基于LBS的校园定位系统设计与实现.docx

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基于LBS的校园定位系统设计与实现

基于LBS的校园定位系统设计与实现

摘要:

为了解决目前智能手机中位置服务LBS（LocationBasedService）类移动应用在小环境区域不能准确提供位置服务的问题，以校园为例提出了一种基于室内外定位的LBS系统设计方案。

首先介绍系统结构设计，然后详细分析了MobileGIS、GPS、基于WiFi信号强度值的位置指纹定位算法等系统设计中的关键技术，最后测试验证系统的各个功能模块。

测试结果表明，系统可以实现终端定位、室内位置服务、校园导航、地图服务等功能，且操作便捷，具备可行性和实用性。

关键词:

位置服务;Android;室内外定位;MobileGIS

Abstract:

Thisstudyaddressesthedislocationofthecurrentapplicationsoftwareoftheintelligentmobilephonelocationbasedservice（LocationBasedService，LBS），adesignsolutionofcampusLBSsystemisintroducedbasedonindoor-outdoorpositioning．First，thearchitectureofthesystemisintroduced．ThenthekeytechnologiessuchasMobileGIS，GPSandtheRSSIfingerprintpositioningstrategyinsystemdesignareanalyzedelaborately．Atlastthefunctionmodulesofsystemaretestedandverified．Testresultsshowthatthesystemcanrealizesomefunctionsofterminalpositioning，servicebasedonindoorpositioning，campusnavigation，mapserviceandsoon．Itoccupiesfea-turesofconvenience，feasibilityandpracticality．

Keywords:

locationbasedservice;Android;indoor-outdoorpositioning;mobileGIS

0引言

近年来，移动互联网技术飞速发展、Android智能手机的日益普及，基于Android平台而开发的各种移动应用层出不穷。

其中，被看作移动互联网领域的“杀手级应用”的LBS更是得到了前所未有的发展。

LBS发展至今，人们更加需要在像学校、医院这样的小环境区域中获得准确LBS服务。

提供LBS服务必须在确定用户位置的基础上，而这样的小环境区域往往包含室内和室外两种不同的环境。

在室外，GPS提供了非常精准的位置信息;但是卫星信号易受到建筑物的遮挡，在室内环境下GPS并不能提供高精度的定位，而WiFi、ZigBee、蓝牙、红外、超声波、射频识别、超宽带等无线定位技术快速发展，成为对GPS的有力补充。

因此本文以校园这个特殊职能的小环境区域为研究对象，基于Android平台设计和实现了一个校园LBS系统:

以ArcGIS系列软件制作的校园地图为背景;室外环境中通过接收GPS信号进行定位;室内环境中在无需利用额外硬件设备的前提下，综合考虑无线信号覆盖范围、受室内环境影响程度、定位精度要求等等，采用基于WiFi信号强度的位置指纹定位算法进行定位。

系统可为师生和来访者提供位置相关的信息服务。

1.系统设计

1．1系统需求分析

本系统所追求的理想结果是在室外环境中，地图服务功能能够让用户在终端设备上查看校园环境地图，通过放大缩小、上下移动等操作全面熟悉校园环境。

实时定位用户位置、查询从当前位置前往目的地的最优路径并标记在校园环境地图上;在室内环境中，根据用户的选择显示相应的室内环境地图。

定位时，将用户相对于室内环境的位置标记在室内环境地图上，并且能够获取该位置相应的服务信息，例如，空教室信息、课程信息等等。

1.2系统总体设计

根据系统的需求分析，整个系统在逻辑上分为客户端、服务器端与数据库三层架构。

系统结构如下：

图1系统架构图

（1）客户端:

安装于Android系统的智能手机上，完成核心功能与数据的前台显示，是与用户进行交互的重要层。

系统核心功能主要包括地图服务、室外GPS定位、校园路径指引、室内WiFi定位、课程信息查询、空教室查询。

（2）服务器端:

运行于PC端，主要分为GIS服务器、Web服务器和定位服务器。

将ArcGISDesktop软件创建的校园地图利用ArcGISServer发布于Web服务器，并实现管理和更新。

当Web服务器接收到客户端发来的地图操作请求时，通知GIS服务器根据要求调用数据库中的地图数据以及相应的地理处理工具来提供服务。

定位服务器主要用于运行算法，当接收到客户端发来的无线信号时，调用室内定位算法确定终端设备的位置，并将该位置的相关数据发送至客户端。

客户端与服务端之间利用无线网络进行数据传输，通过标准的HTTP协议进行通信。

（3）数据库:

