基于Android的地鐵出口導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張 云，于文馳，韓彥嶺，洪中華

（上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201306）

隨著上海市軌道交通的覆蓋，人們的出行很大一部分依賴著地鐵提供的快捷。對于日益增多的地鐵站和同時成倍增長的地鐵出口，站內(nèi)提供的引導(dǎo)地圖已經(jīng)很難滿足人們的需求，使得為地鐵出行乘客設(shè)計一款能夠準(zhǔn)確查詢地鐵出口周邊信息的軟件極為迫切。為地鐵乘客提供專業(yè)的地鐵出口導(dǎo)航軟件不僅需要信息搜集的準(zhǔn)確性，最重要的是要考慮到乘客在途中查詢的方便快捷性。而現(xiàn)在智能機特別是基于android智能手機的日漸普及，開發(fā)出能在android手機上運行的地鐵出口導(dǎo)航系統(tǒng)將極大的方便市民的出行。

本文介紹了一款基于android手機平臺的上海地鐵出口導(dǎo)航軟件，在該軟件中，實現(xiàn)了地鐵站的各個出口周邊信息的查詢，側(cè)重展示了軟件開發(fā)時所用到的各項技術(shù)及開發(fā)流程。

該軟件與同類型軟件相比較，特點在于：1）能夠提供離線地鐵出口地圖，便于手機沒有信號的情況下，也能夠提供詳細(xì)的地鐵出口說明；2）直接觸控屏幕上顯示的地圖中的站點，便可以出現(xiàn)地鐵出口的詳細(xì)情況等。

1 Android的系統(tǒng)架構(gòu)

Android一詞的本義指“機器人”，同時也是Google公司于2007年11月5日宣布的基于Linux平臺開源手機操作系統(tǒng)的名稱。該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成，號稱是首個為移動終端打造的、真正開放和完整的移動軟件。

Android分為4層，從高到底分別是應(yīng)用層、應(yīng)用框架層、系統(tǒng)的運行庫層和Linux內(nèi)核層。

應(yīng)用層：用JAVA語言編寫的運行在虛擬機上的程序。Google最開始時就在Android系統(tǒng)中捆綁了一些核心應(yīng)用，比如E-Mail客戶端、SMS短消息程序、日歷、地圖、瀏覽器、聯(lián)系人管理程序等。

應(yīng)用框架層：是編寫Google發(fā)布的核心應(yīng)用時所使用的API框架，開發(fā)人員也可以使用這些框架來開發(fā)自己的應(yīng)用，簡化了程序開發(fā)的架構(gòu)設(shè)計，但是必須遵守其框架開發(fā)原則。

系統(tǒng)運行庫層：含有C/C++的實現(xiàn)，包含C/C++庫，能夠被Android系統(tǒng)中不同組件使用，通過Android應(yīng)用程序框架為開發(fā)者進(jìn)行服務(wù)。

Linux內(nèi)核層：Android最新的核心系統(tǒng)服務(wù)基于Linux3.0.1內(nèi)核，如安全性、內(nèi)在管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和驅(qū)動模型等都依賴于該內(nèi)核[1-2]。

2 軟件總體設(shè)計

軟件的總體設(shè)計思路是在android手機上開發(fā)一個地鐵出口查詢軟件，為用戶提供更為精細(xì)的出行計劃安排，方便更快捷的到達(dá)目的地。使用本軟件可以根據(jù)需求，查任意一個地鐵站附近的街道、可換乘公交路線及地鐵線路的首末班車時間，還能夠瀏覽地鐵站周邊詳細(xì)地圖信息。在圖1中表示了該軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)的功能。如圖1所示，該系統(tǒng)主要由4個主要功能組成，分別是：

1）位置服務(wù)功能，該功能主要實現(xiàn)出口周邊導(dǎo)航定位功能；

2）出口選擇功能，該功能主要實現(xiàn)便捷服務(wù)和地圖信息顯示的2個子功能。其中，邊界服務(wù)功能主要是針對出口處公交路線換乘指南，和出口處街道指南。地圖信息服務(wù)功能主要包括在線周邊地圖顯示和離線地圖顯示，即使在手機沒有信號的情況下，也能顯示出口地圖；

