基于Android的多維級聯(lián)定位技術(shù)的研究與實現(xiàn)

黃學(xué)沛+張燕+項炬+譚馳名+陳濤

摘要：針對Android平臺提供高精度定位服務(wù)，對當(dāng)前比較流行的網(wǎng)絡(luò)和GPS定位進(jìn)行分析和研究，提出一種高效、易用、可擴展，適用于室內(nèi)外環(huán)境的高精度位置服務(wù)平臺系統(tǒng)。基于Android手機平臺設(shè)計了一套高精度位置服務(wù)系統(tǒng)，利用Android提供的各種資源建立高精度位置服務(wù)終端軟件。該系統(tǒng)既可用于各大公司和企業(yè)，也可用于學(xué)校和商場，實現(xiàn)了位置服務(wù)的高度整合。結(jié)果表明：該系統(tǒng)硬件設(shè)備簡單，成本較低、系統(tǒng)可靠、易于使用和擴展。

關(guān)鍵詞：Android；WiFi定位；藍(lán)牙定位；GPS定位；圖像識別定位

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）15-0040-03

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，位置服務(wù)LBS（ Location BasedServices）已經(jīng)滲透到人們生活的各個方面。能夠完成精確的定位是所有位置服務(wù)系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)?；贕PS定位的位置服務(wù)是當(dāng)前室外位置服務(wù)的主要途徑，但在室內(nèi)，由于無法接收到良好的GPS信號，甚至出現(xiàn)GPS信號被屏蔽的現(xiàn)象，導(dǎo)致通過GPS在室內(nèi)無法完成精確定位。

為了提高室內(nèi)定位的精度和穩(wěn)定性，學(xué)者們提出了多種基于室內(nèi)環(huán)境的定位方法，如基于移動臺的位置估計方法、 基于智能手機內(nèi)部傳感器預(yù)估移動臺移動的定位算法、多模融合算法等?；谝苿优_的位置估計方法在非視距環(huán)境下具有很大的誤差，不適用于復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的定位；基于智能手機內(nèi)部傳感器預(yù)估移動臺移動的方法，在理論上比較新穎，但對于移動臺的移動還是主體的移動當(dāng)前還沒有一個比較好的解決辦法，因此精度不高；多模融合定位算法，是將通過多種定位介質(zhì)得到的定位結(jié)果進(jìn)行融合得出最終定位結(jié)果的定位方法，可以得到較高的定位精度，但需要定位主體具備多種傳感器，不適用于廣泛的位置服務(wù)。[1]

針對以上所述文獻(xiàn)中方法的缺陷，本文提出了一種基于智能手機GPS/WIFI/藍(lán)牙/圖像的多維級聯(lián)綜合定位方案。此方案相較于傳統(tǒng)的GPS定位，解決了由于室內(nèi)無法接收到良好的GPS信號而導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確或失敗的問題。相較于現(xiàn)今人們廣泛使用的高德地圖和百度地圖使用的移動基站+網(wǎng)絡(luò)定位（GSM/2G/3G//4G/WIFI）方案，該方案增加了藍(lán)牙定位和圖像定位，對其做了有益的補充和完善。該系統(tǒng)架構(gòu)簡單，可擴展性強，適用范圍廣，具有廣闊的市場前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

文中設(shè)計的多維級聯(lián)定位系統(tǒng)主要包括Android客戶端、中央服務(wù)器位置數(shù)據(jù)庫三部分。智能手機或平板終端安裝客戶端App后，就可以通過觸屏和用戶進(jìn)行交互。中央服務(wù)器則負(fù)責(zé)將手機和平板的操作指令進(jìn)行計算與處理，并反饋給使用者處理后的結(jié)果。手機或平板通過WIFI或GSM/3G/4G與服務(wù)器進(jìn)行通信。

本系統(tǒng)整合智能手機的WIFI功能和藍(lán)牙功能，實現(xiàn)高精度定位與導(dǎo)航服務(wù)，與傳統(tǒng)定位相比，本系統(tǒng)具有精度高，可精確定位至樓層甚至門牌號，其硬件設(shè)備簡單，成本較低、系統(tǒng)可靠、易于使用和擴展。

