許　微　查　峰　李　豹

(海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系　武漢　430033)

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基于Android平臺(tái)的位置指紋室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)*

許微查峰李豹

(海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系武漢430033)

摘要在研究基于 RSSI(Received Signal Strength Indication)位置指紋室內(nèi)定位算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于 Android平臺(tái)的室內(nèi)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為定位客戶端和服務(wù)器端兩部分，同時(shí)設(shè)計(jì)了位置指紋庫的相關(guān)字段。系統(tǒng)主要應(yīng)用于室內(nèi)人員的定位，不同的系統(tǒng)使用者可以添加各種豐富的基于位置的服務(wù)信息，從而提供LBS。

關(guān)鍵詞接收信號(hào)強(qiáng)度指示; 位置指紋; 室內(nèi)定位系統(tǒng)

Class NumberU666.1

1引言

隨著人們對(duì)基于位置的服務(wù)的需求的迅速增加，室內(nèi)定位的應(yīng)用如雨后春筍，例如:在大型展館中，根據(jù)游覽者的當(dāng)前位置，導(dǎo)游系統(tǒng)可以提供精準(zhǔn)導(dǎo)覽，大大提升用戶的參觀體驗(yàn)，同時(shí)節(jié)省人力成本；在地下礦藏開采中，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握工人的位置，有助于提高企業(yè)的管理水平，尤其是在發(fā)生安全事故時(shí)，便于應(yīng)急救援的開展，最大程度的減少傷亡。

但是傳統(tǒng)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如GPS和北斗，在室外定位領(lǐng)域已經(jīng)是功勛卓著，但是在室內(nèi)定位領(lǐng)域(包括森林和地下環(huán)境)，由于建筑物對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的遮蔽，無法為室內(nèi)用戶提供精準(zhǔn)的位置信息，對(duì)于室內(nèi)用戶的定位的接力棒就交給了室內(nèi)定位系統(tǒng)。

2室內(nèi)定位系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有的室內(nèi)定位系統(tǒng)，由于不能像全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以一種技術(shù)架構(gòu)適用于所有不用領(lǐng)域、不同需求的解決方案。各個(gè)行業(yè)、各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的室內(nèi)定位均有各自的技術(shù)特點(diǎn)。因此從不同角度分類，可以將室內(nèi)定位系統(tǒng)根據(jù)定位技術(shù)和定位算法等進(jìn)行分類。

首先，根據(jù)采用的定位技術(shù)的不同，室內(nèi)定位系統(tǒng)可概括分為兩大塊:基于慣性技術(shù)(基于加速度傳感器和陀螺儀等的慣性測(cè)量)和基于短距離無線技術(shù)(包括紅外、超聲波、藍(lán)牙、射頻標(biāo)簽、Zigbee、UWB和無線局域網(wǎng)WLAN)。

其次，根據(jù)采用的定位算法的不同，可分為基于距離參數(shù)定位方法和基于非距離參數(shù)定位方法的室內(nèi)定位系統(tǒng)?；诰嚯x參數(shù)定位方法通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度等信息來計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位置，定位精度相對(duì)較高[1]，如 TOA ( Time of Arrival ) 、TDOA ( TimeDifference of Arrival) 、AOA ( Angle of Arrival) 等，需要額外的硬件支持?；诜蔷嚯x參數(shù)定位方法利用網(wǎng)絡(luò)連通性、相似匹配性等信息實(shí)現(xiàn)定位，在成本和功耗等方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但定位精度相對(duì)較低，如質(zhì)心算法[2]，APIT( Approximate Point-In-Triangulation Test )[3]、DV-Hop ( Distance Vector-hop)[4]、MAP(Mobile Anchor Point)、凸規(guī)劃定位和Ring-Overlapping定位算法[5]等。

因此，如何減少額外硬件設(shè)備，以較低的成本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的高精度定位，滿足室內(nèi)用戶的位置信息需求，成為定位技術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)課題。隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，非主要應(yīng)用于定位的無線信號(hào)的無處不在，促使人們利用這些無線信號(hào)的特征進(jìn)行定位的想法。位置指紋法正是在這樣的背景下顯現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用價(jià)值?；谖恢弥讣y的定位技術(shù)主要是基于射頻無線信號(hào)的目標(biāo)定位方法，目前多應(yīng)用于基于無線網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)，如無線局域網(wǎng)(WLAN)、GSM網(wǎng)絡(luò)、WCDMA網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)等[6～10]。所謂位置指紋，是指目標(biāo)源處于某一位置時(shí)，各個(gè)接收器所測(cè)得的某些物理參數(shù)與該位置存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即一組物理參數(shù)可唯一地表示一個(gè)目標(biāo)源位置，則可將這組物理量視作該位置的指紋。對(duì)于確定信號(hào)源定位，可用于做指紋的特征物理量有很多，如接收信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、功率級(jí)、響應(yīng)速度等，其中最常用的是接收信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength, RSS)，這是由于大部分無線網(wǎng)絡(luò)如WLAN和ZigBee 等協(xié)議都支持以接收信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication, RSSI)的形式提供以dBm為單位的接收信號(hào)強(qiáng)度信息，完全通過純軟件的方式就能夠?qū)崿F(xiàn)定位?；谖恢弥讣y的定位算法主要分為離線指紋庫建立階段和在線定位階段[11]：

