鄒洪宇

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院,福建 永安 366000)

IOS平臺(tái)是具備多點(diǎn)觸控直接操作的服務(wù)系統(tǒng)[1],主要應(yīng)用在蘋果公司出品的電子設(shè)備上。近年來隨著手機(jī)、運(yùn)動(dòng)手表潮流的發(fā)展,使用IOS平臺(tái)電子設(shè)備的用戶越來越多,當(dāng)用戶進(jìn)行視頻通話、地圖導(dǎo)航以及位置共享時(shí),均依托IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信實(shí)現(xiàn)[2-3],此時(shí)對(duì)IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)自動(dòng)定位需求較強(qiáng)?，F(xiàn)在也有很多學(xué)者研究IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)定位方法,其中以傅彬和茍平章等人研究的通信目標(biāo)定位方法應(yīng)用最為廣泛。前者將鯨魚算法與生物共生算法融合后,利用其建立IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)定位函數(shù)[4],然后利用自適應(yīng)優(yōu)化方法求解該通信目標(biāo)定位函數(shù)后,得到IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)位置。但該方法在應(yīng)用過程中受IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度和錨節(jié)點(diǎn)比例影響,定位效果較差。后者則通過計(jì)算IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)錨節(jié)點(diǎn)平均跳距和實(shí)際距離之間的差值,使用多通信半徑和多跳跳數(shù)偏差對(duì)錨節(jié)點(diǎn)平均跳距和實(shí)際距離的差值進(jìn)行修正,然后使用WSNs三維節(jié)點(diǎn)定位方法得到IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)位置[5]。該方法在修正錨節(jié)點(diǎn)平均跳距和實(shí)際距離的差值時(shí),受錨節(jié)點(diǎn)跳數(shù)較多影響,存在偏差,最終導(dǎo)致該結(jié)果應(yīng)用效果不佳。

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,基于位置服務(wù)的LBS技術(shù)越來越融入人們生活。LBS技術(shù)也被應(yīng)用到IOS平臺(tái)內(nèi),其屬于IOS平臺(tái)的無線增值技術(shù),利用LBS技術(shù)可獲取IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)無線用戶位置信息。LBS技術(shù)目前被應(yīng)用在位置共享、追蹤、救援等多個(gè)領(lǐng)域,應(yīng)用范圍極其廣泛[6-7]。本文在此以LBS技術(shù)作為基礎(chǔ),提出基于室內(nèi)LBS技術(shù)的IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)自動(dòng)定位仿真方法,以提升IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)定位效果。

1 IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)自動(dòng)定位仿真方法

1.1 IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信架構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)精準(zhǔn)定位目的,需首先利用應(yīng)用IOS平臺(tái)的移動(dòng)終端獲取用戶當(dāng)前的地理位置[8],LBS技術(shù)也是以IOS平臺(tái)為基礎(chǔ),才可以獲取目標(biāo)位置。為此給出IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信架構(gòu),如圖1所示。

用戶可以通過可觸摸層獲取聯(lián)系人信息、廣告信息、顯示郵件等信息,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)類型的信息傳輸交互。也可利用媒體層內(nèi)的圖像引擎、音頻引擎和視頻引擎實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流媒體類信息交互。IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信架構(gòu)內(nèi)的核心服務(wù)層為用戶提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)的網(wǎng)絡(luò)訪問功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、定位功能以及用戶運(yùn)動(dòng)過程中的加速度、方向等相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)。核心系統(tǒng)層為用戶提供各種運(yùn)算和安全管理等相關(guān)功能,保障IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)的安全性。

1.2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)分布范圍獲取

以基于LBS技術(shù)的IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信架構(gòu)為基礎(chǔ),利用面向?qū)ο蟪绦蛘Z言O(shè)bjective-C訪問IOS平臺(tái)熱點(diǎn)訪問接口,通過該接口掃描IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)AP(WiFi信號(hào)接入點(diǎn))的MAC地址(唯一身份標(biāo)識(shí))、RSSI值(WiFi信號(hào)強(qiáng)度)以及其錨節(jié)點(diǎn)信息。令Q表示第i個(gè)IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)通信時(shí)的錨節(jié)點(diǎn),該錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)由(Xi,Yi)表示,表達(dá)公式如式(1):

