基于Android平臺的位置指紋室內定位系統研究與設計*

許　微　查　峰　李　豹

(海軍工程大學導航工程系　武漢　430033)

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基于Android平臺的位置指紋室內定位系統研究與設計*

許微查峰李豹

(海軍工程大學導航工程系武漢430033)

摘要在研究基于 RSSI(Received Signal Strength Indication)位置指紋室內定位算法的基礎上，設計了一種基于 Android平臺的室內定位系統。該系統分為定位客戶端和服務器端兩部分，同時設計了位置指紋庫的相關字段。系統主要應用于室內人員的定位，不同的系統使用者可以添加各種豐富的基于位置的服務信息，從而提供LBS。

關鍵詞接收信號強度指示; 位置指紋; 室內定位系統

Class NumberU666.1

1引言

隨著人們對基于位置的服務的需求的迅速增加，室內定位的應用如雨后春筍，例如:在大型展館中，根據游覽者的當前位置，導游系統可以提供精準導覽，大大提升用戶的參觀體驗，同時節省人力成本；在地下礦藏開采中，及時準確地掌握工人的位置，有助于提高企業的管理水平，尤其是在發生安全事故時，便于應急救援的開展，最大程度的減少傷亡。

但是傳統的全球衛星導航系統，如GPS和北斗，在室外定位領域已經是功勛卓著，但是在室內定位領域(包括森林和地下環境)，由于建筑物對衛星信號的遮蔽，無法為室內用戶提供精準的位置信息，對于室內用戶的定位的接力棒就交給了室內定位系統。

2室內定位系統現狀分析

現有的室內定位系統，由于不能像全球衛星導航系統，可以一種技術架構適用于所有不用領域、不同需求的解決方案。各個行業、各個應用領域的室內定位均有各自的技術特點。因此從不同角度分類，可以將室內定位系統根據定位技術和定位算法等進行分類。

首先，根據采用的定位技術的不同，室內定位系統可概括分為兩大塊:基于慣性技術(基于加速度傳感器和陀螺儀等的慣性測量)和基于短距離無線技術(包括紅外、超聲波、藍牙、射頻標簽、Zigbee、UWB和無線局域網WLAN)。

其次，根據采用的定位算法的不同，可分為基于距離參數定位方法和基于非距離參數定位方法的室內定位系統。基于距離參數定位方法通過測量節點間的距離或角度等信息來計算節點的位置，定位精度相對較高[1]，如 TOA ( Time of Arrival ) 、TDOA ( TimeDifference of Arrival) 、AOA ( Angle of Arrival) 等，需要額外的硬件支持。基于非距離參數定位方法利用網絡連通性、相似匹配性等信息實現定位，在成本和功耗等方面有一定的優勢，但定位精度相對較低，如質心算法[2]，APIT( Approximate Point-In-Triangulation Test )[3]、DV-Hop ( Distance Vector-hop)[4]、MAP(Mobile Anchor Point)、凸規劃定位和Ring-Overlapping定位算法[5]等。

因此，如何減少額外硬件設備，以較低的成本實現復雜室內環境下的高精度定位，滿足室內用戶的位置信息需求，成為定位技術領域的前沿和熱點課題。隨著無線通信技術的快速發展，非主要應用于定位的無線信號的無處不在，促使人們利用這些無線信號的特征進行定位的想法。位置指紋法正是在這樣的背景下顯現出廣泛的應用價值。基于位置指紋的定位技術主要是基于射頻無線信號的目標定位方法，目前多應用于基于無線網絡的定位系統，如無線局域網(WLAN)、GSM網絡、WCDMA網絡、ZigBee網絡等[6～10]。所謂位置指紋，是指目標源處于某一位置時，各個接收器所測得的某些物理參數與該位置存在一一對應關系，即一組物理參數可唯一地表示一個目標源位置，則可將這組物理量視作該位置的指紋。對于確定信號源定位，可用于做指紋的特征物理量有很多，如接收信號強度、信噪比、功率級、響應速度等，其中最常用的是接收信號強度(Received Signal Strength, RSS)，這是由于大部分無線網絡如WLAN和ZigBee 等協議都支持以接收信號強度指示(Received Signal Strength Indication, RSSI)的形式提供以dBm為單位的接收信號強度信息，完全通過純軟件的方式就能夠實現定位。基于位置指紋的定位算法主要分為離線指紋庫建立階段和在線定位階段[11]：

1) 離線指紋庫建立階段。此階段在目標定位之前進行，在部署好的網絡環境中，根據應用需求，確定指紋采集點的數目與位置。之后，接收設備至各采集點進行信號采集。在每一個采集點處，將各個接收器采集到的信號特征量與采集點的坐標一同組成位置指紋庫。

