室內位置服務通用App設計研究

周 寧，秘金鐘*，李得海，魏盛桃，吳文壇，徐 浩

(1.中國測繪科學研究院，北京 100830； 2.山東科技大學 測繪與空間信息學院，山東 青島266590； 3.河北省自然資料檔案館，河北 石家莊 050031)

0 引言

隨著社會生產力的發展，位置服務在人們日常生活中發揮著越來越重要的作用，而且人們室內活動不斷增多，大眾用戶對于室內定位導航服務的需求也逐步增多，并且對室內位置服務的精度、實時性、連續性和可操作性等方面都有一定的要求。特別是對于商場、機場、體育中心等建筑結構復雜、面積較大的室內環境來說，室內定位與導航服務能夠方便人們進行人找點、人找人、平臺找人。室內定位與導航技術還可以用于應急救援、人群疏散等大型公共安全事件，面對突發事件，室內位置服務可以快速定位求助者位置，以便搜救人員快速準確地開展搜救行動，盡最大可能地減小人員傷亡。

目前，室內定位方法多種多樣，從技術上主要分為3類：① AGPS(Assistant-GPS)技術，將GPS與通信基站聯合使用；② 無線技術，借助各種各樣的無線信號進行定位；③ 其他定位技術，如地磁定位、視覺定位等[1]。具體的室內定位技術包括紅外線定位、超聲波定位、蜂窩網絡定位、藍牙(Bluetooth)定位、無線頻射標簽(Radio Frequency Identification，RFID)定位、超寬帶(Ultra-Wide-Band，UWB)無線定位、ZigBee定位、偽衛星定位、可見光定位、計算機視覺定位和慣性導航定位等[2]。不同的定位方法各有特點，在室內定位結果精度、成本和設備覆蓋率等方面各有優勢。在實際應用過程中，通常采用多種定位手段融合的辦法，在保證一定定位精度的前提下，降低成本，提高定位結果的穩定性，使得位置服務軟件能夠貼合用戶需要[3]。融合的定位技術也是目前室內定位研究的熱點，例如可將藍牙定位技術、行人航跡推算(Pedestrian Dead Reckoning，PDR)方法與氣壓測高的方法結合[4]，實現室內三維定位。

針對當前室內位置服務的需求，以商場作為室內位置服務試點區域開發了室內位置服務App，利用移動終端智能手機中搭載的多種傳感器作為數據來源，計算用戶位置，為用戶提供室內定位與導航服務，并且在試驗區域進行了反復測試修正。測試表明，室內位置服務App具有良好的穩定性，定位精度約為2 m。

1 需求分析

綜合商場、機場、體育場館用戶的室內位置應用共性需求，參考室內位置服務終端其他設計[5]，本文室內位置服務App包括下列基本功能：地圖服務功能、位置服務功能、導航服務功能、用戶管理功能與信息交互功能。

地圖服務功能包括地圖瀏覽與位置檢索兩部分。App應實現用戶對于所處室內場景地圖的瀏覽，切換瀏覽視角，并對地圖上不同屬性的位置進行顏色區分顯示。用戶能夠便捷地檢索地圖上的目標，檢索結果能夠高光顯示在地圖上，且地圖能夠隨著用戶位置的改變自動切換樓層，改變視角。

位置服務功能要實現用戶實時的室內定位，首次定位響應時間不超過2 s，連續定位精度不低于2 m；用戶能夠在手機終端上對位置進行標記和收藏，對于收藏的位置能夠方便地調用與導航。將位置服務功能與導航服務功能緊密結合起來，為用戶提供連續穩定的室內位置服務。

在導航服務功能中，用戶可以根據電子地圖，顯示自己所處的位置，輸入目的地，進行路徑分析，并將分析結果顯示在地圖上，對于跨樓層路線，能夠對不同樓層的路線區分顯示。對于分析的導航路線能夠方便地進行方向指示與語音導航，導航過程中對于跨樓層路線能夠隨著用戶的移動實現地圖樓層的自動切換。

用戶管理功能作為基礎功能，需要能夠在App中進行注冊登錄與注銷，且終端應有記憶功能，能夠實現用戶多次便捷登錄。用戶可以通過終端采集自身的位置信息，注冊的用戶能夠添加好友并實現好友之間的多媒體信息與位置信息共享，同時非注冊用戶也可以進行地圖瀏覽、定位與導航。

信息交互功能需要實現用戶與用戶之間的信息交互，特別是位置信息的便捷分享；用戶與云端之間也要實現信息交互，使得云端在面對緊急情況時，能夠快速通知用戶群體[6]；個體用戶在遇到緊急情況時，能夠聯系平臺客服，并能夠發送與接收時間、位置、文字等信息。

2 系統設計

App的設計要考慮多方因素，技術實現、交互、用戶體驗、UI美觀等方面都需要在設計中有所考量。在設計中，以技術因素和用戶體驗因素這2個方面的因素為主導進行設計。

技術因素主要考慮的是為實現用戶需求功能所采用的硬件設施以及軟件算法，在進行設計時，考慮所采用的定位方法是藍牙定位與行人航跡推算相結合的方法，數據來源與數據處理就需要根據定位方法進行調整。

