室内位置服务通用App设计研究

周 宁，秘金钟*，李得海，魏盛桃，吴文坛，徐 浩

(1.中国测绘科学研究院，北京 100830； 2.山东科技大学 测绘与空间信息学院，山东 青岛266590； 3.河北省自然资料档案馆，河北 石家庄 050031)

0 引言

随着社会生产力的发展，位置服务在人们日常生活中发挥着越来越重要的作用，而且人们室内活动不断增多，大众用户对于室内定位导航服务的需求也逐步增多，并且对室内位置服务的精度、实时性、连续性和可操作性等方面都有一定的要求。特别是对于商场、机场、体育中心等建筑结构复杂、面积较大的室内环境来说，室内定位与导航服务能够方便人们进行人找点、人找人、平台找人。室内定位与导航技术还可以用于应急救援、人群疏散等大型公共安全事件，面对突发事件，室内位置服务可以快速定位求助者位置，以便搜救人员快速准确地开展搜救行动，尽最大可能地减小人员伤亡。

目前，室内定位方法多种多样，从技术上主要分为3类：① AGPS(Assistant-GPS)技术，将GPS与通信基站联合使用；② 无线技术，借助各种各样的无线信号进行定位；③ 其他定位技术，如地磁定位、视觉定位等[1]。具体的室内定位技术包括红外线定位、超声波定位、蜂窝网络定位、蓝牙(Bluetooth)定位、无线频射标签(Radio Frequency Identification，RFID)定位、超宽带(Ultra-Wide-Band，UWB)无线定位、ZigBee定位、伪卫星定位、可见光定位、计算机视觉定位和惯性导航定位等[2]。不同的定位方法各有特点，在室内定位结果精度、成本和设备覆盖率等方面各有优势。在实际应用过程中，通常采用多种定位手段融合的办法，在保证一定定位精度的前提下，降低成本，提高定位结果的稳定性，使得位置服务软件能够贴合用户需要[3]。融合的定位技术也是目前室内定位研究的热点，例如可将蓝牙定位技术、行人航迹推算(Pedestrian Dead Reckoning，PDR)方法与气压测高的方法结合[4]，实现室内三维定位。

针对当前室内位置服务的需求，以商场作为室内位置服务试点区域开发了室内位置服务App，利用移动终端智能手机中搭载的多种传感器作为数据来源，计算用户位置，为用户提供室内定位与导航服务，并且在试验区域进行了反复测试修正。测试表明，室内位置服务App具有良好的稳定性，定位精度约为2 m。

1 需求分析

综合商场、机场、体育场馆用户的室内位置应用共性需求，参考室内位置服务终端其他设计[5]，本文室内位置服务App包括下列基本功能：地图服务功能、位置服务功能、导航服务功能、用户管理功能与信息交互功能。

地图服务功能包括地图浏览与位置检索两部分。App应实现用户对于所处室内场景地图的浏览，切换浏览视角，并对地图上不同属性的位置进行颜色区分显示。用户能够便捷地检索地图上的目标，检索结果能够高光显示在地图上，且地图能够随着用户位置的改变自动切换楼层，改变视角。

位置服务功能要实现用户实时的室内定位，首次定位响应时间不超过2 s，连续定位精度不低于2 m；用户能够在手机终端上对位置进行标记和收藏，对于收藏的位置能够方便地调用与导航。将位置服务功能与导航服务功能紧密结合起来，为用户提供连续稳定的室内位置服务。

在导航服务功能中，用户可以根据电子地图，显示自己所处的位置，输入目的地，进行路径分析，并将分析结果显示在地图上，对于跨楼层路线，能够对不同楼层的路线区分显示。对于分析的导航路线能够方便地进行方向指示与语音导航，导航过程中对于跨楼层路线能够随着用户的移动实现地图楼层的自动切换。

用户管理功能作为基础功能，需要能够在App中进行注册登录与注销，且终端应有记忆功能，能够实现用户多次便捷登录。用户可以通过终端采集自身的位置信息，注册的用户能够添加好友并实现好友之间的多媒体信息与位置信息共享，同时非注册用户也可以进行地图浏览、定位与导航。

信息交互功能需要实现用户与用户之间的信息交互，特别是位置信息的便捷分享；用户与云端之间也要实现信息交互，使得云端在面对紧急情况时，能够快速通知用户群体[6]；个体用户在遇到紧急情况时，能够联系平台客服，并能够发送与接收时间、位置、文字等信息。

