孔勇平　鐘致民　楊廣龍　張玉良

1 引言

近年來，隨著無線通信技術(shù)和移動智能終端的廣泛應(yīng)用，基于移動的LBS應(yīng)用服務(wù)發(fā)展迅猛。早期的LBS系統(tǒng)主要應(yīng)用于快速救援，比較典型的有美國的E911系統(tǒng)和歐洲的E112系統(tǒng)。隨著GPS的普及，LBS的應(yīng)用范圍擴至軍事、交通、物流、醫(yī)療、民生等領(lǐng)域，用戶可以查出到興趣點的最優(yōu)路徑等信息[1]。近兩年來在3G寬帶移動互聯(lián)網(wǎng)和智能手機的帶動下，以手機為移動載體的LBS系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。其主要特點是室內(nèi)室外都可以進行定位，定位精度高。

目前市場上應(yīng)用于手機平臺的室內(nèi)LBS軟件較少，本文將基于Android平臺創(chuàng)建一個應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境的LBS系統(tǒng)平臺，可以根據(jù)客戶的位置提供相應(yīng)的服務(wù)，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于眾多的室內(nèi)場所，如超市、書店、博物館、火車站和商店等[2]。

2 基于Android的室內(nèi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 移動端平臺的選擇

Android平臺是谷歌并購Android后在2007年11月發(fā)布的一款新的手機操作平臺。Android基于Linux內(nèi)核，采用了軟件疊層的架構(gòu)。最底層是Linux核心層，以C語言進行開發(fā)，它作為軟硬件之間的抽象層，隱藏了硬件細(xì)節(jié)而為其上層提供了統(tǒng)一服務(wù)。在核心層之上，是由函數(shù)庫Libraries和運行時Runtime構(gòu)成的中間層，用C++開發(fā)而成。其中Runtime中包括了Android核心庫和Dalvik虛擬機。核心庫主要提供Java編程語言核心庫中可能用的功能，Dalvik虛擬機的作用則是為每一個Android應(yīng)用程序提供一個運行環(huán)境。中間層之上是Android的應(yīng)用層，它包括了應(yīng)用軟件及框架設(shè)計。通過這個開放的平臺，開發(fā)者們可以通過框架API盡情發(fā)揮自己的想象力，利用Java語言編寫出各種各樣的應(yīng)用軟件[3]。

正是由于Android采用了上述軟件分層結(jié)構(gòu)，開發(fā)者無需過多了解其他層次，而只需把應(yīng)用層作為一個有機整體對其進行理解并作進一步開發(fā)。與此同時Android的下層體系又能對上層提供很多服務(wù)，非常有利于標(biāo)準(zhǔn)化工作。同其他的手機平臺相比，Android擁有的Linux內(nèi)核在網(wǎng)絡(luò)性能方面更為出色，對硬件平臺的適應(yīng)性更好。另外，Android手機提供的無線Wi-Fi以及GPS等功能，使用戶可以非常方便地聯(lián)網(wǎng)（本系統(tǒng)的設(shè)計就是應(yīng)用了Android平臺自帶的Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，在程序中可以非常方便地調(diào)用及停止此功能[4]）?；贏ndroid平臺的以上特點，本系統(tǒng)選擇Android為LBS系統(tǒng)的底層平臺。

2.2 定位技術(shù)的選擇

這幾年室內(nèi)無線定位技術(shù)迅速發(fā)展，一些新型定位技術(shù)在商場、大型樓宇、工廠等場景中得到了廣泛應(yīng)用，比如Wi-Fi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)等。通過對比，本文選擇Wi-Fi技術(shù)作為室內(nèi)定位的主要技術(shù)手段，配合手機的GPS功能，可以實現(xiàn)室內(nèi)外全覆蓋定位。與其他技術(shù)相比，Wi-Fi技術(shù)具有諸多優(yōu)點，如：無線電波的覆蓋范圍廣，可以在整棟大樓中使用；傳輸速度快，利于實時交互；成本低，無需額外設(shè)備。

當(dāng)前，Wi-Fi定位技術(shù)主要分為四種：TOA（基于信號到達(dá)時間的定位）、TDOA（基于信號到達(dá)時間差的定位）、AOA（基于信號到達(dá)角度的定位）、RSSI（基于信號強度的定位方法）。這四種方法中，RSSI方法不需要增加額外的硬件設(shè)備就可以進行定位，在室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定時，其定位結(jié)果較為穩(wěn)定精確，因此本文采用RSSI定位算法。

