CC BY
23
Абдрахманова А.М.
МГУ им. М.В. Ломоносова web2alyona@mail.ru
Использование двумерных штрихкодов для создания системы позиционирования в помещении
Изобретение технологии спутниковой связи позволило создать систему GPS - глобальную систему позиционирования, с помощью которой можно определить своё местоположение почти в любой точке планеты. Практически все современные мобильные устройства комплектуются GPS-приёмником, в некоторых случаях дополняясь приёмниками других навигационных спутниковых систем. Система GPS хорошо работает на открытом пространстве, но становится практически бесполезной внутри помещения, поскольку сигнал от спутника сильно ослабляется, проходя через стены.
С развитием телекоммуникационных технологий стало возможным создание сервисов, помогающих определить нахождение пользователя внутри помещения. Задачей определения местоположения в зданиях занимаются многие компании в отрасли информационных продуктов, в числе которых Google, Apple, Intel, Microsoft, а также компании-производители телекоммуникационного и навигационного оборудования такие, как Broadcom, Cisco, Nokia, Qualcomm. Проблема навигации в помещении актуальна для мегаполисов. Потребность в такой технологии может возникнуть у посетителей торговых центров, развлекательных комплексов, аэропортов. Технологии, которая бы позволила им без труда сориентироваться в большом пространстве, которая поможет покупателям в крупном супермаркете быстрее отыскать тот или иной продукт, а владельцам оценить наиболее часто посещаемые полки с товарами. На основании пользовательских запросов и технологии коллективной оценки можно предложить покупателю наиболее подходящий ему продукт и связанные с ним товары. Навигация внутри зданий становится одним из наиболее востребованных мобильных сервисов, который позволит строить карты помещений, прокладывать маршруты между точками в помещении, находить нужный товар.
Существующие решения
На сегодняшний день представлено множество решений, в которых используются самые современные технологии. Одним из наиболее простых способов является установка интерактивных экранов на каждом этаже здания (рис. 1), на котором посетитель может найти нужную ему точку, а затем двигаться к ней, запомнив дорогу.
Одно из таких решений предполагает использование ретрансляторов
сигнала GPS, которые устанавливаются внутри здания. В результате сигнал усиливается и на основе уже готовых GPS-решений определяется местонахождение приёмника в здании. Благодаря этому достигается высокая точность определения внутренних координат, но такие решения требуют монтирования устройств-ретрансляторов и довольно существенных затрат, и воспользоваться ими могут только обладатели устройств, поддерживающих GPS.
Рис.1. Использование GPS-ретрансляторов Другим решением может быть использование технологии Bluetooth. С выходом стандарта Bluetooth 4.0, отличающимся низким потреблением электроэнергии, стало возможным использовать его для отслеживания устройства в помещении и при этом не слишком сажать батарею. Одно из таких решений было представлено компанией Nokia. Представителям отрасли был продемонстрирован прототип системы, реализующий идею расширения стандарта Bluetooth 4.0 протоколом Location Extension, разработку которого возглавляет Nokia. В состав прототипа входит массив антенн Bluetooth Low Energy, который отслеживает местоположение устройств с «метками» Bluetooth внутри комнаты. Чтобы определить местоположение, используется принцип триангуляции - определение расстояния по трём точкам.
3. Ekahau Positioning Engine
2. Wi-Fi сеть
1. Метки и Wi-Fi устройства
ЛерщмкчнесксПиО стандартных302 т 1 пакетов
Рис.2. Система позиционирования в помещении фирмы Ekahau
Благодаря своей повсеместной распространённости, сети Wi-Fi являются основной средой для передачи сигнала в системах внутренней навигации. В качестве примера - разработка финской компании Ekahau
(рис. 2), включающая специальные мобильные и стационарные устройства, подключающиеся к Wi-Fi сети, контроллер, отвечающий за вычисление местоположения устройств, и специальное приложение. Такая система может использовать существующую сеть и смартфоны, оснащенные WiFi, но предъявляет требования к качеству сигнала, требует установки дополнительного программного обеспечения и изготовленных фабричным способом устройств, но является дорогостоящей.
