基于云計(jì)算的校園LBS定位技術(shù)在Android平臺(tái)上的研究與應(yīng)用

郭倩 韓博 吳飛龍 朱曉芒

摘要：數(shù)字校園在快速發(fā)展的過程中，移動(dòng)辦公成為一種趨勢。針對(duì)當(dāng)前高校移動(dòng)端業(yè)務(wù)與基于位置服務(wù)（LBS）相結(jié)合的需求，提出一套基于云計(jì)算的在Android平臺(tái)上利用百度定位API實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)混合定位的校園定位技術(shù)方案。以校園即時(shí)消息通信Android客戶端為例展開實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明該方案合理可行。研究成果為校內(nèi)移動(dòng)應(yīng)用與LBS服務(wù)的集成提供了技術(shù)支持，增強(qiáng)了校園移動(dòng)應(yīng)用的服務(wù)能力，可以為相關(guān)研究和實(shí)踐提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：LBS;Android;混合定位;百度定位API;云計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP302.1;TP311.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1673-8454（2020）06-0089-05

一、引言

近年來，智能移動(dòng)終端逐漸在工作、生活和學(xué)習(xí)中普及，移動(dòng)定位技術(shù)也得到了快速發(fā)展，基于位置的服務(wù)LBS（Location-based Service）帶來了更多的高效和便利[1]。LBS是利用各種定位技術(shù)獲得移動(dòng)終端設(shè)備的當(dāng)前的位置，再利用手機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者Wi-Fi獲取服務(wù)。LBS在最初主要應(yīng)用于實(shí)施救援，即緊急情況下迅速對(duì)求助者的位置予以定位，如歐洲的E112 系統(tǒng)、美國的E911 系統(tǒng)。目前，LBS在軍事、物流、交通、生活、醫(yī)療等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，例如，查找智能移動(dòng)終端附近一定范圍內(nèi)的影院、商場、餐館、銀行、加油站等。

Android是基于Linux操作系統(tǒng)的自由及開源的移動(dòng)終端操作系統(tǒng)， 與具備強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的智能移動(dòng)終端相結(jié)合，在工作、生產(chǎn)和生活中漸漸占據(jù)了廣闊的市場。2018年，Android OS高達(dá)85.9%的市場占有率就已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越iOS，成為最主流的移動(dòng)端OS。

數(shù)字校園的快速發(fā)展引領(lǐng)著高校信息化建設(shè)日益壯大，越來越多的業(yè)務(wù)從線下遷移到線上，從PC端延伸到移動(dòng)終端，如移動(dòng)校園、移動(dòng)迎新、教務(wù)考勤、校園訂餐等。眾多校園移動(dòng)化應(yīng)用亟需與LBS結(jié)合，從而為師生提供更加智能、安全和便捷的服務(wù)。雖然目前市場上針對(duì)Android移動(dòng)終端開發(fā)的提供LBS服務(wù)的手機(jī)應(yīng)用層出不窮，但是非定制化的廣譜性軟件無法按照高校的業(yè)務(wù)模式為師生提供定制化的服務(wù)?；诖耍疚尼槍?duì)LBS技術(shù)展開研究，提出在Android平臺(tái)上利用百度定位API[1]實(shí)現(xiàn)校園定位功能這一技術(shù)方案，以校園移動(dòng)即時(shí)通信系統(tǒng)Android客戶端為實(shí)例，驗(yàn)證方案的可行性、合理性和高效性。

二、Android移動(dòng)終端定位技術(shù)

GPS接收機(jī)、基站通信模塊、Wi-Fi模塊、慣性器件等是智能移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)定位功能的硬件基礎(chǔ)[2]，Android系統(tǒng)為訪問這些硬件提供了原生API，Google、百度、高德等廠商在推出地圖應(yīng)用的同時(shí)，也開放了與其地圖應(yīng)用相關(guān)的API，讓Android開發(fā)者可以更加輕松地獲取終端的位置信息。本節(jié)首先簡要介紹Android移動(dòng)終端的定位技術(shù)，隨后就如何選擇實(shí)現(xiàn)校園定位功能的API進(jìn)行分析。

