室內(nèi)三維GIS在智能家庭中的應(yīng)用

文/高文浩 高勝宏 余加兵

在高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，人們的工作和生活節(jié)奏不斷加快，家庭瑣事常常應(yīng)接不暇，特別隨著人口老齡化的發(fā)展，家庭智能管理顯得更為迫切，人們經(jīng)常忘記小物件的存放位置，忘記花草、家具、家電的日常維護(hù)，出門后擔(dān)心門窗及水電氣的安全?；谑覂?nèi)GIS的智能家庭管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)家庭管理的安全、高效和智能化。室內(nèi)GIS結(jié)合RFID的室內(nèi)定位功能可解決室內(nèi)物品的快速定位問題，GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭物品的快速分類管理，記錄展示日常維護(hù)數(shù)據(jù)，與物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的聯(lián)合應(yīng)用，使門窗、水電氣的安全狀態(tài)實(shí)現(xiàn)可視化。

圖1：智能家庭GIS系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

1 智能家庭GIS系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

本方案的硬件框架如圖1，由無源RFID標(biāo)簽，RFID讀寫器，智能傳感器，終端控制器組成，實(shí)現(xiàn)物品定位，安防狀態(tài)監(jiān)控功能。

系統(tǒng)的底層硬件部分是一套基于RFID讀寫器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其作用是獲取物品的位置信息。RFID讀寫器的布置數(shù)量和位置與房間結(jié)構(gòu)和面積大小相關(guān)。RFID讀寫器之間通過ZigBee協(xié)議自制組網(wǎng) ，每個(gè)讀寫器既能夠采集數(shù)據(jù)又能夠作為路由器參與組網(wǎng)與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。讀寫器采集到的數(shù)據(jù)都上送給終端控制器進(jìn)行綜合處理。讀寫器平時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，接收到終端控制器的查找命令后開始掃描工作，這樣既節(jié)能又減少輻射。

RFID標(biāo)簽采用無源標(biāo)簽，能方便安全地與監(jiān)測(cè)物品實(shí)現(xiàn)物理和信息上的綁定。RFID讀寫器能同時(shí)讀取多個(gè)標(biāo)簽信息。

智能傳感器也是通過ZigBee協(xié)議參與到系統(tǒng)的自制組網(wǎng)中，將安防狀態(tài)信息實(shí)時(shí)上送給終端控制器生成GIS終端調(diào)用的安防數(shù)據(jù)文件。

終端控制器是一套基于多核ARM 的嵌入式GIS 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)顯示和觸屏操作，終端控制器也可以將數(shù)據(jù)庫文件傳給臺(tái)式機(jī)或遠(yuǎn)程終端。終端控制器可以錄入物品的屬性參數(shù)，同時(shí)結(jié)合采集到的物品位置信息，實(shí)現(xiàn)物品位置、屬性參數(shù)的可視化。

圖2：智能家庭GIS系統(tǒng)軟件功能圖

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

1.1 定位查找功能

系統(tǒng)可基于語音、文字、圖片對(duì)指定的物品進(jìn)行查找，比如手機(jī)、眼鏡、鑰匙等不易看見的小物品，在顯示終端啟動(dòng)查找后，物品圖片模型便會(huì)顯示在GIS圖中相應(yīng)的房間區(qū)域。對(duì)指定房間區(qū)域啟動(dòng)查找后，顯示終端便會(huì)顯示出指定區(qū)域內(nèi)的所有跟蹤物品。

GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程：首先對(duì)房屋的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，利用CAD建立房間三維圖，并導(dǎo)入GIS系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成三維GIS圖；將跟蹤物品的屬性信息與RFID標(biāo)簽建立對(duì)應(yīng)關(guān)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(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)并錄入GIS 文件；RFID讀寫器采集到的物品位置信息經(jīng)控制終端計(jì)算后，存入終端數(shù)據(jù)庫，控制終端調(diào)用數(shù)據(jù)文件在GIS三維室內(nèi)空間圖的相應(yīng)區(qū)域顯示物品圖片模型。

1.2 安防監(jiān)控功能

對(duì)于家庭貴重物品、寵物等重點(diǎn)對(duì)象進(jìn)行定時(shí)位置掃描，及時(shí)監(jiān)控物品的狀態(tài)。通過傳感器對(duì)水電氣、門窗的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)安防監(jiān)控。

GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程：在GIS平臺(tái)上，先把需要重點(diǎn)監(jiān)控物品的屬性錄入數(shù)據(jù)庫，控制終端將數(shù)據(jù)庫中的物品列表下發(fā)給各RFID讀寫器，讀寫器會(huì)自動(dòng)定時(shí)掃描列表中物品所對(duì)應(yīng)的RFID標(biāo)簽，并及時(shí)上送位置信息，控制終端根據(jù)位置信息更新數(shù)據(jù)庫，適時(shí)調(diào)用并顯示在GIS三維空間圖中。

智能傳感器會(huì)實(shí)時(shí)將門窗、水電氣的狀態(tài)上送給終端控制器，終端控制器實(shí)時(shí)更新安防數(shù)據(jù)，并刷新GIS圖中各監(jiān)控點(diǎn)的安防狀態(tài)。