2.3 定位流程

利用RSSI進行定位，需要在區(qū)域內(nèi)布置多個AP，然后將區(qū)域劃分成多個子區(qū)域，分別采集子區(qū)域內(nèi)的AP信號強度，采集時可以根據(jù)區(qū)域大小決定采集數(shù)據(jù)的密度[5]，然后將信號強度數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)端，這樣就可以據(jù)此繪制出位置-信號強度分布圖。

當(dāng)客戶端進入這些區(qū)域時，手機將會自動實時采集這些AP信息點發(fā)出信號的強度，將這些數(shù)據(jù)傳到服務(wù)端，在服務(wù)端將客戶端傳來的每個AP點的信號強度值與已經(jīng)采集的信號值進行比對，通過一定的算法得到最接近于實際信號強度值附近的目標(biāo)區(qū)域，從而對用戶進行定位，并將定位結(jié)果返回給客戶端。

定位流程如圖1所示。

3 室內(nèi)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文的LBS室內(nèi)定位系統(tǒng)可以分為三大部分：客戶端、服務(wù)端、數(shù)據(jù)庫?？蛻舳擞糜诓杉覂?nèi)信號強度信息、位置信息，被定位端實時上傳數(shù)據(jù)，定位端請求定位。服務(wù)端用于管理客戶端的設(shè)備信息、位置信息，查看狀態(tài)信息，并完成定位算法。數(shù)據(jù)庫用于存儲信號強度信息和室內(nèi)位置信息。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 室內(nèi)定位系統(tǒng)的實現(xiàn)

如前所述，本系統(tǒng)主要分為客戶端、服務(wù)端、數(shù)據(jù)庫三部分，其中客戶端主要實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)采集和定位顯示，服務(wù)端主要實現(xiàn)設(shè)備管理、位置管理等管理功能，數(shù)據(jù)用于存儲數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)如圖3所示，軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖3 物理結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)模塊圖

根據(jù)功能的不同將系統(tǒng)劃分為以下幾個模塊：終端設(shè)備管理模塊，指紋數(shù)據(jù)管理模塊，位置信息管理模塊，運行時管理模塊，定位服務(wù)管理模塊。

4.1 終端設(shè)備管理模塊

在使用系統(tǒng)時，終端設(shè)備第一次與平臺建立連接后，需要在平臺上注冊，并在平臺端生成一個注冊碼，對設(shè)備類型進行授權(quán)。當(dāng)完成這些操作后，平臺向終端發(fā)送注冊碼以及設(shè)備參數(shù)。

4.2 指紋數(shù)據(jù)管理模塊

當(dāng)終端采集設(shè)備連接到平臺時，采集端可以通過Wi-Fi、寬帶網(wǎng)絡(luò)等通信方式，將采集到的指紋數(shù)據(jù)直接上傳至平臺，省去人工上傳的附加動作。如果采集終端由于某些原因不能和平臺建立連接，無法保證數(shù)據(jù)實時的傳送到平臺中心，那就可以通過平臺提供的離線導(dǎo)入功能，將采集到的指紋數(shù)據(jù)上傳至平臺。endprint

4.3 位置信息管理模塊

位置信息是對實體建筑物在平臺上的模型進行轉(zhuǎn)換，平臺將一個位置劃分為建筑物信息、樓層信息、樓層內(nèi)部房間及公共空間等。通過對位置信息的管理，可以將一個實體建筑物劃分為可分開管理與維護的位置單元，從而可以在各個細(xì)分位置單元進行如數(shù)據(jù)采集與定位結(jié)果展示等操作。每個建筑物都有對應(yīng)的樓層平面圖，為了在平臺端更直接地細(xì)分位置單元、建立更為詳細(xì)的位置信息，平臺支持在樓層平面圖上直接標(biāo)注房間及公共空間等細(xì)粒度維度信息。

樓層平面圖需為標(biāo)準(zhǔn)SVG格式，在建立樓層時可同步上傳對應(yīng)的樓層平面圖SVG文件。位置信息添加是建立位置信息的基礎(chǔ)，通過手工建立位置信息及位置鄰接關(guān)系，將現(xiàn)實實體模型轉(zhuǎn)換為平臺可識別的數(shù)據(jù)模型。位置信息是進行數(shù)據(jù)采集及定位結(jié)果顯示的基礎(chǔ)。由于用戶可能不能及時上傳樓層平面圖SVG文件，該模塊可以直接通過手工輸入的形式進行位置信息的添加。