不同的定位技術(shù)有其最佳適應(yīng)環(huán)境，帶來的精確度也各不相同，下面介紹幾種常用的Android移動(dòng)終端定位技術(shù)。

1.GPS定位

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前應(yīng)用最為廣泛。智能終端上的GPS接收機(jī)通過連續(xù)接收衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)來實(shí)時(shí)計(jì)算三維位置和速度信[2]。

Android提供了LocationManager類來完成訪問GPS設(shè)備的操作。在權(quán)限允許的情況下，應(yīng)用程序可以訪問GPS設(shè)備進(jìn)行定位。使用GPS設(shè)備進(jìn)行定位，需要為應(yīng)用請求位置相關(guān)權(quán)限。

借助于LocationManager類可以請求使用系統(tǒng)位置服務(wù)。

設(shè)定定位標(biāo)準(zhǔn)（即Criteria），通過該標(biāo)準(zhǔn)獲取位置提供者（Location類）。

隨后注冊當(dāng)GPS設(shè)備位置更新時(shí)響應(yīng)頻率方法，設(shè)置監(jiān)聽頻率、通知條件[3]。

myLocationListener即LocationListener接口，接口內(nèi)定義onLocationChanged（）方法，當(dāng)位置變化時(shí)執(zhí)行。

通過onLocationChanged方法中Location提供的getLatitude（）和getLongitude（）方法，智能終端即可獲取所在位置的經(jīng)緯度信息。部分手機(jī)支持設(shè)置“自動(dòng)下載星歷”，默認(rèn)通過網(wǎng)絡(luò)輔助GPS設(shè)備來執(zhí)行定位，即AGPS[4]。

借助GPS設(shè)備進(jìn)行定位，盡管定位精確度較高，但冷啟動(dòng)GPS時(shí)間太長，借助于AGPS解決了定位速度的問題，但是并非所有的Android手機(jī)都支持AGPS，所以單靠GPS、AGPS無法滿足定位的需求。

2.基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位——CELL-ID

小區(qū)定位法（CELL-ID）是一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的低成本、易實(shí)現(xiàn)的定位方法[5]。該方法借助于移動(dòng)系統(tǒng)HLR（Home Location Register）中用戶所處小區(qū)的位置信息來進(jìn)行定位，覆蓋面很廣，對(duì)終端設(shè)備的支持度極高。

一段基站信息的代碼中，主要信息包括移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)號(hào)（MNC）、移動(dòng)國家代碼（MCC）、小區(qū)識(shí)別碼（CID）和位置號(hào)碼（LAC）。minigps提供了全球基站數(shù)據(jù)庫，借助minigps提供的url接口，將基站信息經(jīng)過封裝HTTP POST到服務(wù)器會(huì)返回設(shè)備的位置信息[6]。

獲取到基站的基本信息后，將這些基站信息封裝成指定的JSON字符串，封裝格式示例如下：

將此字符串以POST方式發(fā)送到minigps提供的服務(wù)器地址，即可從服務(wù)器端獲取到一串JSON格式的位置信息，解析出經(jīng)緯度和位置信息。

受限于基站的密度，CELL-ID的定位精度通常較低。

3.Wi-Fi定位

使用Wi-Fi進(jìn)行定位的基本原理和CELL-ID定位相似。Google曾提供免費(fèi)的Geolocation API幫助用戶定位用戶所在附近的無線網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)的位置，主要原理是借助手機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)偵測當(dāng)前手機(jī)附近所有無線網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)的MAC地址[7]，通過第三方開放數(shù)據(jù)庫里面的MAC地址的坐標(biāo)獲取到當(dāng)前用戶所處環(huán)境的近似位置信息。由于Wi-Fi熱點(diǎn)的布設(shè)密度通常遠(yuǎn)大于蜂窩基站，因此定位精度優(yōu)于CELL-ID方法。