1) 離線指紋庫建立階段。此階段在目標(biāo)定位之前進(jìn)行，在部署好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，根據(jù)應(yīng)用需求，確定指紋采集點(diǎn)的數(shù)目與位置。之后，接收設(shè)備至各采集點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集。在每一個(gè)采集點(diǎn)處，將各個(gè)接收器采集到的信號(hào)特征量與采集點(diǎn)的坐標(biāo)一同組成位置指紋庫。

2) 在線定位階段。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí)，各個(gè)接收器可接收到RSSI序列，組成一組特征矢量 。將該組矢量與位置指紋庫中的各組數(shù)據(jù)中特征量部分進(jìn)行匹配，將滿足匹配條件的己存特征矢量所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)或坐標(biāo)的某種組合作為目標(biāo)的位置[12]。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的位置指紋室內(nèi)定位系統(tǒng),屬于一個(gè)主動(dòng)定位的基于Android平臺(tái)的定位系統(tǒng)，一般用于服務(wù)場(chǎng)合。如在大型博覽會(huì)中，用戶可以通過自己隨身攜帶的Android終端獲取自己當(dāng)前的位置信息，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶所處的位置將對(duì)應(yīng)的商家服務(wù)信息推送給用戶，這樣便達(dá)到了游覽者和商家雙贏的目的；在醫(yī)院，就醫(yī)者可以從自己的手機(jī)終端上獲得自己所處的院內(nèi)位置信息，快速找到自己的就診科室，及時(shí)就醫(yī)；在圖書館，借閱者同樣可以瀏覽手中Android移動(dòng)終端上顯示的位置信息，獲知自己當(dāng)前位置屬于哪類圖書的存放區(qū)。類似的室內(nèi)場(chǎng)合還很多，主要的應(yīng)用價(jià)值在于定位用戶可以獲取自己在室內(nèi)的位置信息，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶當(dāng)前的位置，選擇性推送相關(guān)的基于位置的服務(wù)信息，這樣可以讓定位移動(dòng)終端用戶獲取較好的基于位置的服務(wù)體驗(yàn)。

3.1總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)擬采用客戶端/服務(wù)器 (Client/Server，C/S)的軟件架構(gòu)(如圖1)。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖

主要提供基本的靜態(tài)定位功能，這是其他跟蹤導(dǎo)航功能的基礎(chǔ)，后續(xù)開發(fā)中將實(shí)現(xiàn)針對(duì)動(dòng)態(tài)用戶的定位導(dǎo)航跟蹤，不同的系統(tǒng)使用者可以在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中添加各種豐富的基于位置的服務(wù)信息，從而提供LBS。

客戶端和服務(wù)端的開發(fā)語言為JAVA?？蛻舳耸前惭b在Android系統(tǒng)上的APP應(yīng)用程序，采用Android 主流的開發(fā)環(huán)境 Eclipse+ADT+Android SDK，Android應(yīng)用程序是在 Eclipse平臺(tái)上編寫的，首先需要在Eclipse上安裝ADT插件，然后指定Android SDK所在的路徑，便可以創(chuàng)建Android虛擬機(jī)，進(jìn)行Android應(yīng)用程序的初步調(diào)試。服務(wù)器端同樣以Eclipse作為開發(fā)環(huán)境，采用JAVA語言編寫實(shí)現(xiàn)。

位置指紋數(shù)據(jù)庫選用SQLite數(shù)據(jù)庫。SQLite是一款輕型的數(shù)據(jù)庫，只需要幾百KB的內(nèi)存即可,占用的資源非常少，適用于內(nèi)存不多的嵌入式產(chǎn)品，如智能手機(jī)。SQLite雖然很小巧，但是支持很多SQL語句，例如attach database,begin transaction,create index,create view,select以及update等數(shù)據(jù)庫操作命令，同時(shí)，它也遵守ACID關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。Android平臺(tái)采用了SQLite的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)方式，并且為開發(fā)者提供了API。開發(fā)者可以通過創(chuàng)建SQLiteDataHdper的子類來創(chuàng)建自己的SQLiteDatabase實(shí)例。SQLiteDatabase提供了對(duì)數(shù)據(jù)庫的所有操作，如query，insert,update,delete等。