3）運營時間功能，該功能主要實現(xiàn)地鐵首末班車時間的查詢功能；

4）智能查詢功能，該功能主要實現(xiàn)最近出口查詢功能，提供最為便捷的查詢服務(wù)。

圖1 軟件功能圖Fig.1 Software function map

基于上述思路，本軟件的設(shè)計可分為如下步驟：1）界面UI設(shè)計；2）數(shù)據(jù)的存儲與解析；3）操作圖片后地鐵站的變化后的坐標(biāo)與原始地鐵站坐標(biāo)的匹配；4）不同功能頁面的跳轉(zhuǎn)5）完善程序并打包發(fā)布。步驟的內(nèi)容將在以下的章節(jié)中做詳細(xì)說明。

3 基于Android的導(dǎo)航軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主界面的實現(xiàn)

Android手機程序是由多個Activity交互組成的，對于獲取的操作信息在不同的Activity之間傳遞，由此實現(xiàn)不同的功能展示。程序的主界面是一張?zhí)畛淦聊坏纳虾Ｊ熊壍澜煌▓D，用戶通過多點觸控操作和長按屏幕來查詢所選的地鐵站點，因此該頁面采用了LinearLayout布局文件進(jìn)行布局，然后再上面加一個ImageView控件，以此實現(xiàn)軌道交通圖在主界面的填充顯示。

選取站點進(jìn)入后，顯示的是需要用戶進(jìn)行選擇的信息，比如首末班車時間、出口地圖以及需查詢的幾號出口。在這里選用的是在LinearLayout布局文件上放置一個ListView組件，再通過ArrayAdapter適配器根據(jù)從數(shù)據(jù)庫中讀取的每個地鐵站不同的出口數(shù)目而適應(yīng)顯示。同時加上Checked Text View控件以實現(xiàn)對用戶作出的選擇進(jìn)行事件響應(yīng)。

在出口地圖界面有一個ImageView控件用來放置離線的地鐵站周邊地圖，還有一Button按鈕提供在線Google Map選擇，這兩者都是在LinearLayout布局文件下實現(xiàn)的。接著在下一個布局文件中采用AbsoluteLayout布局，再引入Google MapView Widget，以實現(xiàn)Google Map的顯示。

對于站點出口信息是在LinearLayout布局文件中放置ListView組件，通過ArrayAdapter適配器根據(jù)信息量的不同適應(yīng)顯示的。這一模塊和進(jìn)入站點后顯示的界面有相似之處，只不過不再需要添加CheckedTextView控件[3-5]。

3.2 地鐵站屏幕坐標(biāo)的存儲與變換

地鐵站的原始屏幕坐標(biāo)是在模擬器上用鼠標(biāo)分別點擊顯示并記錄到XML文件里的。當(dāng)對軌道交通圖進(jìn)行縮放、移動操作后，地鐵站的屏幕肯定會隨著用戶的操作而變化，因此需要設(shè)計出一種算法，能夠根據(jù)記錄圖片的各項變化，使站點原始坐標(biāo)經(jīng)過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換得出變化后的屏幕坐標(biāo)。

3.2.1 XML存儲站點坐標(biāo)

XML信息讀取后是被加載到內(nèi)存里，而一般的數(shù)據(jù)庫讀取是通過頻繁的I/O訪問，在本軟件中，地鐵站的坐標(biāo)會隨用戶的操作而快速頻繁變化，這對數(shù)據(jù)解析讀取的效率要求是很高的。把地鐵站原始屏幕坐標(biāo)存放到XML文件中，在程序中通過合適的方法把信息解析出來可以使軟件的效率大大提高，因此這里我們采取將地鐵站的原始屏幕坐標(biāo)以XML文件的格式進(jìn)行存儲。