Android系統(tǒng)提供了獲取當(dāng)前Wi-Fi信息的API。在Wi-Fi連接正常的情況下，借助于WifiManager[8]，可以獲取到當(dāng)前Wi-Fi的基本信息。遺憾的是，Google的Geolocation API已經(jīng)停止提供該項(xiàng)服務(wù)。Wi-Fi定位因?yàn)闆]能找到合適的第三方無線網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)的MAC地址數(shù)據(jù)庫，沒能測試成功。

4.混合定位

在不同的環(huán)境中，不同定位技術(shù)獲取位置的精度是不同的，因此企圖依賴于某一種技術(shù)解決定位的想法并不可行。正確的做法是針對(duì)用戶所處網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境和使用設(shè)備的不同，結(jié)合各定位技術(shù)的特點(diǎn)，選擇最優(yōu)的一個(gè)或多個(gè)定位技術(shù)?；旌隙ㄎ挥谑菓?yīng)運(yùn)而生。在市郊，可以使用GPS接收機(jī)提供位置信息實(shí)現(xiàn)高精度定位，并且通過網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充信息來縮短定位時(shí)間，進(jìn)一步提高定位精度;在市內(nèi)，通過GPS、CELL-ID和Wi-Fi混合定位[9]的方式對(duì)較復(fù)雜的環(huán)境比如高樓密集區(qū)域或室內(nèi)環(huán)境的智能終端進(jìn)行精確的定位。表1總結(jié)了幾種不同定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

通過表1可以看出混合定位的適用面最廣泛，無論在繁華的城市，還是偏僻的農(nóng)村、人煙稀少的郊區(qū)，都具備較高的定位精度。和單一的使用某種定位技術(shù)相比較，混合定位技術(shù)盡管實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，但是具有更高的性價(jià)比。

三、定位API及其選擇

當(dāng)前定位技術(shù)日益趨向于API化，省去了開發(fā)人員在研究定位技術(shù)上耗時(shí)。利用開放的定位API，僅需要將應(yīng)用程序的必要信息封裝起來通過指定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)降谌教峁┑姆?wù)器，就可以實(shí)時(shí)獲取服務(wù)器反饋給用戶設(shè)備所處位置信息的響應(yīng)。目前主流的定位API有以下三種。

1.Google API

為幫助全世界開發(fā)人員輕松打造位置感知應(yīng)用，Google提供了位置API，采用智能化管理的基本定位技術(shù)，根據(jù)用戶的需求提供最佳地點(diǎn)。開發(fā)人員在使用該API的過程中，可以根據(jù)需要設(shè)置“精度”“功耗”等參數(shù)，還可以快速訪問到最新、最近的位置，同時(shí)降低電源消耗;還可以檢查用戶當(dāng)前活動(dòng)，并根據(jù)這些活動(dòng)有效地使用電源。

2.高德API

高德公司為Android平臺(tái)提供與LBS服務(wù)相關(guān)的接口，定位SDK采用多種定位技術(shù)協(xié)作的方式（包括GPS、Wi-Fi、基站等），會(huì)根據(jù)設(shè)備當(dāng)前所處的實(shí)際情況，選擇最佳的定位方案。

3.百度API

幾年前，百度公司推出地圖API，并且免費(fèi)提供給用戶使用。幾年來逐步提供面向網(wǎng)頁地圖應(yīng)用的JavaScript開源庫、JavaScript API和Flash API，以及面向手機(jī)地圖應(yīng)用提供的定位SDK。除此之外，還包括靜態(tài)圖API和車聯(lián)GPS/AGPS定位實(shí)現(xiàn)。