2) 在線定位階段。當目標運動到某一位置時，各個接收器可接收到RSSI序列，組成一組特征矢量 。將該組矢量與位置指紋庫中的各組數據中特征量部分進行匹配，將滿足匹配條件的己存特征矢量所對應的坐標或坐標的某種組合作為目標的位置[12]。

3系統設計

本文設計的位置指紋室內定位系統,屬于一個主動定位的基于Android平臺的定位系統，一般用于服務場合。如在大型博覽會中，用戶可以通過自己隨身攜帶的Android終端獲取自己當前的位置信息，同時系統會根據用戶所處的位置將對應的商家服務信息推送給用戶，這樣便達到了游覽者和商家雙贏的目的；在醫院，就醫者可以從自己的手機終端上獲得自己所處的院內位置信息，快速找到自己的就診科室，及時就醫；在圖書館，借閱者同樣可以瀏覽手中Android移動終端上顯示的位置信息，獲知自己當前位置屬于哪類圖書的存放區。類似的室內場合還很多，主要的應用價值在于定位用戶可以獲取自己在室內的位置信息，系統可以根據用戶當前的位置，選擇性推送相關的基于位置的服務信息，這樣可以讓定位移動終端用戶獲取較好的基于位置的服務體驗。

3.1總體設計

系統擬采用客戶端/服務器 (Client/Server，C/S)的軟件架構(如圖1)。

圖1　系統架構圖

主要提供基本的靜態定位功能，這是其他跟蹤導航功能的基礎，后續開發中將實現針對動態用戶的定位導航跟蹤，不同的系統使用者可以在服務器端的數據庫中添加各種豐富的基于位置的服務信息，從而提供LBS。

客戶端和服務端的開發語言為JAVA。客戶端是安裝在Android系統上的APP應用程序，采用Android 主流的開發環境 Eclipse+ADT+Android SDK，Android應用程序是在 Eclipse平臺上編寫的，首先需要在Eclipse上安裝ADT插件，然后指定Android SDK所在的路徑，便可以創建Android虛擬機，進行Android應用程序的初步調試。服務器端同樣以Eclipse作為開發環境，采用JAVA語言編寫實現。

位置指紋數據庫選用SQLite數據庫。SQLite是一款輕型的數據庫，只需要幾百KB的內存即可,占用的資源非常少，適用于內存不多的嵌入式產品，如智能手機。SQLite雖然很小巧，但是支持很多SQL語句，例如attach database,begin transaction,create index,create view,select以及update等數據庫操作命令，同時，它也遵守ACID關系型數據庫管理系統。Android平臺采用了SQLite的數據庫存儲方式，并且為開發者提供了API。開發者可以通過創建SQLiteDataHdper的子類來創建自己的SQLiteDatabase實例。SQLiteDatabase提供了對數據庫的所有操作，如query，insert,update,delete等。

3.2客戶端設計

系統的客戶端主要是實現各種移動終端位置導航定位。具體就是具有檢測和識別RSSI、發送RSSI和定位請求、顯示定位結果的功能。

另外，為了便于離線訓練階段指紋數據庫的創建，盡量減少人工統計記錄的工作，該系統在上述的功能模塊基礎上，設計了一個輔助創建指紋數據庫的另一個客戶端，同樣運行于Android平臺上，主要供數據庫管理員使用，應具有采集位置指紋信息，傳送參考點的RSSI和位置信息到服務器端的功能；對應地，在服務器端，需要增加相應的功能模塊，配合數據庫創建客戶端完成指紋數據庫的創建，應具有接收參考點位置指紋信息、處理指紋信息、連接數據庫并寫入指紋數據的功能。

定位客戶端和創建數據庫客戶端均是安裝在Android平臺的移動終端上，離線建立指紋數據庫時，系統管理員通過Android手機內置的無線網卡連接功能連到服務器所在的網絡，使得客戶端和服務器處在同一局域網內，并按照設定好的參考點位置在每一個參考點使用創建數據庫客戶端采集參考點位置指紋信息，并連同其的位置坐標傳送到服務器端。在線定位時，用戶啟動客戶端程序后，并發送一個定位請求到服務器，通過和服務器之間的socket通信進行數據傳輸，將能采集到的AP的RSSI通過socket連接發送給服務器，最后接收并顯示服務器定位出的位置信息。

3.3服務器端設計

系統的服務器端運行于計算機上，主要是實現位置指紋庫的建立、更新和維護以及信號處理和定位算法功能實現。具體可以描述為接收RSSI信息，處理RSSI信息、連接讀取數據庫、執行定位算法、發送定位結果的功能。

服務器主要負責輔助離線階段指紋數據庫的創建以及在線定位階段定位的執行。開啟服務器后，相應會開啟一個監聽線程進行socket監聽，等待客戶端的指紋信息傳輸或者定位請求。當收到創建數據庫客戶端的指紋信息時，服務器要將接收到的指紋信息進行處理，再連接數據庫并將相應的指紋信息存入其中。當收到定位客戶端的定位請求時，服務器讀取其中的位置指紋信息，并讀取離線階段創建的指紋數據庫中的指紋信息，執行最鄰近定位算法估算出定位客戶端的當前位置，并將結果返回到定位客戶端。

