基于二维码和A*算法的室内精准定位导航系统

吴友宝，徐建闽

（华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640）

基于二维码和A*算法的室内精准定位导航系统

吴友宝，徐建闽

（华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640）

随着移动互联网的迅猛发展，基于位置的服务LBS（Location Based Services）在现代人的生活中起着至关重要的作用。由于室内环境无法精确获取GPS数据，导致室内定位的需求一直得不到满足。在历时一个月调研了各阶层有代表性的智能手机用户的前提下，此文提出了基于二维码的室内精准定位技术，以及基于A*算法的室内语音导航技术。利用AutoCAD、PhotoShop和3DMax等软件设计室内平面图，并在当前流行的Android智能手机平台下，设计开发了基于二维码和A*算法的室内定位系统。实际应用表明，该系统具有精准定位、人性导航和丰富信息的三大基础功能，能够满足人们日常在大型公共建筑中的基本需求。

二维码；A*算法；室内定位；室内导航；智能手机

随着移动互联网的快速发展，基于位置的服务 LBS（Location Based Services）广泛应用于个人定位、货物跟踪和汽车导航等各个领域[1]。通过全球卫星定位系统（GPS）可实现室外定位服务，但在室内环境下无法接受GPS信号。由于停车场、大型商场、医院、图书馆等公共建筑越来越趋向于大型化，导致人们在室内时无法准确获取所在位置和目的地方位，在室内活动经常遇到种种不便。如果室内定位服务能够精准地获取地理位置，并且提供准确的室内导航，将为人们室内活动带来极大的方便。

目前，基于室内的定位技术已有大量的研究成果。R.Want等提出了基于红外线的室内定位技术，因传播距离短不适合大规模应用[2]。S.T.Shih等提出了基于无线射频识别的室内定位技术，因RFID标签默认不提供信号强度信息，需要进行手工估计，造成误差较大[3]。结合被动RFID标签和WiFi RSSI信号，Y.C.Chen[4]提出了能够在不同环境下在线标定多个射频图的自适应方法，精度虽达到2.13～2.81米，但部署环境时需要安装额外的RFID阅读器。谷歌手机地图依靠GPS（室内一般也能搜索到2～3颗卫星）、WiFi信号、手机基站以及根据一些“盲点”（室内无GPS、WiFi或基站信号的地方）的具体位置实现室内定位，但存在着3～5 m的定位误差，且成本非常高[5]。

针对大型超市、公共场所、大型商场、医院、停车场、图书馆等室内建筑无法获取 GPS数据、WiFi信号定位误差大、RFID标签部署复杂且成本高等现状，此文运用现今流行的Android操作系统，设计开发了基于二维码和A*算法[6-7]的室内定位系统，具有精准定位、人性导航和丰富信息的3大基础功能，能够满足人们日常在大型公共建筑中的基本需求。该系统主要优势包括：1）通过识别室内建筑部署的二维码实现定位，定位精度接近100%；2）基于A*算法和录制好的离线语音包实现室内导航；3）部署二维码灵活、方便，无需安装额外硬件来实现定位和导航，成本低；4）由于算法上不冲突，通过将二维码定位技术与现有室内定位技术如WiFi等相结合，达到优劣互补的效果。综上所述，该系统具有很大的实用价值。

1 基于室内定位需求的用户调研分析

为了解各阶层有代表性的用户对室内定位服务的需求，此文选择在网上发布问卷调查。由于态度8调查网是中国第一家自助网络调查互动平台，提供专业的在线调查系统和权威的调查报告，因此选择在该网站发布调研。在历时一个月的调研中，共收回4 937份有效问卷。

通过调研发现，对于室内定位服务有非常大的市场需求，并且大部分用户可以接受扫描二维码的方式来获取定位。用户最需要的功能正好是二维码定位技术的优势所在[8-9]，而用户需求不大的功能正好是二维码定位技术的缺点[10-11]。因此，在设计系统时应充分考虑用户的各项需求，实现服务用户、便利生活的宗旨。

