時光，馬維華，魏金文

(南京航空航天大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016)

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基于Android4.4和百度地圖的遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)設(shè)計※

時光，馬維華，魏金文

(南京航空航天大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016)

針對遠(yuǎn)程定位的應(yīng)用需求，設(shè)計了一套基于Android4.4和百度地圖的遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)。首先利用注冊機(jī)制，構(gòu)建一個由5個線程和3個消息隊列組成的支持多用戶同時使用的服務(wù)器系統(tǒng)，然后針對Android4.4版本特點，闡述了如何使用Looper機(jī)制進(jìn)行消息線程間傳遞，最后通過百度地圖API和定位終端的位置信息，實現(xiàn)多用戶的實時定位。實驗表明，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定。

Android4.4；Looper；消息隊列；定位終端；百度地圖；遠(yuǎn)程定位

引 言

隨著社會發(fā)展和科技進(jìn)步，人們在日常生活中對于遠(yuǎn)程定位的需求越來越強烈，尤其在登山、家庭監(jiān)護(hù)、寵物看管等應(yīng)用場合，遠(yuǎn)程定位扮演著十分重要的角色[1]。本文根據(jù)遠(yuǎn)程定位的應(yīng)用場景及需求特點，基于Android4.4版本[2]和百度地圖開放API[3]設(shè)計了一套可以同時支持多個定位與接收顯示終端的遠(yuǎn)程位置定位系統(tǒng)，用戶可以通過Android終端查看當(dāng)前綁定了相應(yīng)定位終端的具體位置，位置信息由定位終端發(fā)出。文中主要闡述了服務(wù)器端程序架構(gòu)的設(shè)計以及如何實現(xiàn)多用戶支持的具體細(xì)節(jié)，并且結(jié)合Android4.4版本的特點，通過深入解析Android內(nèi)核源碼，描述了Looper機(jī)制以及系統(tǒng)如何將消息在線程間進(jìn)行傳遞，最后，根據(jù)百度提供的API，詳細(xì)說明了如何通過從服務(wù)器接收的位置消息實現(xiàn)準(zhǔn)確的定位。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、定位精確度滿足要求。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1 服務(wù)器模塊設(shè)計

從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖可以看出，本系統(tǒng)使用一臺服務(wù)器同時服務(wù)若干用戶，所以服務(wù)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定運行起到至關(guān)重要的作用。

1.1 總體框架設(shè)計

為了讓消息可以有序的被處理，本系統(tǒng)的服務(wù)器程序采用消息隊列機(jī)制[4]。設(shè)置了3個消息隊列，分別是服務(wù)定位終端的定位消息隊列posMessageQueue、服務(wù)Android接收端的接收消息隊列recMessageQueue，以及進(jìn)行消息處理與調(diào)度的主消息隊列mainMessageQueue，同時在程序運行的時候開啟了5個線程，見表1。

表1 服務(wù)器系統(tǒng)線程列表

從表1中可以看到，pos_read和rec_read線程都是監(jiān)聽socket端口，如果有相關(guān)消息,則接收并發(fā)送到對應(yīng)的消息隊列中。本系統(tǒng)監(jiān)聽接收消息采用以下函數(shù)：socket_recv_from(const int sock_fd, char *buff, const int max_len, const int flags,struct sockaddr *pcliaddr, socklen_t *clilen)

其中，sockaddr表示socket地址和端口信息。

系統(tǒng)中接收到消息后將消息發(fā)送到消息隊列采用以下函數(shù)：

sndMessageQueue(int msgID, void *pData, unsigned long dwSize,long mtype)

其中,msgID表示消息隊列的ID號，如為主消息隊列，則直接用main_que_id定義一個int類型的數(shù)。

線程pos_write和rec_write監(jiān)聽消息隊列，并從消息隊列接收消息，系統(tǒng)的實現(xiàn)采用以下函數(shù)：

rcvMessageQueue(int msgID, void *pData, unsigned long dwSize, int isBlock)

其中參數(shù)與sndMessageQueue一致。

系統(tǒng)服務(wù)器程序的框架如圖2所示。CEO線程從主消息隊列中接收的消息經(jīng)過處理后發(fā)送到recMessageQueue和posMessageQueue，然后再將消息通過對應(yīng)線程和socket端口發(fā)送出去。系統(tǒng)采用這樣的設(shè)計方式，可以使得在有多個終端同時工作的時候，信息得到穩(wěn)定高效的處理。

圖2 服務(wù)器系統(tǒng)框架

1.2 系統(tǒng)終端注冊機(jī)制和主線程設(shè)計

系統(tǒng)需要同時滿足多個用戶的定位需求，每個用戶對應(yīng)一個定位終端和Android終端，這樣不同的定位終端發(fā)過來的消息需要找到對應(yīng)的Android終端來接收。從圖2可以看到，所有的消息都是通過3個消息隊列和5個線程來接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)的。當(dāng)不同的消息進(jìn)入同一個消息隊列中，系統(tǒng)需要知道消息是由哪個用戶發(fā)出的，這樣終端在開始發(fā)送和接收消息的時候首先需要進(jìn)行配對，也就是在服務(wù)器上面注冊用戶信息。

本系統(tǒng)定義了5種消息類型，如表2所列。

表2 服務(wù)器系統(tǒng)消息列表

其中注冊類消息用來完成終端注冊，心跳消息用來通知服務(wù)器終端是否還在工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)消息用來傳遞具體的位置信息數(shù)據(jù)。對于回復(fù)OK的消息，因為本系統(tǒng)采用的是UDP方式通信，是無連接的，非安全性通信，所以對于終端發(fā)送過來的消息，服務(wù)器需要發(fā)送一個確定接收的消息，這個消息本系統(tǒng)定義為回復(fù)OK的消息。如果消息傳遞錯誤，終端就會發(fā)送錯誤消息到服務(wù)器。

