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基于手机的定位系统概要设计说明书 制作单位： 团队成员： 制作日期: 2011年05月10日目录 1 引言 . 3 1.1 编写目的 . 3 1.2 背景 . 3 1.3 定义 . 5 1.4 参考资料 . 5 2 总体设计 . 5 2.1 需求规定. 5 2.2 运行环境.82.3 系统体系结构 . 122.4 功能需求与程序的关系 . 143 接口设计 . 15 3.1 用户接口 . 153.2 外部接口 . 153.3 内部接口 . 164 运行设计 . 16 4.1 运行模块组合 . 164.2 运行控制 . 171. 引言 1.1 编写目的 本文档给出了“基于手机的定位导航系统”的设计说明，包括论文最终实现必须包含的功能、性能、接口和扩展应用的功能以及设计约束等。 目的在于： l 为论文写作人员提供依据； l 为修改、维护提供条件； l 方便项目负责人按计划书的要求布置和控制开发工作全过程； l 便于将按此计划书做阶段性和总结性的质量验证和确认。 本文档的预期读者包括： l 项目开发人员，特别是论文编写人员； l 论文审核人员和论文指导人员；l 期刊读者（论文如能发表）l 项目组负责人和全体参加人员。 1.2 背景 当前我们正处在一个信息化的时代，有关资料显示，截止2008年底，中国的手机用户已经超过6.4亿，其中80%的用户中存在手机定位服务的需求。1.2.1目前已有导航系统的不足而针对人们对手持移动终端上的导航地位需求，目前已有的导航系统已不能满足人们的需求，随着以人为中心的移动计算应用的快速发展，定位技术也要求改善。目前的定位导航系统主要有以下几个不足的方面：一、能源和定位准确性的权衡。虽然GPS目前已经达到比较准确的精度，但是其功耗较大，一般情况下连续使用会使手机的电池的使用时间少于8小时，如果用户再使用一些其他终端应用，续航时间将会更短，这显然是无法满足用户对手机续航能力的要求。目前有GPS与Wi-Fi /GSM相结合的方案，这将能提供更长的电池续航时间，但在精度方面却得不到足够的保证，还无法应用到实践中。二、室内定位技术的缺陷。目前的室内定位技术尚有缺陷，因为他们要么需要特殊的基础设施，要么依靠用户的连续移动来进行定位。前者一般采用安置在建筑物的Wi-Fi接入点，据此推断出它们的相对位置。但Wi-Fi设施目前价格较贵，难以推广。三、必须基于实际的物理位置。目前的定位方式，必须基于实际的物理位置方可进行定位导航工作。而本系统中所使用的方法，只需要知道用户与用户间的逻辑位置就可进行定位导航，而不是物理坐标（如全球定位系统）。用户在使用导航工具的时候，往往不关心自己所处/目标所处的纬度/经度，相反，他们渴望知道的是“路径”，包括目标的相对位置及方向。1.2.2用户对导航系统的要求对手机定位的要求主要集中在以下几个方面：一、要求覆盖率高。覆盖率一方面要求覆盖的范围足够大，另一方面也要求覆盖的范围包括建筑物内部等信号较为薄弱的地方。由于该功能主要是为用户在建筑物内部找到目标位置而设计，故从高层建筑和地下设施都必须保证网络信号覆盖到每个角落。手机定位根据覆盖率的范围，可以分为三种覆盖率的定位服务：在整个本地网、覆盖部分本地网和提供漫游网络服务类型。除了考虑覆盖率外，网络结构和动态变化的环境因素也可能使一个电信运营商无法保证在本地网络或漫游网络中的服务。二、定位精度。手机定位应该根据用户服务需求的不同提供不同的精度服务，并可以提供给用户选择精度的权利。例如美国FCC推出的定位精度在50米以内的概率为67%，定位精度在150米以内的概率为95%。由于本项目设定环境是建筑物内部导航目标人或物，定位精度要求较高，理想情况下，争取将横向误差控制在5米以内。如果是在3D的环境中，纵向误差必须控制在2到3米。