程序運行后，先對存儲在XML文件里的原始屏幕坐標(biāo)進(jìn)行解析，存入到一個新建的數(shù)組中，以實現(xiàn)下一步坐標(biāo)的匹配。由于該數(shù)據(jù)文件比較小，而且不會隨著使用而增大，所以采用DOM解析器來解析XML數(shù)據(jù)。

DOM解析器將所有XML文檔讀取到內(nèi)存中，然后允許使用DOM API遍歷XML樹、檢索所需的數(shù)據(jù)。這是非常直觀的代碼，并且，在某些方面比基于 SAX的實現(xiàn)更加簡單。雖然，DOM因為一切內(nèi)容都會先讀取到內(nèi)存中，因此通常比較占用內(nèi)存，但由于本程序所需解析的XML文檔始終保持著很小的大小，以此使用DOM解析顯得更為方便快捷[6]。

3.2.2 坐標(biāo)變換原理

所謂坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，就是將已記錄點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)變化后的坐標(biāo)位置[7]。首先要了解手機屏幕坐標(biāo)系統(tǒng)的正負(fù)值關(guān)系。如圖2所示，在笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)中x軸向右為正值，保持增加數(shù)值，而y軸向上為正值的增加數(shù)值，但手機屏幕坐標(biāo)系雖然x軸向右是正值，但y軸卻是向下為正值，而且手機屏幕的原點也與笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)的不同，位于手機屏幕的左上角。

圖2 手機屏幕坐標(biāo)系Fig.2 Mobile-phone screen coordinate

3.2.3 屏幕坐標(biāo)變換算法

當(dāng)對圖片進(jìn)行操作時，可以時刻記錄圖片像素的變化情況，比如在x軸、y軸的移動距離x、y。當(dāng)不再對圖片進(jìn)行操作時，通過對比縮放前后的分辨率，可以得到整張圖片的變化比例，設(shè)為Sx、Sy。把用戶最終所點擊的坐標(biāo)X1、Y1與縮放中心的坐標(biāo)相減（一般為屏幕中心的坐標(biāo)，會隨屏幕大小的不同有所不同，以m、n為例），除以縮放的比例s后，與屏幕中心的坐標(biāo)相加，最終減去移動的距離x、y，即可得到所選擇地鐵站的原始坐標(biāo)X0、Y0。設(shè)置一個合適的誤差范圍，當(dāng)條件符合時，即可確定所選擇站點的編號，再由此編號來獲取出口的相關(guān)信息。以公式可表示為（X0-m）*Sx+m=X1；（Y0-n）*Sy+n=Y1，由此實現(xiàn)了地鐵站屏幕坐標(biāo)匹配的全過程。

3.2.4 站點匹配的實現(xiàn)

當(dāng)響應(yīng)用戶在屏幕上的長按事件時，后臺會將當(dāng)前的屏幕坐標(biāo)通過自主設(shè)計的匹配算法自動搜索誤差范圍內(nèi)的初始屏幕坐標(biāo)。匹配成功即可得知用戶選擇的是哪一個地鐵站，由此可以從XML文件中得到和地鐵站坐標(biāo)對應(yīng)的編號。通過這個和站帶你對應(yīng)的編號我們可以從數(shù)據(jù)庫中讀取該站點的所有信息，包括街道信息、可換乘公交、地鐵站周邊地圖，以及使用GoogleMap服務(wù)所必需的經(jīng)緯度。

3.3 集成數(shù)據(jù)庫SQLite

3.3.1 SQLite數(shù)據(jù)庫

作為被android完美支持的輕量級數(shù)據(jù)庫，SQLite的核心文件僅500多K，與大部分SQL有著很好的支持性，本身包含著零配置、事務(wù)化、跨平臺等一系列的優(yōu)點。SQLite在Android系統(tǒng)運行時已被集成，每個應(yīng)用程序均可對其進(jìn)行使用[8]。本程序數(shù)據(jù)庫的存儲位置設(shè)置為：data/data/com.shou.MetroExitQuery/databases。

