過app或微信展示與交互。

2.3 校園LBS平臺系統(tǒng)功能設(shè)計

校園LBS服務(wù)類型可以分為四個模塊：基于校園地圖的位置信息查詢（導(dǎo)航）服務(wù)模塊、基于定位的信息推送服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)分析和挖掘服務(wù)模塊、系統(tǒng)管理模塊。提供例如校園地圖、電子圍欄、考勤、時間統(tǒng)計、預(yù)警報警、通知廣播、路線導(dǎo)航、設(shè)備設(shè)施利用率等個性化的服務(wù)。系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

1）定位信息：該服務(wù)是整個平臺的核心，地圖服務(wù)可選用數(shù)字地圖服務(wù)提供商（百度或高德等）提供的公共地圖接口獲得相應(yīng)的地圖服務(wù)，再結(jié)合地圖公共接口進(jìn)行二次開發(fā)，在地圖上實現(xiàn)地圖導(dǎo)航、實時追蹤、軌跡查詢、位置熱圖、電子圍欄等功能。

根據(jù)定位信息還可以實現(xiàn)上課點名簽到等課堂管理功能，實現(xiàn)對學(xué)生的自動點名，教師通過智能終端應(yīng)用查到按時上課學(xué)生人數(shù)、遲到人數(shù)、早退人數(shù)、缺席人數(shù)等信息。

2）信息查詢與推送：用戶在終端上查詢課程信息，包括課程內(nèi)容、授課老師、上課時間、上課地點，并在地圖上高亮展示教室地址。同時，可以定制自己關(guān)心等信息，服務(wù)器端跟進(jìn)用戶需求將相關(guān)內(nèi)容按要求推送給用戶。

3）數(shù)據(jù)分析與挖掘：可以按預(yù)設(shè)端條件實現(xiàn)告警，當(dāng)出現(xiàn)電子告警時按不同的告警類型給相關(guān)管理人員及事故區(qū)域附近人員進(jìn)行發(fā)送警告信息。

通過數(shù)據(jù)分析可以生成統(tǒng)計報告，統(tǒng)計報告可以按日、周、月、年進(jìn)行匯總，統(tǒng)計在校人員人數(shù)，停留時間，告警分析等各類信息。

數(shù)據(jù)挖掘功能可以通過建立數(shù)據(jù)庫庫，對用戶各類信息進(jìn)行分析挖掘，例如通過對用戶軌跡等數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，可以實現(xiàn)對校內(nèi)人流量密度分布情況等統(tǒng)計分析并地圖上進(jìn)行展現(xiàn)，根據(jù)這些信息，管理人員可以制定更加科學(xué)合理的管理策略。

3 結(jié)束語

基于校園無線網(wǎng)絡(luò)的LBS平臺屬于智慧校園的一部分，整個系統(tǒng)從教育信息化發(fā)展的實際需要出發(fā)，將人與物等相關(guān)信息進(jìn)行整合以位置和地圖的方式呈現(xiàn)，為校園網(wǎng)用戶提供基于位置的信息服務(wù)，不但直觀、充分地反映了校園內(nèi)的教學(xué)、辦公場所的地理分布情況，也為師生以及管理者提供了實時、便利、動態(tài)的個性化信息服務(wù)?；贚BS的數(shù)字校園信息服務(wù)系統(tǒng)的建立，可以結(jié)合業(yè)務(wù)部門的管理職能，提高工作效率，可以為學(xué)校提供一個更加智能的服務(wù)體系，促進(jìn)學(xué)校各項工作的科學(xué)推進(jìn)與發(fā)展。

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