用戶體驗模塊主要為使用App的用戶考慮，設計的App需要易于上手，界面簡潔明了，色彩舒適，才能夠有可能與用戶之間產生良好的交互，使用戶能夠順利使用此位置服務程序，為此應用程序帶來更多的用戶群體。

2.1 室內定位方法設計

藍牙技術作為一種小范圍無線通信技術，能夠實現近距離設備之間的高效通信，固定設備與移動設備之間的數據交換，藍牙技術有著低成本、體積小、適用設備多、頻段通用等優點。藍牙4.0規范下的低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy)能夠在保證100 m通信范圍的同時降低功耗，使得藍牙的成本和功耗進一步降低，可以廣泛地集成于智能設備終端，易于推廣和使用[7]。例如，蘋果公司發布的iBeacon系統能夠適用于大多數的IOS系統智能終端與安卓4.3以上的智能終端，具有低能耗和高便利性的特點[8]，且定位精度可達2～3 m[9]。

隨著手機技術的發展，智能手機上所搭載的傳感器種類越來越多，從Android1.5開始，系統內置了對8種傳感器的支持，包括加速度傳感器、陀螺儀、磁力傳感器、方向傳感器、環境光照傳感器、壓力傳感器、距離傳感器以及溫度傳感器[10]。這些傳感器的數據能夠作為PDR的數據來源，為用戶提供室內定位導航服務。由于傳感器數據的廣泛易得以及藍牙設備的成本低廉，因此選擇藍牙校正PDR進行室內混合定位。

2.2 開發環境與語言設計

Android操作系統是以Linux為基礎開發的一套開源操作系統，目前，Android系統主要應用于移動設備上，如智能手機等，這種操作系統廣泛應用在智能手機中，適合作為室內位置服務App的開發平臺，便于室內位置服務App的使用與推廣[11]。

在App開發過程中，選用Java作為開發語言是由Java的特性決定的。Java語言相對于C/C++而言，彌補了C++中的缺陷，并且語法與C++相近，易于上手；其次，Java以類為基本組成單元，將數據封裝進類中，使得Java簡潔且易于維護；Java語言相對于其他使用指針直接對存儲地址進行操作的語言來說，安全性更強；Java語言具有高性能的多線程處理能力，使得運行和問題處理十分迅速，適合于智能終端App的運行，能夠為用戶帶來良好的使用體驗[12]。綜上，在Android平臺上使用Java語言進行程序的開發，利于程序的編寫和調試，也利于軟件的推廣與使用。

2.3 功能模塊設計

室內位置服務App根據用戶需求進行整體設計，實現場內普通用戶、工作人員等的管理，具體包括用戶存儲、室內定位、檢索查詢、地圖瀏覽、室內導航和輔助管理等任務，如表1所示，構建完善的室內位置服務框架，最終為用戶提供良好的使用體驗。

表1 室內位置服務App功能模塊設計表Tab.1 Functional module design table of indoor location service App

3 功能模塊實現與測試結果

根據調研與功能需求分析的結果，室內位置服務App根據實際功能實現劃分了5個功能模塊：用戶管理模塊、社交分享模塊、地圖操作模塊、位置服務模塊和導航服務模塊。每個功能模塊組成如圖1所示。

3.1 App功能框架設計與測試結果

進入室內位置服務App后，主界面上可以進行定位、瀏覽與檢索的基礎操作。主界面如圖2所示。滑動主界面地圖可瀏覽地圖；點擊樓層按鈕可切換樓層；點擊放大縮小按鈕可對地圖進行放大和縮小操作；點擊頂欄搜索按鈕可搜索目標店鋪；點擊定位按鈕可更新當前用戶所處位置。

用戶可通過主界面右上角進入擴展功能界面。擴展功能包括用戶退出、用戶注銷、3D地圖瀏覽等，如圖3所示，由入口頂欄右側進入。應用將詳細功能隱藏在主界面左側，點擊頂欄左側菜單欄入口可調出菜單欄。菜單欄中有位置收藏與查看、目標檢索、定位導航、用戶管理以及交互等詳細功能的入口。

圖1 室內位置服務App模塊設計圖Fig.1 Design diagram of the indoor location service App module

圖2 室內位置服務App主界面Fig.2 Main interface of the indoor location service App

圖3 室內位置服務菜單欄Fig.3 Menu bar of the indoor location service App

基礎地圖按鈕可顯示用戶在地圖中的位置，并進行瀏覽地圖、查詢地址、樓層切換瀏覽等操作。位置收藏入口可以收藏當前所處位置，也可根據收藏名稱搜索已收藏位置。定位導航功能可設置起點與終點，分析生成導航路徑，并對用戶進行導航。用戶管理可進行用戶登錄與注冊操作，登錄用戶可在不同終端上同步聯系人目錄，方便用戶使用。社交分享可管理通信錄、與好友發送位置與文字信息，也可與云端管理員交互，進行求援、問詢、云端方案接收等操作。

