基于BLE的大型商场室内定位导航系统的设计与实现8.doc

工程硕士 硕士学位论文 论文题目：基于基于 BLEBLE 的大型商场室内定位导航的大型商场室内定位导航 系统的设计与实现系统的设计与实现 作者姓名作者姓名 指指导导教教师师 学科学科专业专业 所在学院所在学院 提交日期提交日期 2015 年 10 月 浙江工业大学硕士学位论文浙江工业大学硕士学位论文 基于基于 BLEBLE 的大型商场室内定位导航系统的设计与实现的大型商场室内定位导航系统的设计与实现 作者姓名：作者姓名： 指指导导教教师师： ： 浙江工浙江工业业大学信息工程学院大学信息工程学院 2015 年年 10 月月 Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technology for the Degree of Master Design and Implementation of Shopping Mall Indoor Positioning and Navigation System Based on BLE Candidate: Advisor: College of Information Engineering Zhejiang University of Technology Oct 2015 浙江工业大学浙江工业大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“”） 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名：日期： 年 月 日 浙江工业大学硕士学位论文 i 基于基于 BLEBLE 的大型商场室内定位导航系统的设计与实现的大型商场室内定位导航系统的设计与实现 摘摘 要要 当前传统行业正面临着众多挑战，如何在信息化的今天拔得头筹，很大程度 上要依托科技的进步。大数据分析、精准营销、提高客户体验度等将会使传统行 业焕然一新，结合商业应用的室内定位导航技术，正是为众多传统行业的信息化 而打造。室内定位导航技术一直以来是导航技术的软肋，也是最能激发商业模式 的领域。随着低功耗蓝牙 4.0 的推出，相比于之前的 WiFi 定位技术，能够以更高 的精度、更低的功耗、更低的成本实现定位导航。同时由苹果公司主推的 ibeacon 协议，又将低功耗蓝牙 4.0 技术向商业化推进一大步。 本文分析了当前室内定位导航技术的研究现状，采用低功耗蓝牙4.0技术，通 过手机APP感应布置在特定场地的低功耗蓝牙设备“云子”的广播信号，根据所 在坐标位置获取规划好的导航路径，并由手机获取坐标和导航路径，从而为广大 用户提供大型商场定位导航、反向寻车、消息推送、商场导购等服务。 本文的主要工作和创新点如下： （1）研究了室内定位导航系统实现过程中涉及到的关键技术，包括低功耗 蓝牙4.0技术、定位导航技术，以及Android开发平台。通过BLE技术实现室内的 定位，与传统的WiFi定位技术相比提高了定位的精度和响应时间。 （2）研究了目前室内大型商场在如何将商场活动信息及时精准推送给消费 者，以及帮助消费者尽快找到车辆、加快停车场的车辆周转等问题，给出了系统 的总体框架设计，并在此基础上进行了功能模块设计。 （3）在Android客户端实现了包括车位管理、反向寻车、商铺导航、商铺活 动、消息推送等功能。同时在服务器端实现商场地图编辑、精准数据统计及基础 数据维护等功能。 关键词关键词：BLE，室内定位导航，大型商场，Android 浙江工业大学硕士学位论文 ii DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SHOPPING MALL INDOOR POSITIONING AND NAVIGATION SYSTEM BASED ON BLE ABSTRACT Nowadays, the traditional industry is facing a lot of challenges. So, if it wants to take crown in the era of information, it is, to a large extent, depends on the progress of science and technology. While science and technology innovation such as big data anglytics, precision marketing, and improvement of users experience and so on will make the process of traditional industry to contribute in the future, the indoor positioning and navigation technology with commerical application is for the informationizationn of various traditional industries. Though having been a longtime weakness of navigation technology, indoor positioning and navigation technology can be the most efficient catalyst to stimulate a business model. Compared with the previous WiFi positioning technology, the