智能手機或平板電腦通過連接WIFI與Internet建立連接，打開客戶端軟件，選擇相應(yīng)的定位服務(wù)（WIFI定位/藍(lán)牙定位/圖像識別定位/高德定位），客戶端軟件發(fā)送獲取到的周圍WIFI/藍(lán)牙/圖像信息數(shù)據(jù)給中央服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)客戶端傳送過來的原始定位數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合定位分析，最后將計算所得位置結(jié)果發(fā)送給手機客戶端完成一次定位服務(wù)。

2 Android客戶端軟件設(shè)計

Android客戶端控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括用戶界面UI、HTTP通信、SQLite數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。Android客戶端由一個或多個Android組件構(gòu)成，組件包括 activities、services、content providers、broadcast receivers 等，每個組件在應(yīng)用程序中完成不同的任務(wù)，每個組件可以單獨被激活，或由其他應(yīng)用程序激活。

2.1 Android 客戶端用戶界面

Android客戶端主界面分為四個碎片（Fragment）界面，每個Fragment實現(xiàn)一個定位功能，從左至右依次是WIFI定位、藍(lán)牙定位、圖像定位和位置地圖。打開客戶端軟件首先默認(rèn)進(jìn)入WIFI定位Fragment，通過選擇底部Tab導(dǎo)航標(biāo)簽可以進(jìn)入藍(lán)牙定位/圖像定位/位置地圖功能。若使用者未打開Wlan或藍(lán)牙，在進(jìn)入相應(yīng)Fragment時會提示使用者打開上述設(shè)備以繼續(xù)使用定位功能。

2.2 WIFI定位的實現(xiàn)

WiFi熱點只要通電，不管它怎么加密的，都一定會向周圍發(fā)射信號。每個WiFi熱點所發(fā)出的無線信號中包含此 WiFi 熱點的唯一全球 ID。即使目標(biāo)距離此WiFi熱點比較遠(yuǎn)，目標(biāo)無法與WiFi熱點建立連接，但WiFi熱點還是可以偵聽到它的存在。江蘇電信、江蘇移動、江蘇聯(lián)通等公司鋪設(shè)的位于公共場所的WiFi熱點一般都是很少變位置的，比較固定。[2]

打開客戶端軟件默認(rèn)進(jìn)入WIFI定位功能界面，若Wlan尚未打開，則提示當(dāng)前Wlan尚未打開。使用者可通過點擊“打開Wlan”按鈕來一鍵打開Wlan。WIFI定位的基本思路是首先通過手機客戶端獲取周圍WIFI熱點的mac地址作為特征識別碼，之前也有某些通過WIFI定位方案使用WIFI熱點的名稱來作為特征識別碼，但此種方式容易遇到無線路由器更改WIFI熱點名稱所帶來的識別碼失效問題。故選用周圍WIFI熱點的mac地址作為特征識別碼比前者更穩(wěn)定，不存在WIFI名稱改變導(dǎo)致特征識別碼失效的問題。第二步是把搜集到的周圍WIFI熱點的mac地址和rssi信號強度以及高德定位所得位置作為原始定位數(shù)據(jù)發(fā)送給中央服務(wù)器，客戶端等待中央服務(wù)器返回地址數(shù)據(jù)。中央服務(wù)器接收到客戶端發(fā)送過來的原始定位數(shù)據(jù)后，首先根據(jù)mac地址進(jìn)入位置數(shù)據(jù)庫（采用Mysql數(shù)據(jù)庫存儲）查詢數(shù)據(jù)庫中是否已有當(dāng)前mac地址對應(yīng)的地址信息，如果有則直接返回地址信息給客戶端；如果沒有地址信息則根據(jù)高德定位所得坐標(biāo)和WIFI的rssi通過距離算法反推WIFI地址并存儲道位置數(shù)據(jù)庫。

1）將網(wǎng)絡(luò)連接封裝到HttpConnect類中以方便之后復(fù)用

public class HttpConnect {

public String httpConnect（String url， String name， String filepath） {

strBoundary = UUID.randomUUID（）.toString（）；

strChangeLine = "＼r＼n"；strPrefix = "--"；try {URL mURL = new URL（url）；

HttpURLConnection mHttpURLConnection = （HttpURLConnection） mURL.openConnection（）；

mHttpURLConnection.setRequestMethod（"POST"）；

mHttpURLConnection.setRequestProperty（"Content-Type"， "multipart/form-data； boundary=" + strBoundary）；