3.2 用戶管理模塊測試效果

通過菜單欄中的用戶管理，可以進入用戶管理界面，如圖4所示。

圖4 用戶管理界面Fig.4 User management interface

已有賬號用戶可以在該界面登錄賬號，用戶輸入賬號名稱與設定密碼后，點擊注冊賬號即可注冊得到賬號。登錄之后的賬號在菜單欄頂端顯示，賬號其他信息可在社交分享功能中查看與修改。登錄賬號可以同步收藏地點與社交列表，使用戶更為方便使用。

3.3 地圖瀏覽與查詢模塊測試效果

進入主界面即可進行地圖瀏覽，主界面默認展示地圖為商場一樓地圖，用戶可以點擊右側樓層標識切換樓層進行瀏覽，如圖5所示?？梢酝ㄟ^兩指拉伸或者縮小對地圖進行放大或縮小查看。

(a) F2地圖

主界面右上角提供了3D地圖瀏覽入口，點擊3D，進入3D地圖界面。在3D地圖界面中，可以設置起點終點進行路徑分析、導航和查看途徑等，使用方法同2D地圖。旋轉地圖可以轉變查看視角，右上角標注了當前查看的方向。點擊右側的樓層可以切換視角，如圖6所示。

(a) F2地圖

主界面頂欄右側搜索標識提供了模糊搜索功能。點擊搜索符號進入搜索界面，輸入搜索店面的名字，軟件會根據輸入的內容進行聯想。以搜索“牛肉拉面店”為例，在搜索框輸入“拉面”，可以得到2條關于拉面的聯想搜索結果，在獲取到的結果中點擊要搜尋的店，可獲取該店面在地圖上的具體位置，如圖7所示。

(a) 模糊搜索

3.4 位置服務模塊測試效果

主界面上設置了用戶獲取當前定位的入口，用戶可通過點擊主界面左側的獲取位置標識獲取當前位置，在用戶位置發生漂移的時候可以點擊該標識更新當前位置。獲取后的位置會標識在地圖上。

位置收藏與查看界面入口在菜單欄中，點擊菜單欄中“位置收藏”可進入位置操作具體界面，位置收藏界面可以收藏用戶當前位置。自己設置收藏點的名稱并點擊定位圖標，可收藏用戶當前位置,如圖8所示。在需要時，用戶可直接調用已收藏的位置查看并進行導航，具有良好的可操作性，方法簡單易于上手。

(a) 添加位置收藏

3.5 導航服務模塊測試效果

在主界面即可設定終點進行路徑規劃與導航，起點位置默認為用戶當前位置，路徑分析結果與導航界面如圖9所示。

圖9 路徑分析與導航Fig.9 Path analysis and navigation

在定位導航界面提供了設置起點終點、查看途徑、分析路徑、導航以及清除數據選項。用戶可在該界面選定起點終點、點擊分析、得到路徑、點擊清除，可以清除界面上選擇的位置結果以及路徑分析結果。

3.6 位置分享模塊測試效果

點擊菜單欄社交分享，進入社交分享界面。登錄的用戶可以添加其他用戶為好友，好友之間可以在會話界面相互發送消息，點擊右上角綠色的定位圖標，即可把位置發送給好友，操作簡單便捷，如圖10所示。

(a) 通信錄

3.7 云端服務與終端App交互模塊測試效果

為提供更加全面的室內位置服務，App在設計過程中為終端與云端之間的交互建立了接口。用戶在社交分享界面除了可以與通信錄的好友進行位置分享和信息發送之外，也可直接與云端管理員之間發送消息，用戶在面對突發情況時，可以聯系云端管理員尋求幫助，云端管理員通過與用戶的直接交互能夠掌握突發情況的第一手資料，有利于管理員對突發情況的整體部署或是為個別用戶提供幫助。在用戶與云端的交互中，用戶可以直接接收來自云端的位置信息、云端規劃的路線信息，并可根據云端指示的路線進行導航。在需要大范圍向用戶播發信息時，云端可以直接對選定用戶同步發送消息。云端與終端之間的信息交互如圖11所示。

圖11 App與云端服務交互效果Fig.11 Interactive effect between App and cloud service

4 結束語

針對復雜室內場景下用戶的定位導航需求，開發了室內位置服務App。App采用了藍牙定位與行人航跡推算相結合的方法確定用戶室內位置，利用氣壓測高法確定所處樓層，實現了室內三維定位。App進一步分析用戶需求，實現了室內位置服務通用需求分析與功能模塊設計，完成了應用程序的開發與測試。室內位置服務App實現了用戶在復雜室內場景下的室內定位導航、地圖瀏覽與檢索、位置分享、信息交互等服務。此外，為了支撐智慧化位置服務，App提供了云端與終端之間通信與交互功能。經過測試，室內定位與位置服務功能可靠，App運行穩定、使用便捷，滿足了室內位置服務通用功能。