汪宁　孙玉涛

摘要：在基于物联网技术的智慧校园中，为了加强校园安全管理，对车辆以及特殊物品进行GPS定位，进行实时监控，防患于未然。我们可采用差分GPS定位技术，建立基站，降低了定位过程中误差带来的影响，记录车辆行驶的路径。同时在图书馆内采用超声波室内定位系统，准确定位书本等物品位置信息，让我们借阅书籍时随手可得。

关键词：差分GPS；定位技术；基站；超声波定位；智慧校园

中图分类号：TN945.23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0118-02

Abstract：Based on the Internet of things technology in the wisdom campus， in order to strengthen thecampus safety management， to the vehicle and the special goods carries on the GPS localization， carries on the real-time monitoring， takes preventive measures. We can use differential GPS positioning technology， the establishment of base stations， reducing the impact of errors in the positioning process， recording the vehicle travel path. At the same time， the use of ultrasonic indoor positioning system in the library， accurate positioning of books and other items of information， let us borrow books readily available.

Key Words：Differential GPS；Positioning technology； Ultrasonic positioning ；Base station； Smart campus

“互聯网+”正推动着数字校园加速向智慧校园升级。我们设计的智慧校园是利用无线通信技术，超声波定位技术，GPS定位技术，传感器技术、RFID、嵌入式等关键技术，连接校园内预先安装的各种传感器，发送数据到数据处理中心（一般由计算机完成），计算机通过收集到的数据做出判断，并且反馈给相应的控制器件，来实现校园智能物联网络。我们的目标是借助物联网技术实现对校园的仪器设备、图书资料、楼宇出入人员等的实时动态管理。同时，为了加强校园安全管理，实现环境监控和对象跟踪，利用GPS定位感知和追踪物品位置，对出入校园的车辆进行定位和监测，能够保障校园交通秩序。此次深入研究了如何利用差分GPS定位系统实现对车辆的监控[1]。

通过调研与讨论，对于室外，我们选择了GPS定位。因为红外定位技术只能在直线视距内传播，传播距离较短，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大，相对来说，GPS定位成本合理，范围广，可以完全覆盖整个校园，所以我们选择搭建GPS定位系统。

首先介绍下GPS系统，目前GPS在定位中的应用非常广泛，GPS全称是Navigation Satellite Timing And Global Position System，即全球定位系统。起始于1985年美国军方的一个项目，1964年投入使用，到1994年，全球覆盖率高达98%。我们所理解的GPS功能是利用GPS定位卫星，在整个校园范围内实时进行定位，导航的系统。首先可以应用在校车上，在校园内已经实现了无线全面覆盖的前提下，我们可以开发手机端APP，通过4G或者无线可以实现显示校车位置以及班次信息，为老师以及学生提供便利，节约时间，同时不会延误乘车时间。其次，由于在校园中安全第一，我们可以将此定位方案应用在进出校园的流动车辆上，对其出入进行记录以及路径监控，以提高校园的安全系数，为广大莘莘学子提供安全的学习环境[2]。

1 差分GPS定位系统在车辆上的应用

GPS流程图1所示。

由图2可以看到整个定位系统的工作方式。在校园里建立无线基站，基站从GPS卫星接收信号，然后发送信号给移动的车辆，同时，车辆也从GPS卫星直接接收信号，将两个信号对比，以无线基站作为基准点，发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。目前我们采用位置差分原理。这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况，完全满足在校园内的使用[3]。

春暖花开，校园里树叶逐渐茂密，普通的GPS定位受树叶，高楼的影响比较大，甚至完全没有信号，因此为了保证实时性以及准确性，我们决定采用差分GPS，在高楼天台搭建基站，在接收到这些车辆的经纬度信息后，通过有线链路将数据传到系统中心设备（服务器后台），可以实现对全校园内的各个车辆的监控。在实现了准确记录车辆路径信息后，如何利用这些信息来便利在校师生便成为了我们关注的焦点。我们大胆的提出可以开发手机APP，通过4G或者无线将校车位置信息传送到APP，在APP界面上显示，可以随时掌握校车位置信息，合理安排乘车时间。

2 室内定位系统在图书馆的应用

我们同样决定将在图书馆建立定位系统。传统的图书馆以提供阅读与空间使用为主，但是在实际应用中，我们常常为了找需要的书籍，先找到相应楼层、然后是相应的阅读室、再一排排的书架中一本本慢慢查找。虽然我们图书馆引入可以检索以及借还书本的管理系统，然而得到的只是在哪个阅读室，无法准确定位书本的位置。因此在网络发展如此蓬勃的今天，我们如何提升图书馆的信息服务能力呢？很显然，超声波室内定位技术就可以提供精准的位置信息[4]。