Q(Xi,Yi)={(Mac1,RSSI1),…(Macn,RSSIn)}

(1)

式中,Macn、RSSIn分別表示IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)參考點(diǎn)數(shù)據(jù)的AP的MAC地址和RSSI值;n表示IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)AP數(shù)量。

由于IOS平臺(tái)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí),其目標(biāo)參考點(diǎn)上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)錨節(jié)點(diǎn),當(dāng)在該目標(biāo)參考點(diǎn)上采集m個(gè)錨節(jié)點(diǎn)時(shí),需對(duì)MAC地址進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以該統(tǒng)計(jì)值為基礎(chǔ),則式(1)可改寫為:

(2)

式中,ns表示錨節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)組數(shù);nMAC表示AP數(shù)量。

IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)受WiFi信號(hào)強(qiáng)度影響,其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)的錨節(jié)點(diǎn)存在時(shí)變特性和波動(dòng)性[9-10],因此需對(duì)其噪聲進(jìn)行抑制處理。利用式(2)得到IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)參考點(diǎn)數(shù)據(jù)錨節(jié)點(diǎn)后,利用ROF(Rudin Osher Fatemi)去噪模型去除IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)參考點(diǎn)數(shù)據(jù)錨節(jié)點(diǎn)內(nèi)存在的噪聲。

將式(2)結(jié)果帶入到ROF去噪模型內(nèi),其表達(dá)式如式(3):

(3)

對(duì)式(3)進(jìn)行能量泛函處理,得到全變分去噪能量泛函E,其表達(dá)公式如下:

(4)

式中,TV(Qm(Xi,Yi)表示錨節(jié)點(diǎn)能量函數(shù),其表達(dá)公式如下:

(5)

利用歐拉-拉格朗日方程對(duì)式(4)進(jìn)行最小化處理,則有:

-Qm(Xi,Yi)′)≈0

(6)

式中,E′表示能量泛函E對(duì)Qm(Xi,Yi)的梯度。當(dāng)該公式成立時(shí),則完成IOS平臺(tái)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)數(shù)據(jù)錨節(jié)點(diǎn)噪聲抑制[11-13],得到不含噪聲的IOS平臺(tái)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)數(shù)據(jù)錨節(jié)點(diǎn)Qm(Xi,Yi)′。

利用式(6)得到不含噪聲的IOS平臺(tái)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)數(shù)據(jù)錨節(jié)點(diǎn)后,利用均值方法計(jì)算Qm(Xi,Yi)′內(nèi)每個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度,其表達(dá)公式如式(7):

(7)

以式(7)結(jié)果為基礎(chǔ),構(gòu)建IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式,其表達(dá)公式如下:

(8)

式中,H表示IOS平臺(tái)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式。

依據(jù)式(8)的IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式,則其錨節(jié)點(diǎn)分布范圍表達(dá)公式如式(9):

D=[Q1,Q2,…,Ql]

(9)

式中,l表示IOS平臺(tái)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)室內(nèi)參考點(diǎn)總數(shù)。

基于上述過程,設(shè)置掃描IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)采集次數(shù)、時(shí)間,采集IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)[14-15]并對(duì)其進(jìn)行噪聲抑制和按照其存儲(chǔ)格式進(jìn)行存儲(chǔ)后,得到IOS平臺(tái)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)室內(nèi)錨點(diǎn)分布范圍。

1.3 基于LBS的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)定位方法

1.3.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)移動(dòng)區(qū)域路徑獲取

在IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)分布范圍D=[Q1,Q2,…,Ql]內(nèi),使用非線性模型中的無損卡爾曼濾波器獲取IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)目標(biāo)移動(dòng)區(qū)域路徑,其詳細(xì)過程如下:

