基于无线网络的定位技术及校园LBS平台设计研究
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摘要：随着移动终端和校园无线网络的普及，用户对随时随地获取服务信息的需求越来越迫切，针对无线网络的应用已成为教育信息化建设的新方向和新趋势，利用校园无线网络、移动终端结合信息系统提供情景感知和基于位置的服务，是当前构建智慧校园的主要研究方向。
关键词：LBS；基于位置服务；无线定位
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：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年中国互联网发展报告》在北京，报告深度呈现了2015年中国互联网的发展现状。报告显示，在2013年以来，移动端访问上升明显，移动互联网已经开始成为网民上网的主要选择，在智能手机的快速普及下，移动端各类应用迅速发展，使得移动端不仅仅是流量入口，更开始衍生成为消费入口，与此同时，PC端的访问量逐渐下降，移动互联网的大潮已经来临。
同时，我国教育信息化建设也正在快速的发展，当前高校信息化建设已普遍进入智慧校园阶段，基于PC浏览器的信息系统已不能很好地满足用户的需求，而以基于LBS的校园信息服务系统能很好地满足这一需求，基于无线网络和移动终端提供个性化服务是当前构建智慧校园的主要研究方向。
目前无线终端的定位方式一般可使用WiFi定位、基站定位、GPS和A-GPS几种。Wifi精准定位是通过无线保真（wi-fi）技术，实现对人或物体的精细准确定位，定位时间一般在1秒以内，定位精度3至5米；GPS定位就是用“全球卫星定位系统（GPS）进行定位，GPS定位主要应用于室外比较空旷的环境，定位时间3分钟以内，定位精度3至10米；基站定位一般应用于手机用户，它是通过运营商的网络（如GSM网等）获取移动终端用户的位置信息，定位时间10秒以内，定位精度150至200米；A-GPS是在接收导航卫星信号的基础上，还通过运营商的网络来获取位置信息，A-GPS定位的时间20秒以内，定位精度30米。
当前多数高校已组建了自己的无线网络，并具有较高的覆盖率，无线网络已成为校园网络的重要组成部分。校园无线定位方式是利用校园无线接入点（Access Point，AP）和移动终端的信号交互实现对无线终端的精准定位。WiFi设计的初衷并不是为了定位，但校园无线接入点定期发送的接收信号强度（RSS）信息为定位提供了可能性。WiFi定位可工作于室内外等不同场合，便于实现无处不在的定位，仅需要现有的WiFi网络，使用成本低，WiFi信号受非视距（NLOS）影响小，定位速度快、精度高。目前基于WiFi的定位技术多数都利用了RSS， 其方法主要分成三角测量法和位置指纹识别 （fingerprinting）算法两类。
1）三角测量法利用移动终端到至少三个已知AP之间的距离信息测量目标位置。移动终端接收来自三个不同已知位置AP的RSS， 通过无线信号的传输损耗模型将其转换成待测目标到相应AP的距离。然后使用三角形算法计算移动终端的位置。
2）位置指纹识别通过比较定位所需的信号特征指纹信息获取目标位置。与生物指纹识别类似，位置指纹识别依靠表征目标特征的数据库进行识别，其定位过程主要分为离线采样阶段与在线定位两个阶段。
离线采样阶段目标在于建立一个位置指纹识别数据库。首先， 选择合理的参考点分布，确保能为定位阶段的准确位置估计提供足够的信息。接着依次在各个参考点上测量来自不同AP的RSS值，将相应的MAC地址与参考点的位置信息记录在数据库中，直至遍历关注区域内所有的参考点。由于受环境影响，无线信号强度并不稳定，为了克服RSS不稳定对定位的影响，通常在每个参考点上多次测量取平均。在线定位阶段，给定数据库后，依据一定的匹配算法将移动终端上接收的RSS与数据库中的已有数据进行比较，计算位置估计值。常用的匹配算法有神经网络、KNN、最近邻法（NN）等。
随着无线定位技术的成熟和无线终端的普及，用户对随时随地获取信息服务的要求也越来越迫切，目前高校校园基础设施不断完善，使校园lbs的实现成为可能。
LBS（Location Based Service，基于位置服务）是指通过无线电通讯网络或外部（GPS）定位方式，获取移动终端用户的位置信息，在GIS平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务。