室内定位即在封闭的环境中提供精确的位置信息，主要方式有无线通讯、超声波定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，对人员、书本等在室内空间中的实时位置监控。因此基于室内定位技术的应用可以达到对这些人员定位、物品的监管目的，同时随着传感器以及通信技术的不断进步与深入，室内定位的定位精度可以达到厘米级，与差分GPS效果基本等同，最重要的是可以在室内环境中实现应用，在图书馆等封闭场所是最佳的应用案例。

室内定位可以提供室内更精准的位置定位，并且显示在图书馆的管理系统以及读者的用户端中，一旦室内定位技术在图书馆中的测试效果达到我们预期的成果，书架上的每一本书籍都拥有一个定位设备，这个定位设备不是单纯的条形码，而是我们寻找书籍时的导航，它可以发送自身位置信息如经纬度，同时，我们利用智能设备读取书籍具体位置信息，并计算距离，直到我们拿到那本书籍，点击确认，一次完整的寻书程序才能结束（如图3所示）。

在此，我们要解决的一个问题就是，每本书不仅有平面上经纬度，而且有垂直面上的高度，也就是在几楼。经过讨论，我们决定在地下书库中心建立一个基点，将整栋楼的高度分为九个层次，纵向位置信息由算法来计算，例如在第一层次内的纵向位置信息都属于地下书库，接着是一楼，二楼直到八楼。这样我们在寻找书籍时就方便了很多，可以直观的在智能设备上看到书籍的位置。同样，对图书的管理也简化了很多，在每本书上有自身初始的位置信息，图书管理员在整理书籍时，可以通过智能设备直接获取此书本的应该放置的位置，可以迅速地归类，还原。而且这些定位技术也可以应用到图书馆的自修室等地。

通过对读者需求的进一步探索，我们发现还可以记录读者经常阅读的书籍习惯以及活动路线，图书馆通过云平台可以调整藏书的购买方向以及书籍的位置。将受欢迎的书籍放在大厅或者一楼，减少读者寻找书籍的时间，同时也大大降低图书管理员的劳动强度。同时，为了更好的体现智慧校园以人为本的核心宗旨，我们可以通过室内定位设备，当读者进入图书馆时，推送最近热门的新书，提升自身作为图书馆的服务质量以及激发读者的阅读兴趣。后续可以提供类似论坛的讨论交流平台，让优秀的书籍不断滋养我们大学生渴望优秀的灵魂。

对于超声波定位系统，我们把高于20000赫兹的声波成为超声波，我们是听不到的。我们采用的是利用SID技术制作的超声波自动定位仪，利用超声波在空间中的传播特性，来确定目标的具体位置。超声波频率较高，穿透力强，指向性强，能力消耗较小，在空气中传播的距离较远，因此以上的这样特点也是我们选择在室内用超声波结合无线定位的原因。

通过对图书馆室内定位系统的探究，我们找到了在室内能实现准确定位的方案，以后需要不断完善图书馆的定位系统，搭建更强大的云计算平台，为每位读者提供更加贴心的管理系统[5]。

3 进一步理解智慧校园

智慧校园的“智慧”涉及到方方面面，核心宗旨是以人为本，更好的为师生服务，将教育信息化向前推进一大步。我们涉及的智慧校园主要是基于物联网和云计算技术。智慧校园的参考模型由下往上分为物联网感知层，物联网网络层以及物联网应用层，我们研究的差分GPS定位以及结合无线与超声波的室内属于感知层。每一层都需要考虑方案的完整性以及可执行性。通过对智慧校园的探索，我们对智慧校园的理解更进一步了，我们的目的是为师生提供个性化服务，能全面感知物理环境，识别学习者个体特征和学习情景，提高校园的安全系数，提供无缝互通的网络通信，有效支持教学过程分析、评价和智能决策的开放教育教学环境和便利舒适的生活环境[6]。

4 结语

为了实现智慧校园而建立的室外差分GPS定位系统以及室内定位系统，为智慧校园的定位寻迹提供了可靠的方案。差分GPS精度高，成本较低，可行性高。而室内定位系统结合了无线和超声波定位，成本相对较高，但是由于室内范围较小，且穿透力强，因此这种方案同样具有很大的可行性。在以后的工作中，我们会不断完善智慧校园的定位系统，致力于减少误差，提供更好的定位系统的方案。在将物联网完全应用到智慧校园上的道路上，我们任重而道远。

参考文献

[1]祝贺庭，贺斌.智慧教育：教育信息化的新境界[J].电化教育研究，2012（12）：5-13.

[2]黄荣怀.智慧校园：数字校园发展的必然趋势[J].開放教育研究，2012（4）：12-17.

[3]张新刚，田燕.数字化校园信息安全立体防御体系的探索与实践[J].中实验技术与管理，2012（10）：114-119.

[4]谢刚.GPS原理与接收机设计[M].电子工业出版社，2009.

[5]袁家政.定位技术理论与方法[M].电子工业出版社，2016.

[6]张同伟，杨波，崔维成.浅海声学被动定位技术[M].海洋出版社，2016.