定位精度一方面与采用的定位技术有关，另外还要取决于提供业务的外部环境，包括无线电传播环境、基站的密度和地理位置、以及定位所用设备等。1.2.3可行性分析基于目前国内手机定位市场存在的平静和手机定位的特点,该项目就显得特别有意义。就市场而言，需求明显日益加大，一个性能更加优异的手机上定位系统显然会受到人们的青睐。就技术而言，该项目是完全可行的，随着智能手机的普及，目前大多数用户所持手机都拥有加速度感应器、指南针、陀螺仪等功能，可以记录并分析移动速度与方向，并由此计算出路径；而其支持的GPRS, Wi-Fi及3G等无线网络通讯功能则可用来进行服务器与终端的通信。1.3 定义 终端：用户手持设备，如智能手机等有加速度感应器、指南针、陀螺仪等功能的终端设备Beacon：可以发声、安装在建筑物内部的设备，用于进行路径校正。本项目中也将与Beacon接触过的终端在一定时间内当做Beacon来使用。相对路径：指两个或多个用户之间的相对路径1.4 参考资料 l Did You See Bob?:Human Localization using Mobile Phones，Ionut Constandache，Xuan Bao，Martin Azizyan，Romit Roy Choudhury，2010年6月 l 基于手机的定位导航系统项目申请书，项目全体成员，2011年4月 2 总体设计2.1 需求规定1.2.2.1.2.1.1 软件功能说明总体目标开发一个快速，准确，高效而安全的手机定位系统，可以用来进行实时定位、用户检索、找人、目标定位等基本功能，以及娱乐等扩展功能。功能目标主要功能如图 1所示：图 1系统主要功能图主要功能简要说明： 基本定位：用于实现终端基本定位功能，用户可以通过使用该功能导航到目标用户或者目标事物。3D建模：当用户足够多、走过的路径足够多的时候，系统可以利用用户走出的路径构建出建筑物或其他环境的3D立体模型，能够更加准确的定位及提供扩展功能。随着大屏幕触屏智能手机越来越多，此功能可以在这类手机上得到很好很炫的应用效果。事件发布：终端将带地标的信息发布在网上，与其他用户共享信息，比如进行课程推荐、照片分享等活动，增加人与人之间的沟通。由于所有的事件发布、照片分享都是带有地标，可以使得其他用户可以通过定位功能导航到此地，具有实时共享性。对于在校学生来说，我们可以进行课程或讲座推荐等，让其他同学能够及时的来参加高质量的课程或讲座等。求助：当处于需要帮助的终端用户一时找不到人可以帮助自己时，可以在网上发布求助信息（带有地标），服务器会广播该求助信息至该用户周围一定距离内的其他终端用户中（可以视周围用户密度智能选择广播用户半径），其他用户接到求助信息后可以前去进行帮助，实现人人互助的功能，构建和谐社会。人流监控：每一个终端用户的位移信息都会实时的在服务器端得到计算与分析，从而得到该建筑物中人流的信息，这有助于优化算法的实现。同时该功能也可用于其他用户进行事务裁决，如食堂此时的拥挤程度、某自习室的拥挤程度等，可以让用户更好的进行事务的裁决，做出最合理的选择，能更好地利用时间。此外，还可以进行事故监测，比如检测到加速度异常，则可能是发生了意外事件，如斗殴、从楼梯上跌落等等，故可以向周围人或管理员发布警告，以提供帮助。娱乐功能：可以利用该定位系统扩展一些基于这种定位方式的游戏娱乐功能，例如：夺宝奇兵，抢地盘等等。这些功能可以为本项目吸引更多的用户群，使得我们的系统绘制出来的3D模型更加准确，可以开发出更多不同的建筑物，同时，也可缓解都市压力，增加生活情趣。远距离导航：通过该系统与GPS配合的方式来实现远距离精确定位及导航功能。当距离较远时，可以采用GPS导航的技术，距离较近后，再采用本系统进行定位导航，既克服了GPS精度不够的问题，又满足了在远距离导航上本系统的缺陷。同时需要设计专用的基于蓝牙的控制协议并编程实现，完成操作指令的传输与交互。