1.3 展示管理功能

對(duì)于書籍、服裝、鞋帽、箱包等物品，點(diǎn)擊相應(yīng)區(qū)域如書柜、鞋柜、衣柜等啟動(dòng)查找，控制終端便會(huì)展示出所需查找物品的圖片并顯示物品細(xì)分位置、品牌等自定義信息。

GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程，首先將需要查找的物品信息與對(duì)應(yīng)的RFID標(biāo)簽進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過控制終端的菜單錄入系統(tǒng)，形成完整的物品屬性數(shù)據(jù)庫?？刂平K端下發(fā)區(qū)域查找命令后，RFID讀寫器將區(qū)域的物品標(biāo)簽信息上送給終端，終端根據(jù)標(biāo)簽信息，調(diào)出物品屬性參數(shù)，并彈窗顯示在GIS三維圖上。

1.4 繳費(fèi)管理提醒功能

在控制終端中，點(diǎn)擊繳費(fèi)功能菜單后，家庭水電氣、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、有線電視、物業(yè)等繳費(fèi)項(xiàng)目將會(huì)逐條顯示。

GIS系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)：在GIS控制終端中，需要提前將繳費(fèi)項(xiàng)目、繳費(fèi)日期等數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫。選中三維GIS圖中的實(shí)物模型圖或直接點(diǎn)擊繳費(fèi)菜單后，控制終端將調(diào)用繳費(fèi)數(shù)據(jù)文件并彈窗顯示繳費(fèi)信息，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)到期提醒繳費(fèi)。

1.5 維護(hù)管理提醒功能

對(duì)家庭的花草施肥、地板保養(yǎng)、空調(diào)及油煙機(jī)清洗、煤氣灶熱水器的安全檢查、洗衣機(jī)潔凈維護(hù)等進(jìn)行記錄跟蹤，到期提醒。選中圖中的實(shí)物模型圖后，會(huì)自動(dòng)顯示相關(guān)的維護(hù)信息。

GIS系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn) ：將維護(hù)時(shí)間間隔、物品id、物品名稱等錄入數(shù)據(jù)庫。在界面中選定相應(yīng)的物品后，終端會(huì)調(diào)用關(guān)聯(lián)的維護(hù)信息數(shù)據(jù)文件，并彈窗顯示維護(hù)信息。系統(tǒng)也會(huì)定期提醒用戶需要護(hù)理的項(xiàng)目。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 室內(nèi)三維界面的創(chuàng)建

由人工測(cè)量或利用開發(fā)商的房屋設(shè)計(jì)圖獲取房間的空間結(jié)構(gòu)尺寸，用CAD制圖軟件編輯制作房屋空間圖，導(dǎo)入GIS系統(tǒng)，生成GIS系統(tǒng)能顯示的圖形，在圖形中標(biāo)定RFID讀寫器的相對(duì)位置，建立讀寫器室內(nèi)相對(duì)位置坐標(biāo)，以此為參考確定室內(nèi)監(jiān)控物品的位置。在創(chuàng)建室內(nèi)空間圖時(shí)，可同時(shí)創(chuàng)建室內(nèi)家具、物品的模型圖，并確定相對(duì)存放位置。

2.2 GIS 數(shù)據(jù)庫的建立

創(chuàng)建RFID讀寫器與物品位置的關(guān)系表、物品的屬性表、日常維護(hù)信息表、繳費(fèi)信息表，通過菜單錄入系統(tǒng)，生成可視化需要調(diào)用的數(shù)據(jù)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(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

2.3 位置計(jì)算模型的建立

終端控制器通過鄰近的幾個(gè)RFID讀寫器探測(cè)到的交叉區(qū)域來實(shí)現(xiàn)物品位置粗定位，進(jìn)一步通過多級(jí)連續(xù)調(diào)整讀寫器的發(fā)射功率，對(duì)物體位置進(jìn)行精確定位。室內(nèi)物品位置信息的最終確定，通過終端控制器的計(jì)算模型獲得。

2.4 無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的建立

讀寫器與標(biāo)簽之間實(shí)現(xiàn)RFID通信、讀寫器相互之間、讀寫器與控制終端之間、家用物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器與控制終端之間都通過ZigBee協(xié)議自制組網(wǎng)，終端控制器與家用路由器之間通過Wi-Fi通信，實(shí)現(xiàn)與家庭桌面系統(tǒng)、遠(yuǎn)程桌面終端、手持終端的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)方案將實(shí)用安全的RFID技術(shù)和室內(nèi)三維GIS結(jié)合，應(yīng)用于智能家庭的可視化。協(xié)助用戶對(duì)物品定位查找、對(duì)家庭的貴重物品定期掃描、對(duì)衣物等進(jìn)行分類管理和直觀展示、對(duì)門窗重點(diǎn)位置進(jìn)行安防監(jiān)控。本系統(tǒng)方案對(duì)商店、倉庫、大賣場(chǎng)、貨站等場(chǎng)所也有很好的實(shí)用價(jià)值。在未來智能家居的應(yīng)用中，可以將家電家具的智能控制功能納入GIS 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)集中可視化操控。