第i(i=1,2,…,I)個(gè)IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)在第k(k=1,2,…,K)個(gè)迭代周期時(shí)的狀態(tài)方程表達(dá)如式(10)所示,其中I表示錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),K表示錨節(jié)點(diǎn)通信迭代周期個(gè)數(shù)。

Xi(k)=Xi(k-1)+?i(k)

(10)

式中,?i(k)表示第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)權(quán)重?cái)?shù)值;Xi(k)表示錨節(jié)點(diǎn)狀態(tài)向量。

依據(jù)錨節(jié)點(diǎn)在迭代周期內(nèi)的狀態(tài),計(jì)算目標(biāo)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的量測(cè)值,其量測(cè)方程表達(dá)如式(11):

Zi(k)=g(Xi(k))+ζi(k)

(11)

式中,Zi(k)表示第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的量測(cè)向量;g(·)表示量測(cè)函數(shù);ζi(k)表示錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度。在式(11)中,Zi(k)也表示目標(biāo)錨節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)和第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離,該距離表示第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)在IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)移動(dòng)的總路徑。

1.3.2 目標(biāo)錨節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算

三邊測(cè)量法是基于測(cè)距的定位方法,其是室內(nèi)LBS技術(shù)的一種。該方法通過在平面內(nèi)選取一系列控制點(diǎn),將其連接成若干個(gè)三角形后,形成網(wǎng)狀圖形,再依據(jù)已知的控制點(diǎn)坐標(biāo)和邊長(zhǎng),解算三角形即可得到三角形坐標(biāo)方位角,依據(jù)該方位角計(jì)算未知點(diǎn)的平面坐標(biāo)。三邊測(cè)量法計(jì)算未知點(diǎn)坐標(biāo)較為精準(zhǔn),通常被應(yīng)用在測(cè)繪、建筑設(shè)計(jì)、勘探等多個(gè)領(lǐng)域。在此將三邊測(cè)量法計(jì)算應(yīng)用到IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)自動(dòng)定位過程中,其實(shí)現(xiàn)步驟如下:

令A(yù)1、A2、A3為三個(gè)已知的IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn),其分布位置如圖2所示。

圖2 IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)分布示意圖

(12)

利用式(12)即可得到待定位目標(biāo)錨節(jié)點(diǎn)P的位置坐標(biāo)。

依據(jù)三邊測(cè)量法計(jì)算待定位目標(biāo)錨節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)和1.3.1小結(jié)得到的第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)在IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)移動(dòng)總路徑,設(shè)計(jì)基于三邊測(cè)量法的IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)自動(dòng)定位策略,該目標(biāo)自動(dòng)定位策略步驟如下:

第一步:依據(jù)式(11)得到的第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)在IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)移動(dòng)總路徑數(shù)值,錨節(jié)點(diǎn)i遍歷錨節(jié)點(diǎn)分布范圍D=[Q1,Q2,…,Ql]。該錨節(jié)點(diǎn)在遍歷過程中,持續(xù)向四周發(fā)送無線信號(hào),當(dāng)有未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到錨節(jié)點(diǎn)i的通信半徑內(nèi),錨節(jié)點(diǎn)i會(huì)接收到未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)入信號(hào)。

第二步:判斷未知節(jié)點(diǎn)是否具備三個(gè)或者三個(gè)以上的非共線錨節(jié)點(diǎn)信息,若是則進(jìn)行下一步,反之則忽略該未知節(jié)點(diǎn)。

第三步:利用式(11)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)三個(gè)或三個(gè)以上非共線錨節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)i的距離,依據(jù)該距離,利用式(8)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

至此,經(jīng)過上述步驟,完成IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)自動(dòng)定位。

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文方法在自動(dòng)定位IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)的性能,以某公司室內(nèi)辦公區(qū)內(nèi)的IOS平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,IOS平臺(tái)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域呈不規(guī)則拓?fù)湫螤?無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布如圖3所示。使用MATLAB仿真軟件搭建IOS平臺(tái)無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,該無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

圖3 公司辦公區(qū)內(nèi)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布示意圖

表1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)