负责向服务层提供数据支持。

客户端使用SQLite和文件方式存储少量本地数据;定位服务器采用Mysql数据库存储室内定位中离线训练阶段的位置指纹库、空闲教室信息和课程信息。

GIS服务器采用Geodatabase地理数据库存储校园地图的空间数据和属性数据。

2校园地图系统设计

针对校园环境的地图系统的设计过程就是将校园地理信息矢量化为地图并完成发布和管理的过程，由ArcGISDesktop软件来完成空间数据的采集、编辑、分析、更新等操作，ArcGISServer实现地图服务和网络分析服务发布，在Android平台上结合ArcGISforAndroid插件访问自行发布的地图，获取地图服务和网络分析服务。

2．1空间数据的采集

空间数据的采集是将纸质地图像、外业、遥感影观测数据、文本资料等不同来源的数据转换成计算机可以接收与处理的数字形式。

本地图中，主要包括以下几种数据:

（1）地图数据，采用了由学校提供的校园平面地图。

（2）影像地图，在GoogleEarth上利用GEtScreen软件截取校园卫星影像数据。

（3）实测数据，由于设备有限，本地图直接通过ArcGISOnline、GoogleMap等现有的地图软件测量比较获取地图点坐标、道路路线长度等数据。

2．2地理配准

采集的校园平面地图和卫星影像数据是不含任何地理数据信息的，要使用它就要进行配准以及赋予它正确的地理数据。

这里必须引入空间参考的概念。

空间参考包括X、Y、Z值坐标系以及X、Y、Z和M值的容差值和分辨率值，使用这些属性，可以确定一个地物在地球上的位置。

常用的坐标系统主要包括地理坐标系和投影坐标系。

本地图中选择地理坐标系GCS_WGS_1984，该坐标系就是移动平台GPS所采用的坐标系统，通过GPS获得的坐标信息都是按这个坐标系提供的经纬度。

ArcGIS中地理配准使用Geo-referencing工具条，一般要经过坐标系的选择添加控制点、检查残差、校正及重采样等几个步骤。

为减少误差带来的影响，控制点应当尽量选取卫星影像上容易分辨且比较精细特征点或者图像边缘处的点。

并且尽可能在区域当中均匀、满幅的选点。

影像特征变化较大的地区应该多选几个控制点。

2．3空间数据的编辑

完成地理配准之后，需要构建校园要素图，对校园内所需描述的要素以图层的形式表现出来，这是一个矢量化的过程。

根据系统的设计要求，将校园地图的空间数据分为5个图层，涉及点要素、线要素和面要素3种图层类型，完成对不同属性地物的矢量化。

ArcGIS中空间数据的编辑使用Editor工具条，依次对各个图层的地物进行编辑。

进行数据编辑时需要注意各个数据元素之间的拓扑规则。

2.4空间数据的分析

ArcGIS中使用网络分析功能模拟解决现实世界的多种网络问题。

根据网络问题的不同类型，可以采取不同的建模方式。

对于定向网络，通常采用几何网络分析方式建模。

对于非定向网络通常采用网络数据集的方式建模。

交通网络属于非定向网络，适用由边、交汇点和转弯要素组成的网络数据集建模。

步骤如下:

首先建立和编辑网络数据集;然后在网络数据集中利用ArcToolbox中的网络分析扩展模块进行点到点的路径分析，获得最短路径。

2.5地图服务与网络分析服务发布

ArcGISServer服务器上发布服务之前需先安装IIS，它是允许在网络（包括互联网和局域网）上发布信息的Web服务器。

校园地图服务和网络分析服务发布成功之后，可在ArcGISOnline上实现在线访问，通过IIS供不同的移动终端调用。

Android平台使用ArcGISforAndroid插件调用自行发布的地图，执行最短路径分析操作。

3基于WiFi信号强度的位置指纹定位

复来杂多变的室内环境中，无线信号传播衰减模型难以准确的描述具有较强时变特性的WiFi信号强度与距离之间的关系。

由于基于WiFi信号强度值的位置指纹定位算法具有较好的定位鲁棒性，因此本系统使用它进行室内定位。

位置指纹定位是依据终端所处位置的位置指纹信息，查询位置指纹库，根据相应的匹配算法来估计终端所处的位置。

可获取的位置指纹有多种，因RSSI易于测量，因而受到了广泛关注。

位置指纹定位通常分为两个阶段离线建库阶段和在线定位阶段。

离线建库阶段首先建立一张与目标环境地理图相对应的地理空间坐标图来，然后将目标区域划分为若干采集点。

采集点的密集程度及数量可根据环境而定，一般情况下，采集点越密集，定位结果越精准对每个采集点多次扫描每个AP的值，定位号强度值，扫描结果进行“平滑”处理，去除一些跳变较大的值，其余值求平均，形成RSSI位置指纹库。