Google是最早涉足定位技術(shù)領(lǐng)域的，其定位準(zhǔn)確度不容質(zhì)疑。但是，繼2011年關(guān)閉了Google Gears接口，2012年又關(guān)閉了Wi-Fi信息數(shù)據(jù)庫的訪問接口，人們再無法免費(fèi)享受到Google的定位API的服務(wù)。百度和高德的定位API在定位準(zhǔn)確度、定位時(shí)間上沒有太大差距，因此筆者對(duì)兩者的性能進(jìn)行了測試。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在某品牌某型號(hào)手機(jī)上對(duì)高德定位API進(jìn)行測試。在GPRS和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)同時(shí)關(guān)閉（GPS設(shè)備可用）時(shí)，高德API無法獲取經(jīng)緯度信息。百度定位API未發(fā)現(xiàn)該問題。

為了方便LBS開發(fā)者，百度LBS開放平臺(tái)提供LBS云服務(wù)，服務(wù)端的數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)能力已開放，通過現(xiàn)有API和SDK服務(wù)，提供海量位置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索服務(wù)。

從性能、可控性方面考慮，最終選擇百度的定位API作為在Android平臺(tái)上校園定位技術(shù)的解決方案。

四、實(shí)例驗(yàn)證

本節(jié)首先介紹百度API的使用方法，隨后以校園移動(dòng)即時(shí)通信系統(tǒng)Android客戶端為實(shí)例，驗(yàn)證利用百度定位API實(shí)現(xiàn)校園定位的可行性、合理性和服務(wù)效率。

1.百度API的使用方法

百度定位需要注冊并申請API Key，開發(fā)人員可以根據(jù)實(shí)際需求，選擇合適的定位優(yōu)先級(jí)。Android 移動(dòng)終端可在LBS 云端計(jì)算和檢索符合要求的位置信息，并且把適合的位置信息保存。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

通過定位SDK的核心LocationClient類設(shè)置API Key，即setAK（）方法。

設(shè)置LocationClient參數(shù)，方便根據(jù)具體的問題選擇不同的定位方案。在項(xiàng)目中，通過BaiduLocationParamsConfig類提供的靜態(tài)setLocationOption（）方法，設(shè)置LocationClient的配置信息，如位置信息更新頻率、定位方式優(yōu)先級(jí)（一般選網(wǎng)絡(luò)有限）、定位服務(wù)的版本等。

LocationClient提供了start（）方法來開啟定位。隨后注冊位置的監(jiān)聽（即BDLocationListener），即可獲取到最新的位置信息。BDLocationListener接口中提供了onReceiveLocation（）方法，參數(shù)BDLocation即為位置信息。BDLocation中提供了對(duì)位置信息包括經(jīng)、緯度、詳細(xì)地址信息等的get、set方法。

locationListener變量實(shí)現(xiàn)了BDLocationListener，負(fù)責(zé)在新的位置信息達(dá)到后進(jìn)行處理，把最新的位置信息存于BDLocation中。

LocationClient的getLastKnownLocation（）方法，用來獲取最近一次成功的位置信息，用于在定位成功后獲取位置信息。

2.即時(shí)通信客戶端驗(yàn)證

下面在西安交通大學(xué)即時(shí)消息通信Android客戶端上，驗(yàn)證應(yīng)用百度定位API實(shí)現(xiàn)校園定位的正確性、可行性。

首先Android 移動(dòng)終端定時(shí)通過百度LBS 云端計(jì)算和檢索所有用戶的位置信息（經(jīng)、緯度信息）和定位時(shí)間戳，并將位置信息保存在數(shù)據(jù)庫中。用戶位置信息表如表2所示。