2 系统设计

App的设计要考虑多方因素，技术实现、交互、用户体验、UI美观等方面都需要在设计中有所考量。在设计中，以技术因素和用户体验因素这2个方面的因素为主导进行设计。

技术因素主要考虑的是为实现用户需求功能所采用的硬件设施以及软件算法，在进行设计时，考虑所采用的定位方法是蓝牙定位与行人航迹推算相结合的方法，数据来源与数据处理就需要根据定位方法进行调整。

用户体验模块主要为使用App的用户考虑，设计的App需要易于上手，界面简洁明了，色彩舒适，才能够有可能与用户之间产生良好的交互，使用户能够顺利使用此位置服务程序，为此应用程序带来更多的用户群体。

2.1 室内定位方法设计

蓝牙技术作为一种小范围无线通信技术，能够实现近距离设备之间的高效通信，固定设备与移动设备之间的数据交换，蓝牙技术有着低成本、体积小、适用设备多、频段通用等优点。蓝牙4.0规范下的低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)能够在保证100 m通信范围的同时降低功耗，使得蓝牙的成本和功耗进一步降低，可以广泛地集成于智能设备终端，易于推广和使用[7]。例如，苹果公司发布的iBeacon系统能够适用于大多数的IOS系统智能终端与安卓4.3以上的智能终端，具有低能耗和高便利性的特点[8]，且定位精度可达2～3 m[9]。

随着手机技术的发展，智能手机上所搭载的传感器种类越来越多，从Android1.5开始，系统内置了对8种传感器的支持，包括加速度传感器、陀螺仪、磁力传感器、方向传感器、环境光照传感器、压力传感器、距离传感器以及温度传感器[10]。这些传感器的数据能够作为PDR的数据来源，为用户提供室内定位导航服务。由于传感器数据的广泛易得以及蓝牙设备的成本低廉，因此选择蓝牙校正PDR进行室内混合定位。

2.2 开发环境与语言设计

Android操作系统是以Linux为基础开发的一套开源操作系统，目前，Android系统主要应用于移动设备上，如智能手机等，这种操作系统广泛应用在智能手机中，适合作为室内位置服务App的开发平台，便于室内位置服务App的使用与推广[11]。

在App开发过程中，选用Java作为开发语言是由Java的特性决定的。Java语言相对于C/C++而言，弥补了C++中的缺陷，并且语法与C++相近，易于上手；其次，Java以类为基本组成单元，将数据封装进类中，使得Java简洁且易于维护；Java语言相对于其他使用指针直接对存储地址进行操作的语言来说，安全性更强；Java语言具有高性能的多线程处理能力，使得运行和问题处理十分迅速，适合于智能终端App的运行，能够为用户带来良好的使用体验[12]。综上，在Android平台上使用Java语言进行程序的开发，利于程序的编写和调试，也利于软件的推广与使用。

2.3 功能模块设计

室内位置服务App根据用户需求进行整体设计，实现场内普通用户、工作人员等的管理，具体包括用户存储、室内定位、检索查询、地图浏览、室内导航和辅助管理等任务，如表1所示，构建完善的室内位置服务框架，最终为用户提供良好的使用体验。

表1 室内位置服务App功能模块设计表Tab.1 Functional module design table of indoor location service App

3 功能模块实现与测试结果

根据调研与功能需求分析的结果，室内位置服务App根据实际功能实现划分了5个功能模块：用户管理模块、社交分享模块、地图操作模块、位置服务模块和导航服务模块。每个功能模块组成如图1所示。

3.1 App功能框架设计与测试结果

进入室内位置服务App后，主界面上可以进行定位、浏览与检索的基础操作。主界面如图2所示。滑动主界面地图可浏览地图；点击楼层按钮可切换楼层；点击放大缩小按钮可对地图进行放大和缩小操作；点击顶栏搜索按钮可搜索目标店铺；点击定位按钮可更新当前用户所处位置。

用户可通过主界面右上角进入扩展功能界面。扩展功能包括用户退出、用户注销、3D地图浏览等，如图3所示，由入口顶栏右侧进入。应用将详细功能隐藏在主界面左侧，点击顶栏左侧菜单栏入口可调出菜单栏。菜单栏中有位置收藏与查看、目标检索、定位导航、用户管理以及交互等详细功能的入口。

图1 室内位置服务App模块设计图Fig.1 Design diagram of the indoor location service App module

图2 室内位置服务App主界面Fig.2 Main interface of the indoor location service App

图3 室内位置服务菜单栏Fig.3 Menu bar of the indoor location service App

基础地图按钮可显示用户在地图中的位置，并进行浏览地图、查询地址、楼层切换浏览等操作。位置收藏入口可以收藏当前所处位置，也可根据收藏名称搜索已收藏位置。定位导航功能可设置起点与终点，分析生成导航路径，并对用户进行导航。用户管理可进行用户登录与注册操作，登录用户可在不同终端上同步联系人目录，方便用户使用。社交分享可管理通信录、与好友发送位置与文字信息，也可与云端管理员交互，进行求援、问询、云端方案接收等操作。