校园LBS是指借助校园无线通信网络，搭建校园位置信息管理服务平台，通过定位、导航、查询和索引等技术，以可视化地图的形式，将各类相关的信息和服务组织起来，为用户提供精准的信息推送，实现对全校师生的智能化的信息服务。
2.1 校园LBS功能结构
校园LBS服务核心由三部分组成：无线定位服务、指纹数据库与网络状态监测。其功能结构设计如图1所示。
构建校园LBS的功能是通过网络状态监测、指纹数据库与无线定位服务获取移动终端的位置信息，然后根据其位置信息来获取服务器端提供的各类服务。
校园无线网络WiFi接入点是通过无线交换机等无线网络管理设备实现网络的控制与管理，无线网络状态监测实现AP状态数据的获取与状态信息数据的汇总。移动终端的主要作用是利用WiFi或GPS定位获取移动终端当前的地理位置，并完成移动终端与服务器端之间的通信，然后根据用户要求呈现相应的信息。服务器端的主要作用是接收各移动终端所发送的数据，并对这些数据进行存储和数据分析与挖掘，然后根据用户要求进行展现。
2.2 校园LBS平台技术特点和要求
1）基于802.11b/g/n/ac标准，利用现有Wi-Fi无线网络， WIFI信号覆盖范围广且不需要增加额外硬件设施，通过合理的部署WIFI可彻底消除信号盲区。要求对打开WiFi的智能终端（关联和非关联）进行定位，定位精度按照AP的部署密度决定，一般在校园85%的面积不超过10米；终端位置计算速度不低于5000个/秒；终端上报位置信息的频率间隔不能超过5秒；每秒推送的实时定位数据性能不低于50个/秒。
2）采样无线指纹定位算法，室内定位精度2至3米，室外定位精度5至10米。
3）高性能定位搜索引擎，定位响应时间小于5秒；
4）开放式体系结构设计，便于定制化开发，灵活的整合第三方应用。
5）校园地图分2 D的、3 D和2.5 D楼宇内分层展示，地图可放大、缩小。可实现校园内的WiFi定位导航；实现个体全轨迹记录；校园整体轨迹热图；可设定电子围栏，精确统计分析进出围栏范围内的人数和个体样本；设定特定区域内的人员聚集告警。
6）实现根据校园内部账号系统进行位置的查询和分析；与校园其他内部系统（OA、一卡通、智能图书馆等）对接，实现和位置信息的关联统计分析；可通过app或微信展示与交互。
2.3 校园LBS平台系统功能设计
校园LBS服务类型可以分为四个模块：基于校园地图的位置信息查询（导航）服务模块、基于定位的信息推送服务模块、数据分析和挖掘服务模块、系统管理模块。提供例如校园地图、电子围栏、考勤、时间统计、预警报警、通知广播、路线导航、设备设施利用率等个性化的服务。系统功能模块如图2所示。
1）定位信息：该服务是整个平台的核心，地图服务可选用数字地图服务提供商（百度或高德等）提供的公共地图接口获得相应的地图服务，再结合地图公共接口进行二次开发，在地图上实现地图导航、实时追踪、轨迹查询、位置热图、电子围栏等功能。
根据定位信息还可以实现上课点名签到等课堂管理功能，实现对学生的自动点名，教师通过智能终端应用查到按时上课学生人数、迟到人数、早退人数、缺席人数等信息。
2）信息查询与推送：用户在终端上查询课程信息，包括课程内容、授课老师、上课时间、上课地点，并在地图上高亮展示教室地址。同时，可以定制自己关心等信息，服务器端跟进用户需求将相关内容按要求推送给用户。
3）数据分析与挖掘：可以按预设端条件实现告警，当出现电子告警时按不同的告警类型给相关管理人员及事故区域附近人员进行发送警告信息。
通过数据分析可以生成统计报告，统计报告可以按日、周、月、年进行汇总，统计在校人员人数，停留时间，告警分析等各类信息。
数据挖掘功能可以通过建立数据库库，对用户各类信息进行分析挖掘，例如通过对用户轨迹等数据进行挖掘，可以实现对校内人流量密度分布情况等统计分析并地图上进行展现，根据这些信息，管理人员可以制定更加科学合理的管理策略。
3 结束语
基于校园无线网络的LBS平台属于智慧校园的一部分，整个系统从教育信息化发展的实际需要出发，将人与物等相关信息进行整合以位置和地图的方式呈现，为校园网用户提供基于位置的信息服务，不但直观、充分地反映了校园内的教学、办公场所的地理分布情况，也为师生以及管理者提供了实时、便利、动态的个性化信息服务。基于LBS的数字校园信息服务系统的建立，可以结合业务部门的管理职能，提高工作效率，可以为学校提供一个更加智能的服务体系，促进学校各项工作的科学推进与发展。
参考文献：
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