3.4位置指紋數據庫的設計

位置指紋庫是實現定位的基礎，系統在位置指紋庫的建立階段會產生大量的數據，怎樣合理的設計數據庫才能使系統運行效率更高是非常關鍵的問題[13]。本系統釆用的Android平臺進行開發，適用于Android手機的應用軟件，考慮到手機的存儲和運算能力并不能像計算機那樣強大，所以需要通過設計一個好的數據庫來節約手機的內存。Android系統內置有一個輕量級的數據庫系統:SQLite數據庫，同時也提供了管理數據庫的類和方法，能夠有效地對數據庫進行管理。

通過對待定位區域進行數據采集得到位置指紋庫，而后利用位置指紋庫實時的與在線位置指紋信息進行匹配實現定位，所以位置指紋庫準確性對定位精度的影響非常大。

本系統共包含9張數據庫表，用以存儲系統所有產生的數據，如表1所示。

表DATA_COLLECT_ORIGIN用于保存離線階段數據釆集時重復多次采集的包含釆集點位置坐標，AP列表和AP的信號強度列表。此列表信息如表2。

表DATA_COLLECT_FILTER存儲的是數據釆集階段經過處理后的數據，其結構與表 DATA_COLLECT_ORIGIN 一樣。

表1　指紋數據庫中涉及的表

表2　數據庫表DATA_COLLECT_ORIGIN 信息

表DATA_COLLECT_AVERAGE存儲的是對每個AP的信號強度經過求平均之后得到的新數據，其信息如表3。

表DATA_RSSI_RANGE存儲的是每個AP的信號強度變化范圍，其信息如表4。

表4　DATA_RSSI_RANGE 表信息

表DATA_AP_RSSI用來保存數據釆集階段釆集到的RSSI數據，存儲了AP的名字和信號強度，通過表5來描述。

表5　DATA_AP_RSSI 表信息

表DATA_FEATURE_LIBARAY存儲的是特征庫的信息。

表6　DATA_FEATURE_LIBARAY 表信息

表CURRENT_RSSI_LEVEL用以存儲當前實時掃描到的AP信息，包括AP的名字和信號強度。其結構與表DATA_AP_RSSI相同。

表POSITION_WEIGHT用來存儲匹配后得到的包含權值和位置信息的數據，其信息如表7。

表7　含權值和位置信息的數據表

為了在每一次定位結束時對本次定位結果進行判斷，需要對每一次定位的結果進行存儲，表POSITION_CORRECT存儲的是每一次正確定位后的位置信息，如表8所示為數據庫表POSITION_CORRECT的結構。

表8　 POSITION_CORRECT 表信息

4系統實現

系統主要由類圖中的七個類實現，MainActivity類是系統最主要的類是系統的入口 ,系統的特征庫建立功能模塊的實現就由這個類來完成。MatchingActivity類是定位算法的主體類，實現當前掃描的數據與特征庫的匹配，計算目標定位坐標，主要調用的方法:readData()，writeData(), matchData()，calculateCoordinate()等。類圖中的其他類主要負責系統運行過程巾的數據處理，實現數據的交互和存儲等。

圖2　系統類圖

5結語

本文著眼實際，以基于位置的服務應用為研究背景，以室內定位領域的前沿理論成果為理論基礎。采用軟硬件結合的研究方法，以位置指紋室內定位系統的工程實用化為目標，探索并設計了基于Android的位置指紋室內定位系統，為后續研究位置指紋室內定位算法的優化奠定了堅實的基礎。

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Study and Design of Indoor Position System with Fingerprint Based on Android Platform

XU WeiZHA FengLI Bao

(Department of Navigation Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractOn the basis of the research based on RSSI indoor positioning, the paper designs a kind of fingerprint indoor position system based on Android platform.The system is divided into two parts, including positioning the customer terminal and positioning server. It mainly applies to position for indoor people. Different users can add kinds of information to the system in order to provide the server based on location.

Key Wordsreceived signal strength indication, fingerprint, indoor position system

* 收稿日期：2015年11月3日,修回日期：2015年12月27日

基金項目：海軍工程大學青年自然科學基金(編號：HGDQNJJ15006，HGDQNJJ15020)；國家自然科學基金(編號：61503404)；航空科學基金(編號：20150816002)資助。

作者簡介：許微，女，碩士，講師，研究方向：衛星導航、室內定位和重力匹配導航。查峰，男，博士，講師，研究方向：慣性技術及應用。李豹，男，博士，講師，研究方向：衛星導航技術及應用。

中圖分類號U666.1

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.013