3.2 用户管理模块测试效果

通过菜单栏中的用户管理，可以进入用户管理界面，如图4所示。

图4 用户管理界面Fig.4 User management interface

已有账号用户可以在该界面登录账号，用户输入账号名称与设定密码后，点击注册账号即可注册得到账号。登录之后的账号在菜单栏顶端显示，账号其他信息可在社交分享功能中查看与修改。登录账号可以同步收藏地点与社交列表，使用户更为方便使用。

3.3 地图浏览与查询模块测试效果

进入主界面即可进行地图浏览，主界面默认展示地图为商场一楼地图，用户可以点击右侧楼层标识切换楼层进行浏览，如图5所示。可以通过两指拉伸或者缩小对地图进行放大或缩小查看。

(a) F2地图

主界面右上角提供了3D地图浏览入口，点击3D，进入3D地图界面。在3D地图界面中，可以设置起点终点进行路径分析、导航和查看途径等，使用方法同2D地图。旋转地图可以转变查看视角，右上角标注了当前查看的方向。点击右侧的楼层可以切换视角，如图6所示。

(a) F2地图

主界面顶栏右侧搜索标识提供了模糊搜索功能。点击搜索符号进入搜索界面，输入搜索店面的名字，软件会根据输入的内容进行联想。以搜索“牛肉拉面店”为例，在搜索框输入“拉面”，可以得到2条关于拉面的联想搜索结果，在获取到的结果中点击要搜寻的店，可获取该店面在地图上的具体位置，如图7所示。

(a) 模糊搜索

3.4 位置服务模块测试效果

主界面上设置了用户获取当前定位的入口，用户可通过点击主界面左侧的获取位置标识获取当前位置，在用户位置发生漂移的时候可以点击该标识更新当前位置。获取后的位置会标识在地图上。

位置收藏与查看界面入口在菜单栏中，点击菜单栏中“位置收藏”可进入位置操作具体界面，位置收藏界面可以收藏用户当前位置。自己设置收藏点的名称并点击定位图标，可收藏用户当前位置,如图8所示。在需要时，用户可直接调用已收藏的位置查看并进行导航，具有良好的可操作性，方法简单易于上手。

(a) 添加位置收藏

3.5 导航服务模块测试效果

在主界面即可设定终点进行路径规划与导航，起点位置默认为用户当前位置，路径分析结果与导航界面如图9所示。

图9 路径分析与导航Fig.9 Path analysis and navigation

在定位导航界面提供了设置起点终点、查看途径、分析路径、导航以及清除数据选项。用户可在该界面选定起点终点、点击分析、得到路径、点击清除，可以清除界面上选择的位置结果以及路径分析结果。

3.6 位置分享模块测试效果

点击菜单栏社交分享，进入社交分享界面。登录的用户可以添加其他用户为好友，好友之间可以在会话界面相互发送消息，点击右上角绿色的定位图标，即可把位置发送给好友，操作简单便捷，如图10所示。

(a) 通信录

3.7 云端服务与终端App交互模块测试效果

为提供更加全面的室内位置服务，App在设计过程中为终端与云端之间的交互建立了接口。用户在社交分享界面除了可以与通信录的好友进行位置分享和信息发送之外，也可直接与云端管理员之间发送消息，用户在面对突发情况时，可以联系云端管理员寻求帮助，云端管理员通过与用户的直接交互能够掌握突发情况的第一手资料，有利于管理员对突发情况的整体部署或是为个别用户提供帮助。在用户与云端的交互中，用户可以直接接收来自云端的位置信息、云端规划的路线信息，并可根据云端指示的路线进行导航。在需要大范围向用户播发信息时，云端可以直接对选定用户同步发送消息。云端与终端之间的信息交互如图11所示。

图11 App与云端服务交互效果Fig.11 Interactive effect between App and cloud service

4 结束语

针对复杂室内场景下用户的定位导航需求，开发了室内位置服务App。App采用了蓝牙定位与行人航迹推算相结合的方法确定用户室内位置，利用气压测高法确定所处楼层，实现了室内三维定位。App进一步分析用户需求，实现了室内位置服务通用需求分析与功能模块设计，完成了应用程序的开发与测试。室内位置服务App实现了用户在复杂室内场景下的室内定位导航、地图浏览与检索、位置分享、信息交互等服务。此外，为了支撑智慧化位置服务，App提供了云端与终端之间通信与交互功能。经过测试，室内定位与位置服务功能可靠，App运行稳定、使用便捷，满足了室内位置服务通用功能。