3.3.2 SQLite在應(yīng)用程序中的集成

1）創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫

Android本身并沒有提供數(shù)據(jù)庫，當(dāng)程序中需要使用SQLite數(shù)據(jù)庫時，必須先自行創(chuàng)建，然后創(chuàng)建表、索引，填充數(shù)據(jù)[9]。 本軟件使用的數(shù)據(jù)庫是預(yù)先創(chuàng)建好的.sqlite文件。其中填充著上海市各個地鐵站的出口數(shù)據(jù)以便供程序中使用。系統(tǒng)會檢測要創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫是否存在，不存在則創(chuàng)建，若存在則打開。代碼如下：

mDbHelper=DatabaseHelper.getInstance（mContext）；

mDb=mDbHelper.getReadableDatabase（）；

try{

mDbHelper.copyDataBase（）；

}catch （IOException e） {

}

2）打開數(shù)據(jù)庫

將加載程序時存放在databases文件下的sqlite數(shù)據(jù)文件打開，為出口信息的顯示做第一步準(zhǔn)備。

Private static String

DB_PATH=

“/data/data/com.shou.MetroExitQuery/databases/”；

public void openDataBase（） throws SQLException{

String myPath=DB_PATH+DATABASE_NAME；

myDataBase=

SQLiteDatabase.openDatabase（myPath， null，SQLiteDatabase.OPEN_READONLY）；

}

3）數(shù)據(jù)的讀取

將不同表中的數(shù)據(jù)讀取出來進(jìn)行整合利用，以作為數(shù)組進(jìn)行傳遞利用。例如從數(shù)據(jù)庫中的存放街道名稱信息的“guide_street”列存到一個數(shù)組中，我們可以通過cursor.getColumnIndex（“name”）和 cursor.getString（）結(jié)合的方法從數(shù)據(jù)庫中取得數(shù)據(jù)，代碼示例：

while （cursor.moveToNext（））{

lid_1 =cursor.getString （cursor.getColumnIndex（“guide_street”））；

guidence_street[nNum]=lid_1；

}

4）關(guān)閉

數(shù)據(jù)庫使用完畢，需將其關(guān)閉：myDataBase.close（）；

3.4 集成Google Map API

Google Map API是 Google為開發(fā)者提供的 Maps編程API，它允許開發(fā)者在不建立自己地圖服務(wù)器的情況下，將GoogleMap地圖數(shù)據(jù)嵌入到網(wǎng)站之中，從而實現(xiàn)嵌入GoogleMap的地圖服務(wù)應(yīng)用，并借助GoogleMap的地圖數(shù)據(jù)為用戶提供位置服務(wù)。如圖3所示，集成Google Map的效果圖。

圖3 集成Google Map的效果圖（以上海南站為例；左為離線地圖，右在線地圖）Fig.3 Image map with google map（Shanghai South Station Map， left:Off-line， right:on-line）

3.4.1 安裝Google Map API

開發(fā)關(guān)于MAP的應(yīng)用一般需要安裝Google Map API。啟動SDK管理器后選擇 “Installed Options”查看是否已安裝Google Map API，如果沒有則需在“Available Packages”中查找并下載安裝[10]。

當(dāng)建立Eclipse工程，必須在Build Target中勾選Google API，版本根據(jù)安裝情況自主選擇。

3.4.2 從Google獲得map-api密鑰

獲得map-api密鑰，需要從用于簽名應(yīng)用程序的證書里獲得MD5指紋，然后再Google網(wǎng)站上輸入它，以成相關(guān)的map-api密鑰。

首先必須找到調(diào)試證書，他由Eclipse生成和維護(hù)，可使用Eclipse IDE找到它的精準(zhǔn)位置。在Eclipse工具下，選擇windows-->Preference轉(zhuǎn)到Android-->Build，則調(diào)試證書的位置將顯示在“Default debug keystore”字段中。