Корпорация Google не могла обойти столь животрепещущую тему и представила приложение для устройств на базе Android - Google Maps Floor Plan Marker, которое позволяет владельцам при помощи различных источников высокочастотных радиосигналов (GPS, WiFi, сотовые сети) улучшить закрытое позиционирование. Используя свой главный потенциал - огромное количество пользователей, желающих помочь новому проекту, Google создает базы данных с поэтажными планами строений. Добровольцы отмечают соответствие своего реального местоположения и точку на загруженной схеме. Приложение анализирует перемещения пользователя внутри нанесённых на схему границ, а затем калибрует относительно них полученные радиочастотные сигналы и совмещает схему с существующими Google-картами.
.ill В й 16:11
О, Search Maps
Monorail Tickeis ZJ з >
а. о
н |
Pyle Audio у §
я * i
Vending Machine gj Kalzlaehh 5 Supply Inc.
I ©
S Dfi'G
3 Wofldwide. LLC
Chang hong Electric Co, Ltd "
Apex Digital Inc. ¡Btquity Digital Unirex Соф.
II
Sharp Electrodes Corp.
Las Vegas Convention Center
i i \ JiN
Ki^yo/ArtDiö Company
Mitfüsöft
100ft Согревал
Motorola, Mobility
JU51 Wareiess
CES Broadcast
I ntere: ,yor Hitachi Ltd. I Hitachi Americs
и
iLov creative
i a + f
И 1
Рис. 3. Приложение Google Maps Floor Plan Marker Также существуют решения на основе радиочастотных меток, так называемых RFID-меток. Система состоит из пассивных RFID-меток и считывателя, который читает идентификатор метки и отображает её положение на схеме. Такие системы могут применяться в области внутренней логистики, например, для определения местоположения конкретного товара или полки. Основные преимущества такой технологии в том, что RFID-метки:
• не требуют контакта или прямой видимости объекта и сканера,
• читаются быстро и точно,
• могут использоваться даже в агрессивных средах и распознаются через слой грязи, краски, пар, воду, пластмассу, древесину,
• в пассивном исполнении имеют фактически неограниченный срок эксплуатации,
• несут большое количество информации, которую можно перезаписывать,
• имеют высокую степень защиты практически невозможно подделать. Однако изготовление большого количества радиочастотных меток
существенно отражается на стоимости системы, а сами метки подвержены влиянию электромагнитных помех. Постановка задачи
Целью данной работы было создание наименее дорогостоящего решения задачи позиционирования в помещении. В качестве носителей информации о местоположении в системе используются метки, представляющие собой двумерные штрихкоды (QR-коды), которые считываются мобильными устройствами пользователей. Реализация системы
Система представлена в виде веб-сайта, хранящего данные о каждой метке. Общая схема работы устройства представлена на рисунке 4. Владелец добавляет информацию о конкретной метке с помощью системы управления контентом сайта, отмечая её местоположение на схеме помещения. Информация о каждой метке представлена отдельной вебстраницей, адрес которой кодируется двумерным штрихкодом. Штрихкод помещается в той точке помещения, которая обозначена на схеме соответствующей меткой. Посетитель при помощи программного обеспечения на своём мобильном устройстве считывает штрихкод и переходит на страницу с информацией о метке, где обозначается её положение на схеме.
Рис. 4. Общая схема работы системы Каждое отдельное помещение должно быть представлено загружаемой графической схемой, на которую наносятся различные точки. Информация вносится зарегистрированными пользователями (например, владельцами супермаркета) при помощи веб-форм. Каждой точке соответствует отдельная веб-страница, динамически формируемая при извлечении данных из базы. При создании новой точки пользователь имеет возможность визуально установить указатель на загруженной схеме (рис. 5). Кроме координат, задающих положение точки относительно графической схемы, может быть внесена некоторая дополнительная информация как об объекте, соответствующем этой точке, так и о точках, находящихся в непосредственной близости от неё.