DataOutputStream mDataOutputStream = new DataOutputStream（mHttpURLConnection.getOutputStream（））；

mDataOutputStream.writeBytes（strPrefix + strBoundary + strChangeLine）；

mDataOutputStream.writeBytes（"Content-Disposition： form-data； name=＼"" + name + "＼"； filename=＼"" + filepath.substring（filepath.lastIndexOf（"/"） + 1） + "＼"" + strChangeLine）；

mDataOutputStream.writeBytes（strChangeLine）；File mFile = new File（filepath）；

FileInputStream mFileInputStream = new FileInputStream（mFile）；

byte[] byt = new byte[1024 * 2]；int len；

while （（len = mFileInputStream.read（byt）） ！= -1） {mDataOutputStream.write（byt， 0， len）；}

mDataOutputStream.writeBytes（strChangeLine）；

mDataOutputStream.writeBytes（strPrefix + strBoundary + strPrefix + strChangeLine）；mDataOutputStream.flush（）；

mBufferedReader = new BufferedReader（new InputStreamReader（mHttpURLConnection.getInputStream（）））；

mStringBuffer = new StringBuffer（）；String str；

while （（str = mBufferedReader.readLine（）） ！= null） {mStringBuffer.append（str）；}

strHttpConnectResult = mStringBuffer.toString（）；

Log.d（"click"， "httpresut：" + strHttpConnectResult）；

mDataOutputStream.close（）；

mFileInputStream.close（）；mBufferedReader.close（）；

mHttpURLConnection.disconnect（）；} catch （Exception e） {e.printStackTrace（）；

} return strHttpConnectResult；}

2）獲取周圍WIFI的mac地址和rssi信號強度

mWifiManager=（WifiManager）context.getSystemService（Context.WIFI_SERVICE）；

mWifiInfo = mWifiManager.getConnectionInfo（）；

mWifiManager.startScan（）；

mScanResult = mWifiManager.getScanResults（）；return mScanResult；

3）將獲取周圍WIFI的mac地址和rssi信號強度數(shù)據(jù)發(fā)送給中央服務(wù)器

JSONArray mJsonArraySend = new JSONArray（）；

JSONObject mJsonObjectSend；

for （int i = 0； i < params[0].size（）； i++） {mJsonObjectSend = new JSONObject（）；

try {mJsonObjectSend.put（"mac"， params[0].get（i）.getMac（））；} catch （JSONException e） {e.printStackTrace（）；}try{mJsonObjectSend.put（"mdb"，params[0].get（i）.getMdb（））；} catch （JSONException e） {e.printStackTrace（）；}mJsonArraySend.put（mJsonObjectSend）；}

4）獲取中央服務(wù)器返回的位置數(shù)據(jù)

strHttpConnectResult = HttpConnect.httpConnect（"http：//127.0.0.1/httptest.php"， （"json=" + mJsonArraySend.toString（））.getBytes（））；JSONArray mJsonArrayReceive = null；try {mJsonArrayReceive = new JSONArray（strHttpConnectResult）；} catch （JSONException e） {e.printStackTrace（）；}

將解析后的數(shù)據(jù)顯示到RecycleView

for （int i = 0； i < params[0].size（）； i++） {for （int k = 0； k < mJsonArrayReceive.length（）； k++） {JSONObject mJsonObjectReceive = null；

try {mJsonObjectReceive = mJsonArrayReceive.getJSONObject（k）；} catch （JSONException e） {e.printStackTrace（）；}if（params[0].get（i）.getMac（）.equals（mJsonObjectReceive.optString（"mac"）））{params[0].get（i）.setAddress（mJsonObjectReceive.optString（"address"））； params[0].get（i）.setDistance（mJsonObjectReceive.optInt（"distance"））；break；}}}

mWifiAdapter = new WifiAdapter（getActivity（）， list）；

rv_wifi_wifi_location.setAdapter（mWifiAdapter）；

LinearLayoutManager mLinearLayoutManager = new LinearLayoutManager（getActivity（）， LinearLayoutManager.VERTICAL， false）； rv_wifi_wifi_location.setLayoutManager（mLinearLayoutManager）；

2.3 藍(lán)牙定位的實現(xiàn)

藍(lán)牙技術(shù)屬于短距離無線通信技術(shù)，是利用無線連接把固定及移動的信息設(shè)備構(gòu)成個人局域網(wǎng)，從而使得設(shè)備之間低成本無線互連通信的實現(xiàn)[3]。