3.2客戶端設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的客戶端主要是實(shí)現(xiàn)各種移動(dòng)終端位置導(dǎo)航定位。具體就是具有檢測(cè)和識(shí)別RSSI、發(fā)送RSSI和定位請(qǐng)求、顯示定位結(jié)果的功能。

另外，為了便于離線訓(xùn)練階段指紋數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建，盡量減少人工統(tǒng)計(jì)記錄的工作，該系統(tǒng)在上述的功能模塊基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)輔助創(chuàng)建指紋數(shù)據(jù)庫的另一個(gè)客戶端，同樣運(yùn)行于Android平臺(tái)上，主要供數(shù)據(jù)庫管理員使用，應(yīng)具有采集位置指紋信息，傳送參考點(diǎn)的RSSI和位置信息到服務(wù)器端的功能；對(duì)應(yīng)地，在服務(wù)器端，需要增加相應(yīng)的功能模塊，配合數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建客戶端完成指紋數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建，應(yīng)具有接收參考點(diǎn)位置指紋信息、處理指紋信息、連接數(shù)據(jù)庫并寫入指紋數(shù)據(jù)的功能。

定位客戶端和創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫客戶端均是安裝在Android平臺(tái)的移動(dòng)終端上，離線建立指紋數(shù)據(jù)庫時(shí)，系統(tǒng)管理員通過Android手機(jī)內(nèi)置的無線網(wǎng)卡連接功能連到服務(wù)器所在的網(wǎng)絡(luò)，使得客戶端和服務(wù)器處在同一局域網(wǎng)內(nèi)，并按照設(shè)定好的參考點(diǎn)位置在每一個(gè)參考點(diǎn)使用創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫客戶端采集參考點(diǎn)位置指紋信息，并連同其的位置坐標(biāo)傳送到服務(wù)器端。在線定位時(shí)，用戶啟動(dòng)客戶端程序后，并發(fā)送一個(gè)定位請(qǐng)求到服務(wù)器，通過和服務(wù)器之間的socket通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將能采集到的AP的RSSI通過socket連接發(fā)送給服務(wù)器，最后接收并顯示服務(wù)器定位出的位置信息。

3.3服務(wù)器端設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的服務(wù)器端運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上，主要是實(shí)現(xiàn)位置指紋庫的建立、更新和維護(hù)以及信號(hào)處理和定位算法功能實(shí)現(xiàn)。具體可以描述為接收RSSI信息，處理RSSI信息、連接讀取數(shù)據(jù)庫、執(zhí)行定位算法、發(fā)送定位結(jié)果的功能。

服務(wù)器主要負(fù)責(zé)輔助離線階段指紋數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建以及在線定位階段定位的執(zhí)行。開啟服務(wù)器后，相應(yīng)會(huì)開啟一個(gè)監(jiān)聽線程進(jìn)行socket監(jiān)聽，等待客戶端的指紋信息傳輸或者定位請(qǐng)求。當(dāng)收到創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫客戶端的指紋信息時(shí)，服務(wù)器要將接收到的指紋信息進(jìn)行處理，再連接數(shù)據(jù)庫并將相應(yīng)的指紋信息存入其中。當(dāng)收到定位客戶端的定位請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器讀取其中的位置指紋信息，并讀取離線階段創(chuàng)建的指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋信息，執(zhí)行最鄰近定位算法估算出定位客戶端的當(dāng)前位置，并將結(jié)果返回到定位客戶端。

3.4位置指紋數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

位置指紋庫是實(shí)現(xiàn)定位的基礎(chǔ)，系統(tǒng)在位置指紋庫的建立階段會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，怎樣合理的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫才能使系統(tǒng)運(yùn)行效率更高是非常關(guān)鍵的問題[13]。本系統(tǒng)釆用的Android平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，適用于Android手機(jī)的應(yīng)用軟件，考慮到手機(jī)的存儲(chǔ)和運(yùn)算能力并不能像計(jì)算機(jī)那樣強(qiáng)大，所以需要通過設(shè)計(jì)一個(gè)好的數(shù)據(jù)庫來節(jié)約手機(jī)的內(nèi)存。Android系統(tǒng)內(nèi)置有一個(gè)輕量級(jí)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng):SQLite數(shù)據(jù)庫，同時(shí)也提供了管理數(shù)據(jù)庫的類和方法，能夠有效地對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。

通過對(duì)待定位區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到位置指紋庫，而后利用位置指紋庫實(shí)時(shí)的與在線位置指紋信息進(jìn)行匹配實(shí)現(xiàn)定位，所以位置指紋庫準(zhǔn)確性對(duì)定位精度的影響非常大。