2 室内平面图信息处理设计

2.1 室内平面图信息处理方式

室内平面图里蕴含和处理信息的方式有很多种类，该系统采用的室内平面图[12-13]主要遵循以下几个原则。

1）信息根据重要程度而设置相应的处理方式；

2）信息处理的目的是让信息更加直观明了，灵活地对信息进行使用颜色处理；

3）尽量让系统界面保持简洁，详细信息可以通过超链接跳转；

4）尽量让用户操作简单方便。

2.2 室内平面图信息分层处理技术

在室内平面图显示的过程中，当平面图缩小时，屏幕呈现的范围会放大，此时可以隐藏次要信息，显示主要图像信息。反之，当室内平面图放大时，屏幕呈现的范围会缩小，此时将相对次要的信息也显示出来，更加反映室内平面图的细节。

基于上述特征，该系统将室内平面图的信息按照重要程度分成了2个数据层次，即对所需显示的室内平面图按照图层的重要程度设置显示参数，根据阈值控制是否显示该图层。划分的地图数据层次依次记为L1和L2，其中L1的图层信息表示用户最想了解的信息，如厕所、出入口、电梯等位置信息；L2表示从基本信息扩展的详细信息，如商家促销信息、医院医生的值班时间等。

3 二维码部署方案设计

3.1 二维码特性

确定二维码部署位置前，需了解其特性[14-15]。

1）建设投入少。二维码部署经济，不需要购置专用软硬件环境及设备；

2）不易受干扰。二维码不依赖于无线电信号强度信息，不易受人活动和等社会动力学因素变化干扰；

3）方便快捷。二维码标签可采用普通打印纸，既可自行打印张贴于室内地面和墙上，也可通过屏幕设备进行显示；

4）灵活性强。在实际使用过程中，可根据使用反馈情况增减导向标签。根据系统使用统计，对于很少或者没有被读者扫描的标签，可将其从系统中删除。通过与读者沟通，在适当的场所位置增加导视标签。

3.2 二维码部署方案

经过用户调研反馈的结果，发现大部分用户对实时定位的需求不大。因此，可以通过二维码技术，在每一个重要的物理标识或其他关键位置点附上二维码。用户在查看物理标识系统时，通过手机扫描二维码，便能访问室内平面图导向标识系统。

二维码的部署不仅仅限于粘贴在墙上、柱子、地板、悬挂在过道或者展板上，形式非常多样。对用户而言，使用方便与否是评价系统好与坏最重要的标准。因此，二维码要贴在显而易见的地方。

综上所述，二维码的部署方案如表1所示。

表1 二维码部署方案

4 系统设计与实现

4.1 室内平面图设计

此文选择Autodesk公司计算机辅助设计产品AutoCAD作为室内平面图的设计。经过PhotoShop和3DMax美化后，能够清晰直观地展现室内建筑，满足用户的审美需求，如图1所示。

在制作室内平面图之前，需要充分考虑室内平面图信息处理设计遵循的基本原则，以及图层信息分层处理技术，详见章节2。由于AutoCAD输出的是位图，为了便于后续处理，需通过PhotoShop将背景图层变为白色，然后使用3DMax进行渲染，最后输出用于室内定位导航的室内平面图。

4.2 二维码部署设计

考虑到二维码部署的方案设计，应将其粘贴在显而易见的位置，详见章节3。部署完毕后，标记各个二维码在室内平面图中对应的地理位置。进一步的统计后，制作相应表并存储到sqlite轻量级数据库，实现用户本地查询位置信息。

图1 室内平面图

4.3 系统整体架构设计

此文采用二维码生成器生成特定编码规则的二维码图片，然后通过二维码识别软件对携带定位信息的二维码图片进行解码并获取超链接，接着利用此超链接访问后台搭建的Web服务器，访问文件服务器并返回与二维码对应的室内平面图，最后在室内平面图的基础上进行二次开发，实现基于A*算法的离线语音导航功能。该系统具体架构设计如图2、图3所示。

图2 系统整体架构设计

图3 系统后台架构设计

4.4 系统实现

此文基于当今流行的Android操作系统，采用Java语言，开发出一套基于二维码和A*算法的室内精准定位导航系统。该系统的操作主界面如图4所示，具体操作流程如下。