Метка представляет собой двухмерный штрихкод, в котором закодирован адрес веб-страницы соответствующей точки. Штрихкод генерируется после добавления информации о новой точке в базу данных. Для генерации штрихкода используется сервис создания QR-кодов от компании Google - Google Chart Tools: Infographies, предоставляющий генерируемый штрихкод в ответ на отправку GET-запроса с заданными параметрами. В ответ на запрос сервером генерируется изображение в формате PNG. Полный список параметров приведен в приложении В.
Рис.5. Установка указателя на точку Код PHP, описывающий данную процедуру в системе, имеет
следующий вид: <?
echo 'https://chart.googleapis.com/chart?cht=qr&chs=300x 300&chl=',
htmlentities(urlencode($url)) ?>
где $url - переменная, содержащая строку с адресом веб-страницы точки.
Штрихкод распечатывается и располагается в помещении в месте, обозначенном соответствующей точкой на схеме (рис. 6).
(а) (б)
Рис.6. Метка, генерируемая системой (а) и пример размещения распечатанной метки в пространстве (б) Для считывания двухмерного штрихкода пользователю необходимо установить программу для чтения штрихкодов, разработанную для конкретной мобильной платформы. Считывание метки производится путём запуска соответствующей программы и наведения камеры телефона на штрихкод как показано (рис. 7).
При считывании штрихкода мобильным устройством осуществляется
переход на страницу, на которой отображается соответствующее помещению изображение-схема, показывается положение точки на схеме и текстовая информация о точке (рис. 8).
Рис. 7. Считывание метки мобильным устройством пользователя При переходе на страницу с описанием точки пользователь может также получить некоторые сведение, касающиеся точек, расположенных недалеко от данной. Например, информацию о точках, расположенных слева и справа, а также о точках, расположенных этажом выше или ниже. В текущей разработке описания соседних точек заносятся владельцем данной точки. В дальнейшей разработке планируется сделать автоматическое распознавание близлежащих точек и их отображение относительно заданной.
Ф*АТИ*«С-4ДР>1 тр
Схем* помещения
Положение точки из схеме
Гонке, находящаяся этажом выше
Название точки
Точна, находящаяся слрэоз
Текстовое
описание ТОЧКИ
Точна, находящаяся эта том ниже
Точка, нэччдящгяся
слеаа
питлнцш
Салон ододы
9 пики чглм № «моги ь Сга>>я!
кегда нылхн« цощн «им*
нОдны^ ИС4НН1И
Рис. 8. Представление точки, которое видит пользователь Система предполагает дальнейшую доработку, направленную на повышение функциональности позиционирования и навигации. Предполагается добавление функции поиска точек и прокладки маршрута. Кроме того, планируется доработка системы с использованием данных, считываемых с микроэлектромеханических датчиков, включенных в состав
современных мобильных устройств: акселерометра, компаса, гироскопа. С их помощью возможна реализация функционала интерактивной навигации пользователя к выбранной точке, а также определения местоположения пользователя без необходимости многократного считывания меток.
Литература
1. Google Indoor Maps & Indoor Location. [HTML] (http : / / www.indoorlbs.com/2012/04/google-indoor-maps-indoor-location.html).
2. Enterprise-Wide Location Tracking Explained: How Does Ekahau RTLS Work? [HTML] (http://www.ekahau.com/products/real-time-location-system/overview/how-ekahau-rtls-works.html).
3. 2012 Will be the Year of the Chips for Indoor Location. [HTML] (http://www.indoorlbs.com/search/label/Broadcom).
4. Nokia приспосабливает Bluetooth для навигации внутри помещений. [HTML] (http : / / www.ixbt.com/news/hard / index.shtml?15/30/35).
5. Системы позиционирования объектов в реальном времени (RTLS). [HTML] (http : / / www.grog.lv/products_8.php).