然后取得debug.keystore的MD5值。首先運行cmd命令行進(jìn)入debug.keystore文件所在的路徑，命令行下輸入如下語句：keytool-list-keystore debug.keystore，這時可能會提示你輸入密碼，這里默認(rèn)的密碼是 “android"，這樣即可取得MD5值。

最后需要打開瀏覽器到Google Map API的主頁去申請一個 Map的 key， 網(wǎng)址：http://code.google.com/android/mapsapi-signup.html。在其中的MD5 fingerprint一欄中輸入填入上一步獲取的認(rèn)證指紋（MD5），輸入后，點 Generate API Key，之后會產(chǎn)生本軟件需要的Google Map API。

至此從Google獲得map-api密鑰已經(jīng)完成。

3.4.3 Google Map應(yīng)用模塊

1）將Google Map的API KEY寫到顯示地圖的MapView控件中：

xmlns:android=“http://schemas.android.com/apk/res/android”

android:id=“@+id/map_view”

android:apiKey="API-KEY-HERE"/>

2）添加使用訪問權(quán)限

在AndroidManifest.xml配置文件中加上對Internet和Map的使用訪問權(quán)限，由于Google Map的API是另外提供的API，因此也需要使用use-library標(biāo)簽進(jìn)行說明：

3）MapController的使用

當(dāng)需要對地圖顯示的地點、放大倍數(shù)等進(jìn)行設(shè)置時，使用MapController可以很好的對地圖進(jìn)行控制。獲得MapController對象的代碼如下：

mMapController=mMapView.getController（）；

當(dāng)需要定位地點時，則需要構(gòu)造一個GeoPoint表示地點的經(jīng)緯度，然后使用animateTo

方法將地圖定位到指定的GeoPoint上，以上海南站為例的代碼如下：

mGeoPoint = new GeoPoint （（int） （121.427658 *1000000），（int） （31.156707*1000000））；

mMapController.animateTo（mGeoPoint）；

4 系統(tǒng)應(yīng)用實例

整個功能模塊實現(xiàn)完成后，運行程序。我們以上海南站來舉例說明，選取幾個功能畫面，運行結(jié)果充分表明程序運行良好，整體設(shè)計滿足要求。

4.1 選擇站點

如圖4所示，主界面是一張上海地鐵交通圖，用戶可以用手指多點觸控對畫面進(jìn)行操作。當(dāng)用戶希望查詢地鐵出口的情況時，將兩只手指放到屏幕上，然后進(jìn)行手指的移動，就能夠完成對主界面的放大或縮小，再通過移動主界面，找到的地鐵站所在的區(qū)域，按住該區(qū)域一秒（以上），系統(tǒng)會根據(jù)用戶的選擇進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，會自動進(jìn)入顯示有上海南站全部出口及地圖信息的界面。

圖4 從主界面操作選取站點Fig.4 Operation that choose station from main menu

4.2 出口信息查詢

如圖5所示，選擇需要查詢的出口后，會進(jìn)入提供關(guān)于該出口基本信息的界面，包括出口在線地圖、可到達(dá)街道、可換乘公交。出口在線地圖為地圖類信息，為用戶提供通該出口周邊的地圖信息，包括在線地圖和離線地圖；可到達(dá)街道和可換乘公交選項提供的是文字信息，包括從該出口可到達(dá)的街道、附近地標(biāo)和附近的公交站點及可供換乘的公交。用戶根據(jù)需求，點擊相應(yīng)按鈕即可獲得所需信息。

圖5 出口詳細(xì)信息顯示Fig.5 Information of subway exit

5 結(jié)束語

文中首先闡述了Android體系的層次架構(gòu)，通過分析地鐵出行的實際需求，設(shè)計開發(fā)了并基于Android平臺的地鐵出口導(dǎo)航系統(tǒng)，并應(yīng)用于上海南站的出口導(dǎo)航中。系統(tǒng)解決了屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，SQLite數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)，以及Google Map的地圖展示。今后，在該軟件基礎(chǔ)上，還將增加利用GPS（全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)）實現(xiàn)出口附近公交站點自動導(dǎo)航等功能。

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