在軟件的“搖一搖”模塊中，設(shè)計(jì)了“附近好友”的功能，用戶搖晃手機(jī)，客戶端執(zhí)行定位功能，通過對(duì)設(shè)備定位，將獲取到的經(jīng)度和緯度信息封裝進(jìn)IQ包，以XML流形式發(fā)送到服務(wù)器端。服務(wù)器端會(huì)根據(jù)解析到的經(jīng)度和緯度信息，采用百度LBS的云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)周邊檢索功能，以一點(diǎn)為中心（中心點(diǎn)通過經(jīng)緯度參數(shù)指定），搜索中心點(diǎn)附近指定距離范圍內(nèi)的POI點(diǎn)。與數(shù)據(jù)庫中已存儲(chǔ)的所有用戶的位置信息進(jìn)行比較，搜索出一系列附近好友?！皳u一搖”查找附近好友功流程圖如圖1。

服務(wù)器端客戶端搜索到的用戶位置信息為Ls（lso，lsa）（其中，lso表示請求用戶的經(jīng)度信息，lsa表示請求用戶的緯度信息），如果從百度LBS云存儲(chǔ)中檢索到的周邊某些用戶的位置信息為Lp（lpo，lpa）（其中，lpo表示用戶的經(jīng)度信息，lpa表示用戶的緯度信息），如果滿足lpo和lpa分別在lso和lsa的200米以內(nèi)（200米約為0.02度左右）[10]，將該用戶的JID信息添加到結(jié)果列表。在這些附近用戶列表中隨即選取一個(gè)用戶，將該用戶的基本信息封裝起來，作為響應(yīng)的IQ包，在IQHandler類中作為客戶端請求的響應(yīng)[11]，返回給客戶端，功能UI界面如圖2。

經(jīng)過測試，通過百度定位API在校園即時(shí)通信Android客戶端實(shí)現(xiàn)的查找附近好友功能，響應(yīng)時(shí)間不超過0.5秒。使用Monkey對(duì)該功能進(jìn)行10000次的壓力測試，系統(tǒng)未接收到任何崩潰或失控的異常，結(jié)果如圖3所示，“Events injected：10000”后所提示。

上述實(shí)例研究說明， 本文提出的基于云計(jì)算的百度定位API的校園定位解決方案在Android平臺(tái)上具有良好的可行性。在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境驗(yàn)證中，獲取地理位置信息的秒級(jí)反應(yīng)速度符合移動(dòng)端軟件界面的交互需求， 運(yùn)行效率符合實(shí)際需求。

五、結(jié)束語

隨著數(shù)字校園的不斷發(fā)展，業(yè)務(wù)系統(tǒng)移動(dòng)化已經(jīng)成為一種趨勢。針對(duì)當(dāng)前移動(dòng)終端系統(tǒng)與LBS服務(wù)相隔絕的問題，本文提出一套基于云計(jì)算的Android平臺(tái)的校園定位功能實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)校內(nèi)移動(dòng)業(yè)務(wù)與LBS的集成應(yīng)用，為師生提供更為智能靈活和便捷的服務(wù)。本文以校園即時(shí)消息通信Android客戶端展開實(shí)例驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該技術(shù)方案是合理的、可行的和正確的。此方案還可以與移動(dòng)迎新、教務(wù)考勤、校園訂餐、校車調(diào)度等多種移動(dòng)業(yè)務(wù)結(jié)合。在移動(dòng)迎新中通過獲取新生位置和校園地圖，為學(xué)生指引各步驟需要辦理的具體地點(diǎn)和路線;教務(wù)考勤可通過精確獲取學(xué)生位置信息，從地理維度提升考勤精確度;校園訂餐可直接提取訂餐人員位置和校園地圖，獲取送餐地點(diǎn)和路線;校車調(diào)度可通過定位技術(shù)實(shí)時(shí)獲取校車位置，判斷校車到達(dá)某一站點(diǎn)的時(shí)間，為師生提供合理的乘車方案。如何讓基于云計(jì)算的LBS的校園定位技術(shù)與有相關(guān)需求的校園移動(dòng)應(yīng)用相結(jié)合，為移動(dòng)用戶提供更好的用戶體驗(yàn)，將是我們下一步的研究方向。

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