基于LBS的校园定位系统设计实现分析

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效劳LBS(LocationBasedService)类移动应用在小环境区域不能准确提供位置效劳的问题，以校园为例提出了一种基于室外定位的LBS系统设计方案。首先介绍系统构造设计，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。测试结果说明，系统可以实现终端定位、室位置效劳、校园导航、地图效劳等功能，且操作便捷，具备可行性和实用性。关键词:位置效劳;Android;室外定位;MobileGISAbstract:Thisstudyaddressesthedislocationofthecurrentapplicationsoftwareoftheintelligentmobilephonelocationbasedservice(LocationBasedService，LBS)，adesignsolutionofcampusLBSsystemisintroducedbasedonindoor-outdoorpositioning．First，thearchitectureofthesystemisintroduced．ThenthekeytechnologiessuchasMobileGIS，GPSandtheRSSIfingerprintpositioningstrategyinsystemdesignareanalyzedelaborately．Atlastthefunctionmodulesofsystemaretestedandverified．Testresultsshowthatthesystemcanrealizesomefunctionsofterminalpositioning，servicebasedonindoorpositioning，campusnavigation，mapserviceandsoon．Itoccupiesfea-turesofconvenience，feasibilityandpracticality．Keywords:locationbasedservice;Android;indoor-outdoorpositioning;mobileGIS0引言近年来，移动互联网技术飞速开展、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开展。LBS开展至今，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效劳。提供LBS效劳必须在确定用户位置的根底上，而这样的小环境区域往往包含室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开展，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;室外环境过接收GPS信号进展定位;室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围、受室环境影响程度、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展定位。系统可为师生和来访者提供位置相关的信息效劳。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，地图效劳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;在室环境中，根据用户的选择显示相应的室环境地图。定位时，将用户相对于室环境的位置标记在室环境地图上，并且能够获取该位置相应的效劳信息，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、效劳器端与数据库三层架构。系统构造如下：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，是与用户进展交互的重要层。系统核心功能主要包括地图效劳、室外GPS定位、校园路径指引、室WiFi定位、课程信息查询、空教室查询。(2)效劳器端:运行于PC端，主要分为GIS效劳器、Web效劳器和定位效劳器。将ArcGISDesktop软件创立的校园地图利用ArcGISServer发布于Web效劳器，并实现管理和更新。当Web效劳器接收到客户端发来的地图操作请求时，通知GIS效劳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效劳。定位效劳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。客户端与效劳端之间利用无线网络进展数据传输，通过标准的HTTP协议进展通信。(3)数据库:负责向效劳层提供数据支持。客户端使用SQLite和文件方式存储少量本地数据;定位效劳器采用Mysql数据库存储室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效劳器采用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实现地图效劳和网络分析效劳发布，在Android平台上结合ArcGISforAndroid插件访问自行发布的地图，获取地图效劳和网络分析效劳。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拟获取地图点坐标、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，要使用它就要进展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*、Y、Z值坐标系以及*、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拟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项选择几个控制点。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展编辑。进展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ArcToolbo*中的网络分析扩展模块进展点到点的路径分析，获得最短路径。2.5地图效劳与网络分析效劳发布ArcGISServer效劳器上发布效劳之前需先安装IIS，它是允许在网络(包括互联网和局域网)上发布信息的Web效劳器。校园地图效劳和网络分析效劳发布成功之后，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展室定位。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假设干采集点。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屡次扫描每个AP的值，定位号强度值，扫描结果进展“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展“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、*、Y、MAC1、RSSI1、MAC2、RSSI2、MAC3、RSSI3、MAC4、RSSI4＞形式，其中ID为各个采集点编号，*、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进展建库。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值发送至定位效劳器，由定位效劳器调用最近邻算法与位置指纹库进展匹配，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开发环境的搭建开场开发本应用时，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后我们还需进展环境变量的配置，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控件并进展效果预览。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效劳和数据，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平安码，然后再配置Android应用的Key,并在清单文件中的<application>标签使用<meta>标签填写这个Key。需要注意的是一个应用对应一个平安码。具体的下文会详细说明。完成了以上开发环境搭建工作后，我们就可以开场开发我们的应用了。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。工程文件构造大致如下图。2.添加用户key在工程的“AndroidManifest.*ml〞文件如下代码中添加您的用户Key3.添加所需权限在工程的“AndroidManifest.*ml〞文件中进展添加。在布局*ml文件中添加地图控件。5.创立地图Activity，由于Java文件涉及的代码比拟多，这里展示局部代码配置AndroidManifest.*ml；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，这里只显示局部4.3应用功能测试我们翻开网络，翻开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展缩放，如下图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*围，如下图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*围，如下图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承受的任务4.我们还可以用户登录，用户发布的任务在他选择的围的周报区域，安装了同样此app的人在翻开时就可以看见别人发布的任务，如果选择承受，就可以去执行此任务，比方到3号