low power-consumed bluetooth 4.0 is available to navigate with higher precision, lower power consumption and cost. In the meantime, the ibeacon agreement proposed by Apple Inc. will be in an immportant step forward in the commercialization of low power-consumed bluetooth 4.0. This paper analyzes the research status of the current indoor positioning and navigation technology. It is that by using low power Bluetooth 4.0 technology and through inducing the broadcast signal of low power Bluetooth devices cloud arranged in specific sites by mobile phone App, the mobile phone can get the navigation path and coordinate, so as to provide customers with mall positioning and navigation service, reverse searching cars service, push messages service, shopping services and so on. The main originalities of this paper as following: (1). Key technologies involved in the research process of indoor positioning and navigation system included the technology of low power-consumed bluetooth 4.0, positionong and navigation technology, and the Android development platform. Compared to the traditional WiFi positioning technology, the indoor localization based on BLE technology of low power-consumed bluetooth 4.0 has improved navigation accuracy and response time. (2). Problems such as how to transmit mall activities information to consumers accurately, and help consumers find the vehicle as soon as possible as well as speed up the parking lot vehicle flow are all be discussed. Based on the whole structure of system framework and design, the functional module design is presented. (3). Functions achieved in Android client contain parking management, VRLSMAN, store navigation, business activities, and push server,etc. Functions like mall map editor, accurate statistics, and basic data maintenance are involved in server. Keywords: BLE, Indoor Positioning Navigation, Shopping Mall, Android 浙江工业大学硕士学位论文 目目 录录 摘要摘要.i 第第 1 章章 绪论绪论 .1 1.1 引言.1 1.2 室内定位的国内外研究现状.2 1.2.1 WiFi 定位技术.2 1.2.2 UWB 定位技术.3 1.2.3 RFID 定位技术 .3 1.2.4 ZIGBEE 定位技术 .3 1.2.5 蓝牙 4.0 定位技术.4 1.3 课题研究的目的及意义.4 1.4 本文的主要工作.5 1.5 论文组织结构.5 第第 2 章章 相关技术的介绍相关技术的介绍.7 2.1 定位技术.7 2.1.1iBeacon 技术.7 2.1.2 低功耗蓝牙基站云子.8 2.2 位置指纹定位技术.8 2.2.1 位置指纹定位原理.9 2.2.2 位置指纹定位算法.10 2.3 A*室内路径导航算法.11 2.4 Android 平台.11 2.5 本章小结.13 第第 3 章章 大型商场室内定位导航系统需求分析大型商场室内定位导航系统需求分析.14 3.1 业务需求分析.14 3.2 系统角色和用例分析.15 3.2.1 系统角色分析.15 3.2.2 系统用例分析.15 3.3 核心业务流程分析.16 3.4 本章小结.18 第第 4 章章 大型商场室内定位导航系统设计大型商场室内定位导航系统设计.19 