多信标融合综合定位系统后台子系统

刘挺，方泽军，黄昆达，杜小甫

（厦门大学嘉庚学院信息科学与技术学院，福建漳州，363105）

0 引言

经过多年发展，高精度室内定位技术已经比较成熟，目前进入了技术落地的阶段。室内定位技术大多基于信号源，常见的信号源包括蓝牙[1]，WiFi，超宽带等。不用信号源的定位技术包括地磁、惯导和视觉定位[2]等。针对多信标融合[3～4]的定位技术的研究，逐渐成为近年来的研究热点。

首先本文论述了一套采用多信标融合的、可应用在不同应用场景中的高精度室内定位系统。可以采用蓝牙、WiFi、超宽带等多种信标作为定位信号源。其次，本系统实现了三边定位算法、最小二乘法、扩展卡尔曼滤波等多种定位算法，并对算法进行了一定的优化。第三，本系统基于电信天翼云平台实现，各种定位信标数据上传到云平台，然后被后台管理子系统抓取，再经过定位算法解算，得到定位结果。最后，本系统实现了定位信息管理、在线三维地图显示等功能，其中在线三维地图功能基于Three.js开发实现。

本文提出的综合定位系统是一套通用的室内定位管理系统，其应用场景广阔。可以应用在很多场合，例如：单位内部定位导航、商场定位导航、大型停车场定位导航等场景。

1 系统设计

1.1 综合定位系统整体设计

“综合定位系统”的整体设计如图1所示。

图1 综合定位系统总体架构

感知层：这一层是整个系统的最底层，也是物理层，即所有直接参与定位的终端设备。整体分为定位终端和定位信标两大类设备，其中定位终端是指待定位的设备，一般放置在待定位人员或物体上。定位终端又分为主动定位终端和被动定位终端，主动定位终端是指本身具有运算能力，可以进行定位解算显示的设备，例如智能手机；被动定位终端则是不具有运算能力，只负责接收发送信号，它的定位要在后台服务器实现。定位信标，是指设置在固定位置，不断发射信号的设备，他们的信号可以被定位终端接收并结算。利用不同定位信标的信号和位置信息，可以计算得到待定位终端的位置信息。

传输层：是整个系统中的数据通道，负责定位数据和其他数据传输，能够连接感知层与服务层，实现双向通信。一般包括4G、5G移动通信，LORA、ZigBee自组网通信，WiFi、蓝牙局域网通信等技术。

服务层：这是整个系统核心层，主要包括系统云服务器和远程终端管理两部分。系统云服务器包含相关软硬件资源，本文论述的综合定位系统后台子系统就部署在云服务器上。远程终端则是任意一台可以联网的电脑，也包括智能手机，可以实现远程管理。

1.2 综合定位系统后台子系统设计

“综合定位系统后台子系统”是为“综合定位系统”服务的后台管理子系统，主要功能包括定位引擎和服务管理两部分。后台子系统的整体架构如图2所示。

图2 综合定位系统后台子系统架构

其中定位引擎包括定位信息接入模块和定位解算模块两部分。定位信息接入模块主要负责与定位终端的通信，定位解算模块负责对被动定位终端进行定位解算。

服务管理包括服务数据管理、服务展示和服务支撑三模块。数据管理模块负责管理定位系统中所有涉及到的相关数据；服务展示模块负责完成定位导航信息的实时显示、历史数据显示和数据分析显示等功能；服务支撑模块负责对外界提供第三方服务接口，以利于第三方进行二次开发。

在线三维地图属于服务展示模块，同时也涉及到服务数据管理的功能。首先地图绘制的数据由服务数据管理模块进行管理，然后在网页上绘制结果地图时，又由服务展示模块提供相应的绘图功能。

1.3 在线三维地图绘制技术设计

本系统采用基于浏览器的B/S结构，因此最终定位结果都要在网页中展示。本系统基于Three.js进行了二次开发，设计实现了在线三维地图的绘制模块。

目前比较通用的Web端3D绘图技术为WebGL（全名Web Graphics Library），新版HTML5 中通过控件canvas，可以绘制3D模型。而Three.js是由一位名叫Mrdoob的西班牙籍程序员开发的一款的基于WebGL的，开源JavaScript的第三方插件库。Three.js对WebGL提供的API进行了二次封装，使得开发者无需去书写那些复杂冗余的代码。通过使用three.js书写一些简单的代码即可实现复杂的三维图像渲染。

使用Three.js以及可以比较方便的进行在线3D图像绘制，但是具体到我们的应用场景中，还是有所欠缺。首先，Three.js本质上是利用javascript进行编程，并不支持数据库技术，因此不能进行数据库读写。其次，Three.js并没有针对地图绘制的优化。考虑到这些缺点，我们对Three.js进行再次开发，进行进一步封装，开发出可以更方便进行数据库读写，并绘制3D地图的javascript插件。

本文将系统分为五大模块。分别是模型导入模块，自适应渲染模块，性能监视模块，视角控制模块以及数据存储模块这五大模块。如图3所示。

图3 系统功能结构模块

自适应渲染模块是核心，用于渲染生成在线3D图像。性能监视模块可以显示当前渲染FPS值，用于性能监控。视角控制模块提供与用户进行交互的接口，用户可以通过该模块实现图像的缩放、旋转、选择、平移等功能，该模块也是核心模块之一。

模型导入模块负责导入外部模型，与自适应渲染模块搭配使用。目前我们开发的版本支持的模型包括STL、PLY、OBJ三种模型文件。数据存储模块负责将模型数据存储在数据库中，并提供读取功能。方便模型数据长期保持，以及共享。

2 技术选型

本系统为综合定位系统的后台子系统，并没有考虑具体的应用场景。因此所选技术遵循成熟、够用原则，并不会过渡追求性能。开发语言选用JAVA，主要是考虑到后台定位解算算法的要求。采用J2EE企业级开发组件进行网站开发，配合Spring+SpringMVC+MyBatis框架使用。后台数据库选择MySQL数据库，Centos 7 操作系统，Apache+Tomcat网络服务器，搭建完整的私有云环境进行开发。

3 系统实现

本系统已经开发完成，如图4所示，是后台管理子系统的主页。信息管理内容包括：定位单位、区域、信标、终端、结果等管理，也实现了不同权限用户的管理。最后在“定位信息可视化”模块中实现定位结果在3D地图中的显示。

图4 后台子系统主界面

如图5所示，是3D地图绘制后的效果图。

图5 3D地图绘制效果图

4 总结

本文开发了一套多信标融合综合定位系统的后台子系统，基于电信天翼云进行数据传输，基于Three.js进行二次开发实现了在线3D地图绘制。该系统验证了多信标融合综合定位系统的开发可行性，证明其具有开发难度低，功能强大，性能优秀等优势。未来的工作中，我们将基于这个后台系统进行深入研究，实现指纹算法、基于深度学习的视觉定位算法等。