藍(lán)牙定位技術(shù)功耗較低，主要應(yīng)用于小范圍定位，精確度為1～3m，有中等的安全性和可靠性。藍(lán)牙設(shè)備體積小，易于集成在PDA、PC及手機中，因此很容易推廣普及。對于持有集成了藍(lán)牙功能移動終端設(shè)備的客戶，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟，藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行位置判斷。采用該技術(shù)作室內(nèi)短距離定位時容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號傳輸不受視距的影響。相比其他幾種流行的室內(nèi)定位方法，采用低功耗藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)定位方法具有成本低、部署方案簡單、響應(yīng)速度快等技術(shù)特點，加之手機設(shè)備廠商對藍(lán)牙4. 0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的大力推廣，因而具有更好的發(fā)展前景[4]。

打開客戶端軟件，選擇底部藍(lán)牙定位Tab進(jìn)入藍(lán)牙定位Fragment，若此時未手機尚未打開藍(lán)牙，則提示使用者打開藍(lán)牙以繼續(xù)使用藍(lán)牙定位服務(wù)。使用者可以點擊“打開藍(lán)牙”按鈕一鍵開啟系統(tǒng)藍(lán)牙功能，打開藍(lán)牙之后客戶端軟件將自動搜索附近藍(lán)牙設(shè)備?？蛻舳塑浖⑺阉鞯降母浇{(lán)牙設(shè)備的mac地址作為特征識別碼來標(biāo)識每一臺藍(lán)牙設(shè)備，該設(shè)計相較于其他一些藍(lán)牙類軟件將藍(lán)牙名稱作為特征識別碼避免了藍(lán)牙名稱重復(fù)所帶來的標(biāo)識混亂問題?？蛻舳塑浖诤笈_將搜索到的附近藍(lán)牙設(shè)備的mac地址和rssi信號強度進(jìn)行算法分析，最終得出和當(dāng)前智能手機的實際距離并返回數(shù)據(jù)顯示到用戶界面，

1）新建廣播接收器，獲取周圍藍(lán)牙設(shè)備的mac地址和rssi信號強度

mBroadcastReceiver = new BroadcastReceiver（） {

public void onReceive（Context context， Intent intent） {mIntent = intent；

if （intent.getAction（）.equals（BluetoothDevice.ACTION_FOUND）） {

BluetoothDevice mBluetoothDeviceNew = intent.getParcelableExtra（BluetoothDevice.EXTRA_DEVICE）；

if （mBluetoothDeviceNew.getBondState（） ！= BluetoothDevice.BOND_BONDED） {

mBluetoothBean = new BluetoothBean（）；

mBluetoothBean.setName（mBluetoothDeviceNew.getName（））；

mBluetoothBean.setRssi（intent.getExtras（）.getString（BluetoothDevice.EXTRA_RSSI））；

mBluetoothBeanList.add（mBluetoothBean）；

mMyBluetoothAdapter.notifyDataSetChanged（）；}}

2.4 圖像識別定位的實現(xiàn)

近幾年，隨著計算機軟硬件與光電傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，圖像處理技術(shù)與機器視覺技術(shù)的應(yīng)用已深入航空航天、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域，在紡織行業(yè)也得到了日益廣泛的應(yīng)用，如檢測纖維混紡比，自動評判織物抗皺性、起毛起球性等級織物結(jié)構(gòu)參數(shù)識別等。其中，基于成像式傳感器的自動檢測方法研究是熱門的課題之一[5]。

打開客戶端軟件，選擇底部圖像定位Tab進(jìn)入圖像定位Fragment，界面顯示相機取景框，使用者調(diào)整手機位置選取要定位的建筑物，點擊“拍照”將保存圖片數(shù)據(jù)并跳轉(zhuǎn)到圖片預(yù)覽界面，確認(rèn)后點擊“確定”按鈕將圖片發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行圖像識別，客戶端等待服務(wù)器定位結(jié)果。服務(wù)器根據(jù)特征點進(jìn)行圖像識別分析得到圖像特征碼（IFC，Image feature code）。將此圖像特征碼在位置數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行位置查詢并返回查詢結(jié)果給手機客戶端，客戶端將結(jié)果顯示到用戶界面。