4.1 系统的架构设计.19 4.2 Web 管理端设计 .19 4.2.1 Web 管理端架构设计 .19 浙江工业大学硕士学位论文 4.2.2 Web 管理端功能模块设计 .20 4.3 Android 客户端设计.26 4.3.1Android 客户端架构设计.26 4.3.2Android 客户端功能模块设计.27 4.4 系统的数据库设计.33 4.4.1 系统的 E-R 模型设计.33 4.4.2 系统的数据库表设计.34 4.5 本章小结.38 第第 5 章章 大型商场室内定位导航系统实现大型商场室内定位导航系统实现.39 5.1 Android 客户端模块.39 5.1.1 Android 客户端主界面.39 5.1.2 停车管理模块.39 5.1.3 查看商铺模块.40 5.1.4 商铺导航模块.42 5.1.5 反向寻车模块.43 5.1.6 查看商铺活动模块.44 5.1.7 查看优惠促销模块.44 5.1.8 消息推送模块.45 5.2 Web 管理端模块 .46 5.2.1 iBeacon 云子管理模块.46 5.2.2 车位管理模块.46 5.2.3 商铺类别管理模块.47 5.2.4 商铺信息管理模块.47 5.2.5 场所类别管理模块.47 5.2.6 推送消息管理模块.48 5.2.7 区域地图管理模块.48 5.2.8 商铺活动管理模块.52 5.2.9 商铺促销管理模块.52 5.2.10 停车记录管理模块.53 5.2.11 数据统计模块.53 5.3 系统的测试.55 5.3.1 系统测试的目的和任务.55 5.3.2 系统开发与运行环境.55 5.3.3 系统运行结果.56 5.3.4 系统性能测试.59 5.4 本章小结.64 第第 6 章章 总结与展望总结与展望 .65 6.1 本文总结.65 6.2 展望.65 参考文献参考文献.66 致谢致谢.68 浙江工业大学硕士学位论文 - 1 - 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 引言引言 随着经济的发展和人们生活水平的提高，无数的大型商场综合体纷纷拔地而 起，这些大型商场的建立，促进了商品和资源的归类、分化和聚集，加速了商业 的发展，在很大程度上方便了人们的生活。然而随着互联网信息化产业的不断发 展,电商开创了线上交易的新纪元，并实现了商品销售从线下到线上转移的营销方 式，使得人们的生活和消费等习惯也随之发生了改变，也给传统的实体销售行业 带来了巨大的冲击，其中最一个严谨的问题就是其顾客的大量流失而导致的业绩 严重受挫。另一方面，目前的大型商场规模庞大，内部结构复杂。从消费者角度 考虑，想要在偌大的商场中寻找某类型的商品，或者找到洗手间的位置，是十分 困难的，也因为如此，消费者也往往会错失商场中的各种促销活动、优惠信息。 此外商场的地下停车场由于占地面积庞大加上地下层光线的不足，消费者往往会 花费大量的时间和精力在寻找自己的爱车，影响了消费者的购物体验。 传统的实体企业如大型商场综合体也意识到，在当前复杂多变的行业形态下， 要想在残酷的新型商业模式如 O2O（线上线下）中保住屹立不倒，不仅需要带给 顾客更好的消费体验，还要学会使用信息技术来武装自己。因此对于大型商场而 言，做出何种有效且成效迅速的转变，精准的把握消费者的消费方式与市场的发 展动向，为消费者提供良好的购物体验，用消费数据体现顾客的购物偏好，位置 数据记录了顾客的行为习惯。同时通过对消费者数据的挖掘，能否为商户创造更 大的价值，成为传统销售行业急需解决的关键问题。 随着 3G 无线通讯技术的迅速发展，以及 4G 无线通讯技术的不断成熟与应 用范围的逐步扩展，智能移动终端设备的普及达到了新的应用高峰。同时,智能移 动终端设备的普及为无线通讯技术的发展提供了广泛的应用空间，也为商场的室 内定位导航系统的实现提供了保证，也为如何对顾客的兴趣进行引导，又或者针 对和分析顾客的兴趣，为他们推荐感兴趣的商品，并为顾客指引明确的道路，让 顾客在庞大的商场获得方便快捷的购物体验提供了可能。 目前定位导航技术最成熟的当属 GPS1定位，技术层面上来说，GPS 可以很 浙江工业大学硕士学位论文 - 2 - 好的满足室外的平面导航要求，但同样也存在很多场景，GPS 技术所无法满足的。 例如室内定位情况，由于 GPS 本身技术的特性，微弱的卫星信号很难穿透建筑物， 因此 GPS 无法实现室内的定位2；室外多层（如高架环岛）的情况，GPS 无法定 位出层数；精度问题，民用 GPS 一般误差在 10 米以上，对于精度要求高的微定 位，根本无法满足。 1.1.2 2 室内定位的室内定位的国内外研究现状国内外研究现状 对于消费者而言，导航的最后一公里室内定位导航技术，一直以来备受关 注，科学巨头和研究机构在室内导航技术方面开展了大量的研究，比较成熟的包 括 WiFi、RFID、ZIGBEE、超宽带等，但是复杂的室内环境下的多径效应、同频 干扰、人体遮挡始终是研究者面临的最大难题。 1.2.1 WiFi 定位技术 WiFi 是一个由 WiFi Alliance（WiFi 联盟，一个美国商业联盟）持有的，基 于无线网络的通讯与通信技术的商标3。它可以通过分散部署在四周的无线电信 标，提供无线网络服务。WiFi 定位主要是基于 WiFi 热点 AP(Access Point)的信号 强度计算物体的位置信息，目前很多大型建筑都已覆盖 WiH 信号,包括大型商场 超市、大型写字楼以及机场等。 WiFi 定位技术4的硬件设备通常包括三个主要部分：定位平台、终端信号接 收器以及无线网络基地台,也就通常意义的 WiFi 热点或 WiFiAP5。WiFi 定位 系统运行包括离线建库以及在线定位两个阶段。