该软件具有以下三个特点：该项目大的创新点就是利用了相对位移来确定进行导航服务，不同于以往必须要确定绝对位置才能进行导航服务的思想，我们通过终端与网络、终端与beacon以及终端与终端之间的通信来绘制地图或得到路径，并通过各种优化算法来缩小定位的误差，增加路径的精确性，该应用能够在一个高楼林立的环境中，或一个大厦建筑物中，发挥最大的优势。本项目相对GPS定位有着精确度和功耗方面的优势，相比其他设施，该项目需求的设施更便宜。2.1.2 对功能的一般性规定1. 界面格式统一2. 统一的错误声音提示3. 用户使用文档2.1.3 对性能的一般性规定1.2.2.1.2.1.1.2.1.2.2.1.3.2.1.3.1. 精度各部分时间精确至秒钟2.1.3.2. 时间特性要求l 手机端：连接服务等待时间30s，手机端与电脑端的连接建立耗时在2s以内。l 服务器端：服务器端与手机端连接建立耗时在2s以内，接受手机端的请求指令并响应耗时在s之内。2.1.3.3. 灵活性无特殊要求。2.1.4 输入输出要求无特殊要求2.1.4.1.2.2.1.2.1.1.2.1.2.2.1.3.2.1.4.2.1.5 数据管理能力要求（针对软件系统）l 服务器端：可以处理500台设备的服务请求， l 手机端：无。2.1.6 故障处理要求1.2.2.1.2.1.1.2.1.2.2.1.3.2.1.4.2.1.5.2.1.6.2.1.5.2.1.6.2.1.6.1. 硬件故障l 服务器端硬件故障：一般性的计算机硬件故障，不能启动、硬件损坏，最好有备用机器。l 通讯故障：手机端与PC端无法通讯，导致连接失败，应检查服务器端的设置和手机端的网络访问设置，保证通讯畅通。l 手机端硬件故障：手机无法启动，导致软件无法运行，应有备件或备机替代。2.1.6.2. 软件故障l 手机端应用程序故障：重启检查手机端软件；l 服务器端软件故障：检查软件运行环境。2.1.7 其他专门要求提供用户操作的帮助功能。2.2 运行环境2.2.2.2.1 设备1.2.2.1.2.2.2.2.1.2.2.2.2.1.2.2.1.1. 设备 服务器端 CPU：P4 2.0GHz 内存：1G以上 硬盘：80GB以上 手机端 CPU：500MHz 内存：10MB以上 CLDC：1.0及以上版本 MIDP：2.0及以上版本2.2.1.2. 支撑软件 操作系统：Windows XP及以上操作系统 开发工具：Eclipse+ Android SDK 手机模拟器：DefaultPhone，CLDC1.0和MIDP2.02.2.2 基本概念设计与处理流程 用例名称：Localize Target 参与者：用户 主要事件流： 1. 用户手工输入目标的固定属性，发出查找请求2. 服务器端根据用户输入信息定位目标3. 返回目标位置异常事件流： 1. 网络异常（包括无法连接服务器等）2. 记录到日志中3. 尝试重新连接异常事件流： 1. 用户输入信息不完善2. 返回帮助信息用例名称：Release Events 参与者：用户 主要事件流：1. 用户选择输入事件的基本属性与描述2. 发送到服务器端，在服务器端记录。3. 返回操作结果4. 若操作成功，时间发布者课查询到相关事件。 异常事件流：1. 用户输入无效数据 2. 软件显示可视化警告，并要求用户重新输入异常事件流：1. 网络异常（包括无法连接服务器等） 2. 记录到日志中3. 尝试重新连接用例名称：Entertainment参与者：用户主要事件流：1. 用户发出娱乐功能请求2. 服务器端返回可选列表4. 用户选择相应娱乐，进入娱乐功能。异常事件流：1. 网络异常（包括无法连接服务器等）2. 记录到日志中3. 尝试重新连接用例名称：Ask For Help参与者：用户主要事件流：1. 用户手工输入帮助目标的固定属性，发出帮助请求2. 记录用户帮助请求并发布。异常事件流： 1. 