多信標(biāo)融合綜合定位系統(tǒng)后臺子系統(tǒng)

劉挺，方澤軍，黃昆達(dá)，杜小甫

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建漳州，363105）

0 引言

經(jīng)過多年發(fā)展，高精度室內(nèi)定位技術(shù)已經(jīng)比較成熟，目前進(jìn)入了技術(shù)落地的階段。室內(nèi)定位技術(shù)大多基于信號源，常見的信號源包括藍(lán)牙[1]，WiFi，超寬帶等。不用信號源的定位技術(shù)包括地磁、慣導(dǎo)和視覺定位[2]等。針對多信標(biāo)融合[3～4]的定位技術(shù)的研究，逐漸成為近年來的研究熱點(diǎn)。

首先本文論述了一套采用多信標(biāo)融合的、可應(yīng)用在不同應(yīng)用場景中的高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)。可以采用藍(lán)牙、WiFi、超寬帶等多種信標(biāo)作為定位信號源。其次，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三邊定位算法、最小二乘法、擴(kuò)展卡爾曼濾波等多種定位算法，并對算法進(jìn)行了一定的優(yōu)化。第三，本系統(tǒng)基于電信天翼云平臺實(shí)現(xiàn)，各種定位信標(biāo)數(shù)據(jù)上傳到云平臺，然后被后臺管理子系統(tǒng)抓取，再經(jīng)過定位算法解算，得到定位結(jié)果。最后，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了定位信息管理、在線三維地圖顯示等功能，其中在線三維地圖功能基于Three.js開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

本文提出的綜合定位系統(tǒng)是一套通用的室內(nèi)定位管理系統(tǒng)，其應(yīng)用場景廣闊。可以應(yīng)用在很多場合，例如：單位內(nèi)部定位導(dǎo)航、商場定位導(dǎo)航、大型停車場定位導(dǎo)航等場景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 綜合定位系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

“綜合定位系統(tǒng)”的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 綜合定位系統(tǒng)總體架構(gòu)

感知層：這一層是整個系統(tǒng)的最底層，也是物理層，即所有直接參與定位的終端設(shè)備。整體分為定位終端和定位信標(biāo)兩大類設(shè)備，其中定位終端是指待定位的設(shè)備，一般放置在待定位人員或物體上。定位終端又分為主動定位終端和被動定位終端，主動定位終端是指本身具有運(yùn)算能力，可以進(jìn)行定位解算顯示的設(shè)備，例如智能手機(jī)；被動定位終端則是不具有運(yùn)算能力，只負(fù)責(zé)接收發(fā)送信號，它的定位要在后臺服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。定位信標(biāo)，是指設(shè)置在固定位置，不斷發(fā)射信號的設(shè)備，他們的信號可以被定位終端接收并結(jié)算。利用不同定位信標(biāo)的信號和位置信息，可以計(jì)算得到待定位終端的位置信息。

傳輸層：是整個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通道，負(fù)責(zé)定位數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)傳輸，能夠連接感知層與服務(wù)層，實(shí)現(xiàn)雙向通信。一般包括4G、5G移動通信，LORA、ZigBee自組網(wǎng)通信，WiFi、藍(lán)牙局域網(wǎng)通信等技術(shù)。

服務(wù)層：這是整個系統(tǒng)核心層，主要包括系統(tǒng)云服務(wù)器和遠(yuǎn)程終端管理兩部分。系統(tǒng)云服務(wù)器包含相關(guān)軟硬件資源，本文論述的綜合定位系統(tǒng)后臺子系統(tǒng)就部署在云服務(wù)器上。遠(yuǎn)程終端則是任意一臺可以聯(lián)網(wǎng)的電腦，也包括智能手機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。

1.2 綜合定位系統(tǒng)后臺子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“綜合定位系統(tǒng)后臺子系統(tǒng)”是為“綜合定位系統(tǒng)”服務(wù)的后臺管理子系統(tǒng)，主要功能包括定位引擎和服務(wù)管理兩部分。后臺子系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 綜合定位系統(tǒng)后臺子系統(tǒng)架構(gòu)

其中定位引擎包括定位信息接入模塊和定位解算模塊兩部分。定位信息接入模塊主要負(fù)責(zé)與定位終端的通信，定位解算模塊負(fù)責(zé)對被動定位終端進(jìn)行定位解算。

服務(wù)管理包括服務(wù)數(shù)據(jù)管理、服務(wù)展示和服務(wù)支撐三模塊。數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)管理定位系統(tǒng)中所有涉及到的相關(guān)數(shù)據(jù)；服務(wù)展示模塊負(fù)責(zé)完成定位導(dǎo)航信息的實(shí)時顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)分析顯示等功能；服務(wù)支撐模塊負(fù)責(zé)對外界提供第三方服務(wù)接口，以利于第三方進(jìn)行二次開發(fā)。