其中离线建库的过程就是对待测 环境内已经部署完毕 WiFi 热点的信号范围进行物理取样,并根据待测环境的实际 情况进行设备部署校对,最终形成均匀的位置指纹信息,并以 WiFiAP 为基本单位, 将其范围的信号强度。坐标点以及设备唯一 MAC 标识等信息记录在定位平台的 采样数据库中6。在线定位阶段是指在当前位置通过终端信号接收器所接收到不 同 Wifi 热点的信号数据后，再通过对数据的分析以及与采样数据库中数据的对 比，以最为相近的采样点作为被测目标位置信息，完成定位的最终结果。 WiFi 定位技术相较于其他定位技术存在前期准备工作量大、耗时多的缺点， 同时，WiFi 网之间也会相互干扰，甚至出现即使有信号也无法联网的可能，并且 也会对定位产生非常大的影响。此外信号在传播过程中会受到折射、反射、绕射 等多径和非视距因素的干扰，会带来很大的定位误差。 浙江工业大学硕士学位论文 - 3 - 1.2.2 UWB 定位技术 UWB 定位技术7也称为超带宽定位技术，主要是基于 UWB 脉冲信号进行 定位。它是近几年来随着无线技术的不断发展兴起的一项先进的无线技术8。 UBW 技术具有发射频率小、消耗电能低、传输速率高以及抗干扰性强等特点， 采用 TDOA 与 AOA 混合定位的方法进行高精度的定位。 由于能提供厘米级精度的定位能力，超宽带（UWB）定位技术的受到越来越 多的关注910。UWB 的优点包括低功率密度和宽的带宽，从而增加了可靠性。 使用范围广的频率分量使得信号绕过障碍物的概率增大，从而提供更高的位置分 辨率11。此外，由于其它无线电频率减少用于定位领域，该系统受到其他无线电 频率的干扰较少。 但由于 UWB 技术依赖于无线脉冲信号，使得 UWB 定位技术不可避免的存 在精准度失效的问题12。加上 UWB 无法完成大范围室内覆盖，导致定位成本很 高，且手机不支持 UWB，不利于大范围推广。 1.2.3 RFID 定位技术 RFID，也就是射频识别技术，它通过无线电讯号与特定目标匹配并进行数据 的读写。RFID 室内定位系统包括三部分：RFID 电子标签、射频读卡器及应用 软件系统13。RFID 电子标签通常放在需要检测的物体上，相当为物体的身份证， 进而识别待测物体。当射频读卡器发出特定的无线电信号后，RFID 电子标签接 收到信号后将内部数据回传给读卡器，并传输到应用软件系统进行信息解析及定 位。 RFID 定位技术的优点在于 RFID 电子标签体积较小，价格低廉，能够适用 于非视距传播环境，但是它不具备网络服务功能，不便与其他系统集成。另外， 如果需要提高其定位精度，RFID 定位系统需要使用大量的参考标签，但是如果 密度过大则会对定位产生干扰，影响到信号的传输14。 1.2.4 ZIGBEE 定位技术 ZIGBEE 是一种新的无线网络技术，具备短距离、低速率的特点，也可以用 在当前的室内定位中。ZIGBEE 定位技术15采用 ZIGBEE 的三角定位原理，需要 事先布置 ZIGBEE 基站模块,然后使用 ZIGBEE 定位模块实现定位。 但由于 ZIGBEE 室内定位技术所需要的 ZIGBEE 基站和 ZIGBEE 定位模块不 够普及,需要在定位环境中另外布置，使得 ZIGBEE 室内定位技术常用于工业的传 浙江工业大学硕士学位论文 - 4 - 感领域和智能家居方面。 1.2.5 蓝牙 4.0 定位技术 蓝牙是一种用于两个设备的短距离无线通信技术，由于成本低等特点，现在 已经取代了传统的电缆连接，为现存的数据网络和小型外围设备接口提供统一的 连接16。蓝牙 4.0 较之以前的蓝牙技术，最明显的是低功耗，即使不关闭蓝牙， 手机的待机能力也不会减弱，此外 3ms 瞬间连接技术的加入使得蓝牙 4.0 成为设 备之间最好的连接桥梁，解决了以往蓝牙建立连接时间过长的致命缺点。蓝牙 4.0 标准规范中提供了一些与位置估计相关的参数：接收信号强度指标 RSSI 值和 链路质量 LQ 值17。 常用的 RSSI 定位方法包括基于距离(range-based)的定位算法和距离无关 (range-free)的定位算法18。其中釆用 RSSI 进行测距定位的方法，通常是利用相 关的模型建立 RSSI 和距离之间的关系曲线，得到 RSSI 和距离两者之间的函数关 系式18，或者是采用一定的方法建立起 RSSI 和距离之间的映射关系数据库，在 实际测距阶段，再将所测得的 RSSI 值传入相应的关系式或映射关系数据库中， 从而得到对应的距离参数，然后利用多个距离值或者距离值之间的角度和大小差 异计算移动或静止目标的位置。 而另外一种则使用位置指纹的方法，整个蓝牙室内定位过程由离线指纹库的 创建和在线实时定位两个阶段共同完成19，其中离线阶段，建立模糊指纹库，该 指纹库存储于中心服务器中，在区域内能够全面地描述了 RSSI 值和 LQ 值与空 间位置的对应关系。而在线阶段，一旦手机客户端进入到特定的区域，蓝牙锚节 点在对手机客户端的 RSSI 值和 LQ 值进行测量后，将所测量数据上传到服务器， 在服务器中进行模糊决策定位，最终完成对手机客户端位置的确定。 蓝牙定位技术的最大优点就是易部署、体积小、终端设备支持，而另外一个 最大优点就是低功耗，这将给室内定位解决方案的推广带来极大便利。只要手机 一直开启蓝牙设置，便可以获得用户的最新位置。 1.1.3 3 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义 基于低功耗蓝牙的大型商场室内定位导航系统能够帮助现有的销售企业在保 持传统的线下营销方式的同时，为消费者提供更加灵活方便的线上导购方式，以 此提高消费者的购物体验。消费者通过基于室内定位的商场导购系统能够在移动 终端上快速的浏览附近商场所售的全部品牌以