可以對已經(jīng)添加的位置信息進行修改與刪除操作，同時可以添加新建筑物，選擇對應(yīng)的建筑物可以添加新的樓層信息，選擇建筑物樓層信息可以添加新的房間及公共空間信息。

當(dāng)進行刪除操作時，如果選擇刪除建筑物信息，那么該建筑物下的樓層、房間及公共空間信息也將隨之刪除；如果選擇刪除樓層信息，則該樓層下的房間及公共空間信息也隨之刪除?？蓡为殑h除房間及公共空間信息。

終端采集設(shè)備在進行采集數(shù)據(jù)工作時，需要先下載對應(yīng)的位置信息；當(dāng)終端采集設(shè)備首次下載位置信息或者需要更新位置信息時，終端采集設(shè)備需要連接到平臺。

4.4 運行時管理模塊

運行時管理主要針對當(dāng)前連接到平臺且正在運行的終端設(shè)備，包含采集端、定位端、被定位端等終端設(shè)備，其功能包括手工刪除在線設(shè)備、重置在線設(shè)備、修改在線設(shè)備參數(shù)等。它是定位端查詢可被定位終端設(shè)備、向平臺發(fā)起定位請求的基礎(chǔ)模塊。

為有效管理終端設(shè)備，每個終端設(shè)備在啟動、運行和關(guān)閉過程中，都會在指定時間范圍內(nèi)向平臺發(fā)送心跳包信息，以便平臺動態(tài)掌握終端運行狀態(tài)。平臺在接收到心跳信息后會及時更新運行時數(shù)據(jù)，以便更有效查看當(dāng)前終端設(shè)備的運行狀況。

如果平臺端對該部分參數(shù)做出調(diào)整，平臺會啟動androidPN推送更新后的參數(shù)信息到指定的終端設(shè)備。平臺端推送消息到特定終端設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為JSONObject格式：

{"result"："0x0001"，"contLocInteval"：00，"maxLocWaitTime"：00，"heartbeat"：00}

平臺端可以人工管理正在運行的終端設(shè)備，若終端設(shè)備運行時數(shù)據(jù)異常，可以讓其從平臺端斷開連接。手工刪除指定運行時設(shè)備后，該設(shè)備將與平臺端停止通信，下次通信時間點為該終端設(shè)備再次啟動終端設(shè)備軟件時。手工刪除終端設(shè)備后，平臺會啟動androidPN推送停止消息到指定的終端設(shè)備，當(dāng)前僅限于Android終端設(shè)備。平臺端推送消息到特定終端設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為JSONObject格式：

{"result"："0x0003"，"destImei"：""}

平臺端可對當(dāng)前運行時設(shè)備正在進行的工作進行重置，此處主要針對終端設(shè)備定位端及終端設(shè)備被定位端而設(shè)立，可以使當(dāng)前正在進行的定位活動停止并重新啟動。終端設(shè)備重置后，會根據(jù)實際運行情況，主動再次連接平臺并進行通信；而平臺則會啟動androidPN推送停止消息到指定的終端設(shè)備，當(dāng)前僅限于Android終端設(shè)備。平臺端推送消息到特定終端設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為JSONObject格式：

{"result"："0x0002"，"destImei"：""}

4.5 定位服務(wù)管理模塊

該模塊管理與維護定位算法及更新定位模型庫，在更新指紋數(shù)據(jù)或者更新位置信息時暫停或者停止定位服務(wù)，以便定位算法更新相關(guān)數(shù)據(jù)模型。定位服務(wù)分為運行和停止兩種狀態(tài)，只有定位服務(wù)處于運行狀態(tài)時，終端設(shè)備定位端發(fā)出的定位請求才是有效的。當(dāng)指紋數(shù)據(jù)更新時，可通過平臺直接更新定位模型，加快數(shù)據(jù)更新，減少手工操作的繁瑣。

定位是建立在指紋數(shù)據(jù)、位置信息、定位算法、定位服務(wù)和運行時設(shè)備基礎(chǔ)之上的。當(dāng)終端設(shè)備定位端向平臺提出定位請求時，平臺會根據(jù)實際情況來確認(rèn)該定位請求是否有效。平臺根據(jù)終端設(shè)備被定位端提交的指紋數(shù)據(jù)運行定位算法，將定位結(jié)果推送到終端設(shè)備定位端。定位類型分為單次定位和多次定位即連續(xù)定位。