1）打開攝像頭，獲取手機客戶端拍照圖片

Camera.Parameters mCameraParameters = mCamera.getParameters（）；

mCameraParameters.setPictureFormat（ImageFormat.JPEG）；

mCameraParameters.setFocusMode（Camera.Parameters.FOCUS_MODE_AUTO

mCamera.setParameters（mCameraParameters）；

mCamera.takePicture（null， null， mCameraPictureCallback）；

mCameraPictureCallback = new Camera.PictureCallback（） {

public void onPictureTaken（byte[] data， Camera camera） {

String childDirectoryPath = "Location" + File.separator + "Picture"；

mFileOperate.createChildDirectory（childDirectoryPath）；

File mPictureSaveFile = new File（mFileOperate.mPath + File.separator + childDirectoryPath + File.separator + "temp.jpg"）；

Bitmap mBitmapResource = BitmapFactory.decodeByteArray（data， 0， data.length）；

Bitmap mBitmapToSave = BitmapFactory.decodeByteArray（data， 0， data.length）；

Matrix mMatrix = new Matrix（）；

mMatrix.setRotate（90， mBitmapResource.getWidth（） / 2， mBitmapResource.getHeight（） / 2）；

mBitmapToSave = Bitmap.createBitmap（mBitmapResource， 0， 0， mBitmapResource.getWidth（）， mBitmapResource.getHeight（）， mMatrix， true）；

try {if （mPictureSaveFile.exists（）） {mPictureSaveFile.delete（）；}

FileOutputStream mFileOutputStream = new FileOutputStream（mPictureSaveFile）；

mBitmapToSave.compress（Bitmap.CompressFormat.JPEG， 50， mFileOutputStream）；

mFileOutputStream.close（）；} catch （FileNotFoundException e） {

e.printStackTrace（）；} catch （IOException e） {e.printStackTrace（）；}}}；

2）將圖片發(fā)送到中央服務(wù)器進(jìn)行圖像識別

3）將服務(wù)器返回位置數(shù)據(jù)顯示到用戶界面

2.5 3D校園重建的實現(xiàn)

基于3D建模的三維校園重建功能是本系統(tǒng)設(shè)計的最終目標(biāo)。通過利用3D建模技術(shù)將校園的立體結(jié)構(gòu)構(gòu)建出來，如教學(xué)樓、學(xué)生公寓、食堂、圖書館、辦公樓、實驗樓等，每棟建筑的樓層和房間也通過3D建模技術(shù)予以重建，最終構(gòu)建出一個完整的數(shù)字三維立體校園模型。通過使用壓縮算法實現(xiàn)將數(shù)字三維立體校園模型在手機終端予以展示。

3 結(jié)束語

將完成的手機應(yīng)用軟件成功安裝， 經(jīng)反復(fù)測試，可以實現(xiàn)與服務(wù)器進(jìn)行交互，資源下載與上傳均可實現(xiàn)，可以通過校園微博發(fā)送與接收微博信息，通過校園導(dǎo)航實現(xiàn)校園導(dǎo)航與周邊搜索等。各功能模塊工作正常，耦合度低，符合預(yù)期設(shè)計要求。

本數(shù)字校園服務(wù)平臺系統(tǒng)兼容當(dāng)前較流行的B/S架構(gòu)——瀏覽器+服務(wù)器，和其他系統(tǒng)架構(gòu)如C/S架構(gòu)相比，優(yōu)勢明顯，實現(xiàn)了跨平臺同等表現(xiàn)。同時，這種方式采用的手機App具有通用性，易于移植，能夠在帶有此類操作系統(tǒng)的智能設(shè)備上安裝和使用，市場價值高，易于推廣，本系統(tǒng)所需硬件簡單易用，穩(wěn)定可靠，大大降低了開發(fā)和維護成本，并具有良好的擴展性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙宇，周文剛.基于智能手機的室內(nèi)定位[J].計算機應(yīng)用與軟件，2015（6）：91.

[2] 鈕鑫.Wifi定位的原理及應(yīng)用方向[J].福建電腦，2015（10）：136.

[3] 盧來，龍科.關(guān)于藍(lán)牙室內(nèi)無線定位系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015（12）：70.

[4] 蘇松，胡引翠，盧光耀，等.低功耗藍(lán)牙手機終端室內(nèi)定位方法[J].測繪通報，2015（12）：81-84.

[5] 黎聰，閆學(xué)娜，曾祥忠，等.應(yīng)用一維傅里葉變換的剖幅區(qū)自動識別與定位[J].紡織學(xué)報，2016（1）：148.