在線三維地圖屬于服務(wù)展示模塊，同時也涉及到服務(wù)數(shù)據(jù)管理的功能。首先地圖繪制的數(shù)據(jù)由服務(wù)數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行管理，然后在網(wǎng)頁上繪制結(jié)果地圖時，又由服務(wù)展示模塊提供相應(yīng)的繪圖功能。

1.3 在線三維地圖繪制技術(shù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用基于瀏覽器的B/S結(jié)構(gòu)，因此最終定位結(jié)果都要在網(wǎng)頁中展示。本系統(tǒng)基于Three.js進(jìn)行了二次開發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在線三維地圖的繪制模塊。

目前比較通用的Web端3D繪圖技術(shù)為WebGL（全名Web Graphics Library），新版HTML5 中通過控件canvas，可以繪制3D模型。而Three.js是由一位名叫Mrdoob的西班牙籍程序員開發(fā)的一款的基于WebGL的，開源JavaScript的第三方插件庫。Three.js對WebGL提供的API進(jìn)行了二次封裝，使得開發(fā)者無需去書寫那些復(fù)雜冗余的代碼。通過使用three.js書寫一些簡單的代碼即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維圖像渲染。

使用Three.js以及可以比較方便的進(jìn)行在線3D圖像繪制，但是具體到我們的應(yīng)用場景中，還是有所欠缺。首先，Three.js本質(zhì)上是利用javascript進(jìn)行編程，并不支持?jǐn)?shù)據(jù)庫技術(shù)，因此不能進(jìn)行數(shù)據(jù)庫讀寫。其次，Three.js并沒有針對地圖繪制的優(yōu)化。考慮到這些缺點(diǎn)，我們對Three.js進(jìn)行再次開發(fā)，進(jìn)行進(jìn)一步封裝，開發(fā)出可以更方便進(jìn)行數(shù)據(jù)庫讀寫，并繪制3D地圖的javascript插件。

本文將系統(tǒng)分為五大模塊。分別是模型導(dǎo)入模塊，自適應(yīng)渲染模塊，性能監(jiān)視模塊，視角控制模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊這五大模塊。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)模塊

自適應(yīng)渲染模塊是核心，用于渲染生成在線3D圖像。性能監(jiān)視模塊可以顯示當(dāng)前渲染FPS值，用于性能監(jiān)控。視角控制模塊提供與用戶進(jìn)行交互的接口，用戶可以通過該模塊實(shí)現(xiàn)圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)、選擇、平移等功能，該模塊也是核心模塊之一。

模型導(dǎo)入模塊負(fù)責(zé)導(dǎo)入外部模型，與自適應(yīng)渲染模塊搭配使用。目前我們開發(fā)的版本支持的模型包括STL、PLY、OBJ三種模型文件。數(shù)據(jù)存儲模塊負(fù)責(zé)將模型數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，并提供讀取功能。方便模型數(shù)據(jù)長期保持，以及共享。

2 技術(shù)選型

本系統(tǒng)為綜合定位系統(tǒng)的后臺子系統(tǒng)，并沒有考慮具體的應(yīng)用場景。因此所選技術(shù)遵循成熟、夠用原則，并不會過渡追求性能。開發(fā)語言選用JAVA，主要是考慮到后臺定位解算算法的要求。采用J2EE企業(yè)級開發(fā)組件進(jìn)行網(wǎng)站開發(fā)，配合Spring+SpringMVC+MyBatis框架使用。后臺數(shù)據(jù)庫選擇MySQL數(shù)據(jù)庫，Centos 7 操作系統(tǒng)，Apache+Tomcat網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，搭建完整的私有云環(huán)境進(jìn)行開發(fā)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成，如圖4所示，是后臺管理子系統(tǒng)的主頁。信息管理內(nèi)容包括：定位單位、區(qū)域、信標(biāo)、終端、結(jié)果等管理，也實(shí)現(xiàn)了不同權(quán)限用戶的管理。最后在“定位信息可視化”模塊中實(shí)現(xiàn)定位結(jié)果在3D地圖中的顯示。

圖4 后臺子系統(tǒng)主界面

如圖5所示，是3D地圖繪制后的效果圖。

圖5 3D地圖繪制效果圖

4 總結(jié)

本文開發(fā)了一套多信標(biāo)融合綜合定位系統(tǒng)的后臺子系統(tǒng)，基于電信天翼云進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，基于Three.js進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了在線3D地圖繪制。該系統(tǒng)驗(yàn)證了多信標(biāo)融合綜合定位系統(tǒng)的開發(fā)可行性，證明其具有開發(fā)難度低，功能強(qiáng)大，性能優(yōu)秀等優(yōu)勢。未來的工作中，我們將基于這個后臺系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)指紋算法、基于深度學(xué)習(xí)的視覺定位算法等。