本文采用高斯滤波方法对信号进行“平滑”处理，之所以采取高斯滤波方法，是由于RSSI值的分布与正态分布曲线相似。

根据所查资料可知，AP接入点个数为4个时室内环境位置指纹可满足定位精度的要求，因此将RSSI位置指纹库的数据表设计RSSI位置指纹库的数据表设计为＜ID、X、Y、MAC1、RSSI1、MAC2、RSSI2、MAC3、RSSI3、MAC4、RSSI4＞形式，其中ID为各个采集点编号，X、Y为采集点的横纵坐标，MAC1、MAC2、MAC3、MAC4分别为4个AP接入点的物理地址，RSSI1、RSSI2、RSSI3、RSSI4分别为对应的信号强度平均值，也是用于定位的指纹特征。

考虑到校园楼宇AP的布设情况，大多数楼宇都能满足一个楼层4个接入点或者更多的要求，这里不再另外布置AP，而是选择平均信号强度值最大的4个现有AP进行建库。

测量无线信号的设备使用华硕笔记本A45V测试软件是专门写的一个采集无线信号的小程序。

在线定位阶段，通过客户端扫描当前位置的实时信号强度值。

为了提高数据准确性将扫描次数定为5次然后取平均值作为该AP的实时信号强度值。

将处理好的实时RSSI值发送至定位服务器，由定位服务器调用最近邻算法与位置指纹库进行匹配，找出与当前位置距离最近的采集点，从而估算出终端所在位置。

4校园LBS系统功能模块实现

4.1开发环境的搭建

开始开发本应用时，我们要先搭建开发环境。

我们首先需要安装几个软件和开发包。

1.JavaJDK。

JDK是JAVA语言的软件工具开发包。

有了他我们才能运行JAVA文件。

在安装完了JDK后我们还需进行环境变量的配置，确保我们在各个文件夹下都能运行Java应用。

2.AndroidStudio。

AndroidStudio是一个Android集成开发工具，提供了集成的Android开发工具用于开发和调试；它是基于Gradle的构建支持和Android专属的重构和快速修复；提示工具以捕获性能、可用性、版本兼容性等问题和基于模板的向导来生成常用的Android应用设计；组功能强大的布局编辑器，可以让你拖拉UI控件并进行效果预览。

3.高德地图AndroidSDK。

高德地图AndroidSDK是一套基于Android2.1及以上版本设备的应用程序接口。

通过调用地图SDK接口，我们可以访问高德地图服务和数据，构建功能丰富、交互性强的地图类应用程序。

为了在Android地图应用程序中使用高德SDK和高德API，需要将相关文件拷贝到文件夹LIBS下，一个是.jar文件，另一个是.so文件。

另外我们需要使用高德账号申请一个安全码，然后再配置Android应用的Key,并在清单文件中的标签内使用标签填写这个Key。

需要注意的是一个应用对应一个安全码。

具体的下文会详细说明。

完成了以上开发环境搭建工作后，我们就可以开始开发我们的应用了。

4.2校园定位微微任务APP具体设计

之前下载好的.so和.jar文件放入libs文件夹下，对于每个jar文件，右键-选择AddAsLibrary，导入到工程中。

工程文件结构大致如图所示。

2.添加用户key在工程的“AndroidManifest.xml”文件如下代码中添加您的用户Key

3.添加所需权限在工程的“AndroidManifest.xml”文件中进行添加。

4.在布局xml文件中添加地图控件。

5.创建地图Activity，由于Java文件涉及的代码比较多，这里展示部分代码

6.配置AndroidManifest.xml；在application标签中声明service组件,每个app拥有自己单独的定位service；然后在使用权限

7.启动定位功能：

在主线程中获得地图对象AMap，并设置定位监听且实现LocationSource接口

然后配置参数，启动定位

8.实现AmapLocationListener接口，实现定位结果，代码较多，这里只显示部分

4.3应用功能测试

1.我们打开网络，打开app，则会在地图上显示当前位置，点击屏幕上的加减好可以进行缩放，如图所示

2.然后我们可以设置发布任务的详情，有标题；内容和任务的分类；发布的范围，如图所示

3.我们还可以在界面上看见我们说发布的任务和一些你选择接受的任务

4.我们还可以用户登录，用户发布的任务在他选择的范围的周报区域内，安装了同样此app的人在打开时就可以看见别人发布的任务，如果选择接受，就可以去执行此任务，比如到3号门帮我去拿个快递

5.总结

基于校园无线网络的LBS平台属于智慧校园的一部分，整个系统从教育信息化发展的实际需要出发，将人与物等相关信息进行整合以位置和地图的方式呈现，为校园网用户提供基于位置的信息服务，不但直观、充分地反映了校园内的教学、办公场所的地理分布情况，也为师生以及管理者提供了实时、便利、动态的个性化信息服务。

基于LBS的数字校园信息服务系统的建立，可以结合业务部门的管理职能，提高工作效率，可以为学校提供一个更加智能的服务体系，促进学校各项工作的科学推进与发展。

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