用户输入信息不完善2. 返回输入信息帮助异常事件流：1. 网络异常（包括无法连接服务器等） 2. 记录到日志中3. 尝试重新连接用例名称：Navigate to Target参与者：用户主要事件流：1. 用户手工输入目标的固定属性，发出查找请求2. 服务器端根据用户输入信息定位目标3. 返回目标位置4. 服务器端处理两个节点间的可通路径5. 返回导航路径。异常事件流：1. 用户输入信息不完善2. 返回输入信息帮助异常事件流：1. 网络异常（包括无法连接服务器等） 2. 记录到日志中3. 尝试重新连接用例名称：Monitor Human Current参与者：用户 主要事件流：1. 用户输入查询地点的基本信息，发出查询请求2. 服务器端根据用户输入信息查询地点情况3. 返回地点人流状况。异常事件流：1. 用户输入信息不完善2. 返回输入信息帮助异常事件流：1. 网络异常（包括无法连接服务器等） 2. 记录到日志中3. 尝试重新连接2.3 系统体系结构2.3.1 系统总体系结构Server ClusterServerServerServerServerGPRS/3G NetworkMobile ClientMobile ClientMobile Client图 2总体系结构图系统总体系结构如图 2所示，由如下三个部分组成：a) 移动终端由系统最终用户使用，能记录用户行走路径及方向，并通过移动网络与服务器进行数据交换，将行走记录上传至服务器，并借助服务器，提供导航、事件发布等服务。详见下文2.3.2。b) 移动网络为GPRS/CDMA /EDGE/3G网络，为移动终端与后台服务器集群的数据交换介质。c) 后台服务器集群用于进行用户路线、导航、3D建模等数据量或计算量大的处理功能。详见下文。2.3.2 移动终端结构图 3移动终端结构图如所示，移动终端部分包括以下组件： PathEstimator(A.1)用于估计并记录终端移动方向及步数（并借此估计距离） PathVisualizer(A.2)用于以3D的方式显示路径或当前建筑物内部结构 NavigationManager(A.3)用于实现导航功能 PluginManager(A.4)提供插件管理功能，方便后期扩展 AskForHelpPlugin(A.5)用于实现求助功能的插件 GamePlugin(A.6)用于实现娱乐功能的插件 EventPublisher(A.7)用于事件发布 NotificationReceiver(A.8)用于接收各类通知 Communicator(A.9)实现移动终端与后台服务器的数据交换2.3.3 后台服务器结构图 4后台服务器结构图如所示，后台服务器部分包括以下组件： PathModeler(B.1)用于对收集得到的用户行走路径进行3D建模，并进行适当处理 PathManager(B.2)用于管理各用户路径 Navigator(B.3)计算两用户间的导航信息 PluginManager(B.4)提供插件管理功能，方便后期扩展 EventManager(B.5)管理发布的事件，并向特定用户群进行推送 TrafficMonitor(B.6)用于对各区域人流进行监控，并向用户发送信息 Communicator(B.7)实现后台服务器与移动终端的数据交换2.4 功能需求与程序的关系2.4.1 移动终端部分A.1A.2A.3A.4A.5A.6A.7A.8A.9基本定位3D建模事件发布求助人流监控娱乐功能*远距离导航2.4.2 后台服务器部分B.1B.2B.3B.4B.5B.6B.7基本定位3D建模事件发布求助人流监控娱乐功能远距离导航3.接口设计3.1 用户接口 1. 用户：提供所需资源的关键词系统：返回获取到的资源（时间、地点，发布者等）2. 用户：提供资源的最终地址 系统：返回获取到的资源 3. 用户：选择要修改的配置 系统：修改对应的配置，并返回修改是否成功 3.2 外