1）进入二维码扫描界面，此时将摄像头对准室内部署的二维码即可；

2）当成功识别二维码图片后，跳转下一个界面，屏幕中间弹出相应的室内平面图；

3）用户可在搜索栏输入想要寻找的服务场所，如卫生间、打印店等，室内平面图里高亮显示对应场所；

4）当用户点击这些场所时，系统开始提供离线语音导航服务。

图4 系统主界面

5 结 论

对于用户来说，室内定位系统能节省时间和精力，还能及时了解各场所最新资讯，拥有更佳的室内体验。此文基于用户调研情况，“以精确定位为基础功能，导航为辅助功能，其他扩展信息为附加功能”的设计理念，提出了基于手机二维码和A*算法的室内精准定位导航系统。在满足用户对定位和导航的基本需求前提下，提供用户对附加功能的扩展需求，可广泛应用于大型超市、公共场所、大型商场、医院、停车场、图书馆等室内建筑，具有良好的实用价值。

在人力资源不足的情况下，部分功能未能完全实现，以下几点需要进一步完善。

1）增加离线保存地图的功能，让用户在离线情况下也能实现精确定位。

2）提供资讯平台，让物业管理人员实时发布室内场所的最新消息。

3）对外提供接口，让合作方实时更新室内平面图信息。

[1]周傲英，杨彬，金澈清，等.基于位置的服务:架构与进展[J].计算机学报，2011，34（7）:1155-1171.

[2]Want R，HoPPer A，Faleao V.The active badge location system[J].ACM Transactions on Information System，1992，10（1）:91-100.

[3]Shih ST，Hsieh K，Chen PY.An improvement approach ofindoor location sensing using active RFID[C]//Proceedings of the 1st Intemational Conference on Innovative Computing，Information and Control，IEEE，2006:453-459.

[4]Chen YC，Chiang JR，ChuH，et al.Sensor-Assisted Wi-Fi Indoor Location System for Adapting to Environmental Dynamics[C]//ACM international symposium on modeling，analysis and simulation of wireless and mobile systems，2005: 118-125.

[5]Ibrahim A，Ibrahim D.Real-time GPS based outdoor WiFi localization system with map display[J].Advances in Engineering Software，2010，41（9）:1080-1086.

[6]Fei Xu.QR Codes and library bibliographic records[J].VINE，2014，44（3）:345-356.

[7]钱红昇，葛文锋，钟鸣，等.基于分层的改进A*算法在路径规划中的应用[J].计算机工程与应用，2014（7）:225-229.

[8]Yucheng Guo，Lei Cao.Study of location and navigation services in complex indoor scenes based on the Android mobile computing platform[J].Proceedings-11th International Symposium on Distributed Computing and Applications to Business，Engineering and Science，2012:91-93.

[9]胡天琨.基于Android的室内导航定位系统设计与实现[D].上海：东华大学，2013.

[10]陈文建，王晓蒙，彭玲，等.一种基于二维码的室内定位方法[J].测绘科学，2016（7）:1-8.

[11]任豪毅.基于二维码的智能手机室内定位方法[D].杭州：浙江大学，2013.

[12]史晓云.室内平面效果图制作方法探究[J].长江大学学报：自然版，2011，8（6）:95-98.

[13]武敏杰.AutoCA D平面制图的教学改革与探索[J].无线互联科技，2015（1）:236-236.

[14]宫雪.QR二维码个性化设计及其应用研究[D].北京：北京工业大学，2015.

[15]徐玲，蒋欣志，张杰，等.手机二维码识别系统的设计与实现[J].计算机应用，2012，32（5）:1474-1476.

The indoor precise location and navigation system based on two-dimensional code and A*algorithm

WU You-bao，XU Jian-min
（School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

With the rapid development of mobile Internet，the Location-Based Services（LBS）play a vital role in modern life. Due to unable to accept the GPS data in the indoor environment，the indoor location technology has been unable to meet demand.This paper put forward the indoor precise location technology based on two-dimensional code and the indoor voice navigation technology based on A*algorithm，after investigating all levels of representative smart phone users for a whole month.This paper designed interior plan through the AutoCAD，PhotoShop and 3DMax.And based on the Android mobile phone system which is popular all over the world，this paper designed and developed the indoor precise location and navigation system based on two-dimensional code and A*algorithm.The practical applications show that with three basic functions of precise location，user-friendly navigation and a wealth of information，this system can satisfy the basic requirements in the large public buildings in daily life.

two-dimensional code；A*algorithm；indoor location；indoor navigation；smart phone

TN929.53

A

1674－6236（2016）23-0023-03

2016-03-22稿件编号：201603298

国家自然科学基金资助项目（61174184）

吴友宝（1990—），男，广东梅州人，硕士研究生。研究方向：交通与计算机。