平臺端根據(jù)提交的請求確認(rèn)是否有效，如有效，平臺通知終端設(shè)備定位端定位請求成功，并通知終端設(shè)備被定位端按定位類型向平臺發(fā)送指紋數(shù)據(jù)；如無效，平臺通知終端設(shè)備定位端定位請求無效。平臺接收終端設(shè)備被定位端返回的指紋數(shù)據(jù)運行定位算法，獲取定位結(jié)果，并利用androidPN技術(shù)推送定位結(jié)果到終端設(shè)備定位端。

選擇終端設(shè)備被定位端及定位類型后，終端設(shè)備定位端向平臺發(fā)出定位申請，由于獲取終端設(shè)備被定位端數(shù)據(jù)列表到定位申請發(fā)出有時間間隔，平臺會檢測相應(yīng)的被定位端當(dāng)前工作狀態(tài)。同時，針對每次定位申請，平臺都會檢測當(dāng)前定位服務(wù)狀態(tài)，只有當(dāng)前定位服務(wù)狀態(tài)為運行時才可以執(zhí)行定位算法。

當(dāng)終端設(shè)備被定位端接收到定位類型數(shù)據(jù)時，會自動在指定時間范圍內(nèi)向平臺發(fā)送指紋數(shù)據(jù)，平臺根據(jù)被定位端發(fā)送的指紋數(shù)據(jù)運行定位算法，將定位結(jié)果利用androidPN推送到指定定位端。平臺運行定位算法得到定位結(jié)果后，會利用androidPN推送定位結(jié)果到指定的定位端完成定位流程。

4.6 數(shù)據(jù)表

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要包括以下數(shù)據(jù)表：終端設(shè)備表，主要用于記錄終端設(shè)備信息；位置信息表，主要用于記錄室內(nèi)采集的位置信息；指紋數(shù)據(jù)表，主要用于記錄采集的信號強度信息；定位日志表，主要用于記錄定位結(jié)果信息；運行時設(shè)備表，主要用于記錄正在運行的設(shè)備信息；系統(tǒng)用戶表，用于記錄當(dāng)前管理用戶信息。endprint

5 實驗結(jié)果分析

本次選擇一個展覽館作為測試地點，此展覽館有很多Wi-Fi點滿足系統(tǒng)對Wi-Fi點的要求。首先使用采集端在室內(nèi)選擇不同的位置點進行數(shù)據(jù)采集，在服務(wù)端將這些數(shù)據(jù)通過一定的算法生成位置模型記錄到數(shù)據(jù)庫中。然后切換到定位端和被定位端，此時需要兩部手機，一部作為定位端，另一部作為被定位端，在被定位端上運行應(yīng)用程序，應(yīng)用程序?qū)褜崟r采集到的信號強度信息發(fā)送到服務(wù)端，在服務(wù)端通過跟以后的模型進行對照確定被定位端所處的位置，將結(jié)果返回給定位端。定位端根據(jù)需要選擇被定位的設(shè)備，向服務(wù)端發(fā)送定位請求，服務(wù)端根據(jù)定位端發(fā)送過來的請求將定位結(jié)果返回給定位端手機。定位結(jié)果如圖5所示：

（a）定位請求選擇 （b）顯示定位結(jié)果和室內(nèi)圖

圖5 室內(nèi)定位結(jié)果圖

經(jīng)過測試本系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到1m，反應(yīng)時間在3s以內(nèi)，能滿足大多數(shù)室內(nèi)定位要求。

6 結(jié)語

本文利用Android操作平臺，結(jié)合RSSI室內(nèi)定位技術(shù)設(shè)計了一個室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在多種場合使用，比如商場、車站、工廠、學(xué)校等地。在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境開發(fā)出基于室內(nèi)定位的各種應(yīng)用系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有實現(xiàn)成本低廉、應(yīng)用廣泛的特點，將能給消費者帶來很好的體驗。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 侯振堂，梁博，張建，等. Wi-Fi技術(shù)與傳統(tǒng)礦井無線通信技術(shù)對比[J]. 科技信息，2012（3）： 152，174.

[3] 顧聰，陳毅強，劉軍發(fā)，等. 基于Android平臺的室內(nèi)LBS系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機工程與設(shè)計， 2012，33（1）： 396-401.

[4] 朱明輝，張會清. 基于RSSI的室內(nèi)測距模型的研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng)， 2010，29（8）： 19-22.

[5] 康會娜，張琦. 大型場館游客定位誘導(dǎo)系統(tǒng)的研究[J]. 信息技術(shù)， 2010，34（8）： 65-69.