在MATLAB仿真軟件內(nèi)設(shè)置采集IOS平臺(tái)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)錨點(diǎn)頻率為60 Hz。

基于上述MATLAB仿真軟件設(shè)置,利用IOS平臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,使用本文方法對(duì)該IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)的目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)定位,驗(yàn)證本文方法實(shí)際應(yīng)用效果。

2.1 IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)分布范圍獲取

在MATLAB仿真軟件內(nèi),使用IOS平臺(tái)進(jìn)行10次點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,使用本文方法獲取該10次點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí),無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信錨節(jié)點(diǎn)的分布范圍,結(jié)果如表2所示。

表2 IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)分布范圍獲取測(cè)試結(jié)果

分析表2可知,本文方法在獲取10次IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)分布范圍時(shí),僅在第1次和第10次時(shí),獲取的分布范圍在Y軸方向存在0.01 m的偏差,在第6次時(shí),獲取的分布范圍在X軸上存在0.02 m的偏差,該偏差數(shù)值在100 m×100 m的無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)影響極小,因此當(dāng)該偏差未超過0.5 m時(shí),則可忽略不計(jì)。本文方法在其他IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信次數(shù)時(shí)獲取的通信錨節(jié)點(diǎn)分布范圍均與其實(shí)際分布范圍吻合。上述結(jié)果說明:本文方法獲取IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信錨節(jié)點(diǎn)分布范圍較為準(zhǔn)確,也從側(cè)面說明本文方法對(duì)IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)目標(biāo)自動(dòng)定位效果較好。

2.2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)移動(dòng)區(qū)域路徑獲取測(cè)試

以某個(gè)IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)錨節(jié)點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,使用本文方法獲取該錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)區(qū)域路徑,利用MATLAB仿真軟件以圖的形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖4所示。

圖4 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)移動(dòng)區(qū)域路徑獲取測(cè)試結(jié)果

分析圖4可知,使用本文方法獲取IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)錨節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)區(qū)域路徑與其實(shí)際錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑重合度較高。僅在縱坐標(biāo)為21 m左右和縱坐標(biāo)為70 m左右時(shí),本文方法獲取的IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)區(qū)域路徑位置與實(shí)際錨節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)偏差,但偏差數(shù)值略小。在其余錨節(jié)點(diǎn)位置處,本文方法得到計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)路徑與實(shí)際錨節(jié)點(diǎn)路徑均相同。上述結(jié)果說明:本文方法計(jì)算IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)移動(dòng)區(qū)域路徑較為準(zhǔn)確。

2.3 通信目標(biāo)自動(dòng)定位測(cè)試

利用ISO平臺(tái)向13個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,使用本文方法對(duì)該13點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)進(jìn)行定位,定位結(jié)果如圖5所示。

圖5 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)進(jìn)行定位結(jié)果

分析圖5可知,本文方法對(duì)IOS平臺(tái)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí),其定位結(jié)果與實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)完全重合。該結(jié)果說明:本文方法可有效定位IOS平臺(tái)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo),且定位精度較高,具備良好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)論

本文研究基于室內(nèi)LBS技術(shù)的IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)自動(dòng)定位仿真方法,在該方法中應(yīng)用到了LBS技術(shù)內(nèi)的三邊測(cè)量法,依據(jù)IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)的目標(biāo)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)的位置,使用三邊測(cè)量法得到目標(biāo)點(diǎn)的位置坐標(biāo),使其具備較佳的應(yīng)用效果。雖然從目前來看本文方法取得了一定成果,但其依然存在缺陷,如本文方法并未考慮室內(nèi)無線傳感網(wǎng)絡(luò)錨節(jié)點(diǎn)分布過于密集,目標(biāo)點(diǎn)周圍存在不共線錨節(jié)點(diǎn)過多時(shí),對(duì)目標(biāo)錨節(jié)點(diǎn)定位運(yùn)算過于繁瑣,影響IOS平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信目標(biāo)自動(dòng)定位效率,因此未來需在上述角度對(duì)本文方法加以改進(jìn)。