本系統(tǒng)共包含9張數(shù)據(jù)庫表，用以存儲(chǔ)系統(tǒng)所有產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表DATA_COLLECT_ORIGIN用于保存離線階段數(shù)據(jù)釆集時(shí)重復(fù)多次采集的包含釆集點(diǎn)位置坐標(biāo)，AP列表和AP的信號(hào)強(qiáng)度列表。此列表信息如表2。

表DATA_COLLECT_FILTER存儲(chǔ)的是數(shù)據(jù)釆集階段經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)與表 DATA_COLLECT_ORIGIN 一樣。

表1　指紋數(shù)據(jù)庫中涉及的表

表2　數(shù)據(jù)庫表DATA_COLLECT_ORIGIN 信息

表DATA_COLLECT_AVERAGE存儲(chǔ)的是對(duì)每個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度經(jīng)過求平均之后得到的新數(shù)據(jù)，其信息如表3。

表DATA_RSSI_RANGE存儲(chǔ)的是每個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度變化范圍，其信息如表4。

表4　DATA_RSSI_RANGE 表信息

表DATA_AP_RSSI用來保存數(shù)據(jù)釆集階段釆集到的RSSI數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)了AP的名字和信號(hào)強(qiáng)度，通過表5來描述。

表5　DATA_AP_RSSI 表信息

表DATA_FEATURE_LIBARAY存儲(chǔ)的是特征庫的信息。

表6　DATA_FEATURE_LIBARAY 表信息

表CURRENT_RSSI_LEVEL用以存儲(chǔ)當(dāng)前實(shí)時(shí)掃描到的AP信息，包括AP的名字和信號(hào)強(qiáng)度。其結(jié)構(gòu)與表DATA_AP_RSSI相同。

表POSITION_WEIGHT用來存儲(chǔ)匹配后得到的包含權(quán)值和位置信息的數(shù)據(jù)，其信息如表7。

表7　含權(quán)值和位置信息的數(shù)據(jù)表

為了在每一次定位結(jié)束時(shí)對(duì)本次定位結(jié)果進(jìn)行判斷，需要對(duì)每一次定位的結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，表POSITION_CORRECT存儲(chǔ)的是每一次正確定位后的位置信息，如表8所示為數(shù)據(jù)庫表POSITION_CORRECT的結(jié)構(gòu)。

表8　 POSITION_CORRECT 表信息

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要由類圖中的七個(gè)類實(shí)現(xiàn)，MainActivity類是系統(tǒng)最主要的類是系統(tǒng)的入口 ,系統(tǒng)的特征庫建立功能模塊的實(shí)現(xiàn)就由這個(gè)類來完成。MatchingActivity類是定位算法的主體類，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前掃描的數(shù)據(jù)與特征庫的匹配，計(jì)算目標(biāo)定位坐標(biāo)，主要調(diào)用的方法:readData()，writeData(), matchData()，calculateCoordinate()等。類圖中的其他類主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行過程巾的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和存儲(chǔ)等。

圖2　系統(tǒng)類圖

5結(jié)語

本文著眼實(shí)際，以基于位置的服務(wù)應(yīng)用為研究背景，以室內(nèi)定位領(lǐng)域的前沿理論成果為理論基礎(chǔ)。采用軟硬件結(jié)合的研究方法，以位置指紋室內(nèi)定位系統(tǒng)的工程實(shí)用化為目標(biāo)，探索并設(shè)計(jì)了基于Android的位置指紋室內(nèi)定位系統(tǒng)，為后續(xù)研究位置指紋室內(nèi)定位算法的優(yōu)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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Study and Design of Indoor Position System with Fingerprint Based on Android Platform

XU WeiZHA FengLI Bao

(Department of Navigation Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractOn the basis of the research based on RSSI indoor positioning, the paper designs a kind of fingerprint indoor position system based on Android platform.The system is divided into two parts, including positioning the customer terminal and positioning server. It mainly applies to position for indoor people. Different users can add kinds of information to the system in order to provide the server based on location.

Key Wordsreceived signal strength indication, fingerprint, indoor position system

* 收稿日期：2015年11月3日,修回日期：2015年12月27日

基金項(xiàng)目：海軍工程大學(xué)青年自然科學(xué)基金(編號(hào)：HGDQNJJ15006，HGDQNJJ15020)；國家自然科學(xué)基金(編號(hào)：61503404)；航空科學(xué)基金(編號(hào)：20150816002)資助。

作者簡(jiǎn)介：許微，女，碩士，講師，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、室內(nèi)定位和重力匹配導(dǎo)航。查峰，男，博士，講師，研究方向：慣性技術(shù)及應(yīng)用。李豹，男，博士，講師，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)及應(yīng)用。

中圖分類號(hào)U666.1

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.013