[6] 宋杰，王書菊，曹竹東，等. 基于ARM2440平臺的Android操作系統(tǒng)的移植[J]. 計算機技術(shù)與發(fā)展， 2011，21（1）： 66-69.

[7] 虞志飛，鄔家偉. ZigBee技術(shù)及其安全性研究[J]. 計算機技術(shù)與發(fā)展， 2008，18（8）： 144-147.

[8] 任秀麗，于海濱. ZigBee無線通信協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)的研究[J]. 計算機工程與應(yīng)用， 2007，43（6）： 143-145.

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[10] Ono S， Morinaga K， Nakayama S. Barcode design by evolutionary computation[J]. Artificial Life and Robotics， 2009，13（1）： 238-241.endprint

5 實驗結(jié)果分析

本次選擇一個展覽館作為測試地點，此展覽館有很多Wi-Fi點滿足系統(tǒng)對Wi-Fi點的要求。首先使用采集端在室內(nèi)選擇不同的位置點進行數(shù)據(jù)采集，在服務(wù)端將這些數(shù)據(jù)通過一定的算法生成位置模型記錄到數(shù)據(jù)庫中。然后切換到定位端和被定位端，此時需要兩部手機，一部作為定位端，另一部作為被定位端，在被定位端上運行應(yīng)用程序，應(yīng)用程序?qū)褜崟r采集到的信號強度信息發(fā)送到服務(wù)端，在服務(wù)端通過跟以后的模型進行對照確定被定位端所處的位置，將結(jié)果返回給定位端。定位端根據(jù)需要選擇被定位的設(shè)備，向服務(wù)端發(fā)送定位請求，服務(wù)端根據(jù)定位端發(fā)送過來的請求將定位結(jié)果返回給定位端手機。定位結(jié)果如圖5所示：

（a）定位請求選擇 （b）顯示定位結(jié)果和室內(nèi)圖

圖5 室內(nèi)定位結(jié)果圖

經(jīng)過測試本系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到1m，反應(yīng)時間在3s以內(nèi)，能滿足大多數(shù)室內(nèi)定位要求。

6 結(jié)語

本文利用Android操作平臺，結(jié)合RSSI室內(nèi)定位技術(shù)設(shè)計了一個室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在多種場合使用，比如商場、車站、工廠、學(xué)校等地。在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境開發(fā)出基于室內(nèi)定位的各種應(yīng)用系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有實現(xiàn)成本低廉、應(yīng)用廣泛的特點，將能給消費者帶來很好的體驗。

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[10] Ono S， Morinaga K， Nakayama S. Barcode design by evolutionary computation[J]. Artificial Life and Robotics， 2009，13（1）： 238-241.endprint

5 實驗結(jié)果分析

本次選擇一個展覽館作為測試地點，此展覽館有很多Wi-Fi點滿足系統(tǒng)對Wi-Fi點的要求。首先使用采集端在室內(nèi)選擇不同的位置點進行數(shù)據(jù)采集，在服務(wù)端將這些數(shù)據(jù)通過一定的算法生成位置模型記錄到數(shù)據(jù)庫中。然后切換到定位端和被定位端，此時需要兩部手機，一部作為定位端，另一部作為被定位端，在被定位端上運行應(yīng)用程序，應(yīng)用程序?qū)褜崟r采集到的信號強度信息發(fā)送到服務(wù)端，在服務(wù)端通過跟以后的模型進行對照確定被定位端所處的位置，將結(jié)果返回給定位端。定位端根據(jù)需要選擇被定位的設(shè)備，向服務(wù)端發(fā)送定位請求，服務(wù)端根據(jù)定位端發(fā)送過來的請求將定位結(jié)果返回給定位端手機。定位結(jié)果如圖5所示：

（a）定位請求選擇 （b）顯示定位結(jié)果和室內(nèi)圖

圖5 室內(nèi)定位結(jié)果圖

經(jīng)過測試本系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到1m，反應(yīng)時間在3s以內(nèi)，能滿足大多數(shù)室內(nèi)定位要求。

6 結(jié)語

本文利用Android操作平臺，結(jié)合RSSI室內(nèi)定位技術(shù)設(shè)計了一個室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在多種場合使用，比如商場、車站、工廠、學(xué)校等地。在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境開發(fā)出基于室內(nèi)定位的各種應(yīng)用系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有實現(xiàn)成本低廉、應(yīng)用廣泛的特點，將能給消費者帶來很好的體驗。

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