除了這5種消息，系統(tǒng)還定義了終端類型，如表3所列。

表3 終端類型列表

另外為了對消息進(jìn)行管理，定義了三個結(jié)構(gòu)體。

終端管理結(jié)構(gòu)體：

typedef struct _TrmMng{

int pos_fd; //定位終端所注冊的網(wǎng)絡(luò)套接字

int rec_fd; //Android節(jié)點所注冊的網(wǎng)絡(luò)套接字

char trm_num; //終端編號

}TrmMng;

終端端口地址結(jié)構(gòu)體：

typedef struct _AddrMng{

struct sockaddr_in cliaddr;//客戶端地址和端口相關(guān)信息

socklen_t clilen; //cliaddr的長度，sendto函數(shù)的參數(shù)

int index; //在當(dāng)前數(shù)組的位置

}AddrMng;

消息體結(jié)構(gòu)體：

typedef struct _MsgBuf{

long mtype; //消息類型

char mtext[MAX_MSGSIZE];

} MsgBuf;

在結(jié)構(gòu)體的基礎(chǔ)上定義了TrmMng trm_mng[MAX_TRM_NUM]和AddrMng addr_mng[MAX_TRM_NUM * 2]這兩個數(shù)組來進(jìn)行統(tǒng)一的終端和客戶端地址的管理。

在系統(tǒng)開始的時候，無論是定位終端還是Android終端，向服務(wù)器發(fā)送的消息都有兩部分：一部分是包含IP地址和端口號，由服務(wù)器自動保存；另外一部分是終端號類型。注冊過程略——編者注。

系統(tǒng)中服務(wù)器端對接收到的各種消息的處理是在CEO線程中進(jìn)行的，它根據(jù)不同的消息類型進(jìn)行不同的處理，CEO線程也是唯一可以和3個消息隊列進(jìn)行信息交流的線程。它從主消息隊列中取消息，一般采用阻塞監(jiān)聽的方式，無消息時線程阻塞，有消息時線程喚醒，讀取消息、解析處理后發(fā)送到另外兩個消息隊列中，主線程的設(shè)計框架如圖3所示。

2 Android端設(shè)計

本系統(tǒng)位置顯示終端采用的是基于Android的移動終端或者中控節(jié)點，帶有位置信息的消息通過定位終端采集后，上傳到服務(wù)器，然后通過服務(wù)器配對，傳到指定的接收端。Android端在接收到消息后，先將消息通過線程間傳遞機(jī)制傳到Looper的MessageQueue，然后由百度地圖提供的API獲取后進(jìn)行定位。所以Android端設(shè)計分為兩個部分：消息傳遞模塊和百度地圖定位模塊。

2.1 消息傳遞模塊

對于Android端的位置消息主要通過socket方式從服務(wù)器獲取。本系統(tǒng)采用Android4.4版本作為其操作系統(tǒng)。由于在Android4.4版本中，主線程中是不能有網(wǎng)絡(luò)相關(guān)操作的，因此采用這種設(shè)計方式可以避免因為網(wǎng)絡(luò)操作造成的Activity線程等待，提高用戶體驗。而與此同時，主線程中與網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)的操作就要用另外一個線程去處理，處理完成后將處理結(jié)果傳遞給主線程，這個傳遞機(jī)制就是Android中使用很廣泛的Looper機(jī)制，采用這種方式也解決了Android中很經(jīng)典的非主線程不能更新UI的問題。因為在本系統(tǒng)中的socket操作屬于網(wǎng)絡(luò)操作，所以不能直接在地圖UI中啟動socket接收位置消息，需要另外啟動一個線程，專門用來接收位置消息和對消息進(jìn)行解析，然后通過Looper機(jī)制傳遞給地圖線程，用來更新當(dāng)前位置。

Looper機(jī)制和系統(tǒng)位置信息傳遞原理略——編者注。

2.2 百度地圖定位模塊

本系統(tǒng)采用的定位服務(wù)是基于百度地圖API移動版本的，它支持Android設(shè)備應(yīng)用程序接口，通過這些API可以構(gòu)建強交互性的應(yīng)用，同時還可以實現(xiàn)定位、本地搜索、路線規(guī)劃等數(shù)據(jù)服務(wù)[5]。

百度地圖應(yīng)用程序的開發(fā)可以通過設(shè)置布局文件權(quán)限、添加jar包以及顯示百度地圖的控件等幾個步驟實現(xiàn)。其中有一些比較重要的類和對象見表4。

表4 百度地圖類和對象列表

本系統(tǒng)百度地圖中的位置顯示分為3個部分，分別是初始化地圖initMap()、定位中心位置moveToPoint(cLat, cLon)，以及顯示當(dāng)前位置圖層showCurtainPoint(double cLat,double cLon)。

initMap()是在地圖線程開始執(zhí)行的，而在Looper消息隊列的處理函數(shù)handleMessage中放置了另外兩個函數(shù)moveToPoint(cLat, cLon)和showCurtainPoint(double cLat,double cLon)。這樣當(dāng)Looper對象調(diào)用loop()方法后，就可以循環(huán)執(zhí)行這兩個函數(shù)，從而達(dá)到對地圖的實時更新。具體流程略——編者注。

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)自定義通信協(xié)議(協(xié)議略)，在服務(wù)器端接收到從定位終端發(fā)送的位置信息處理后，發(fā)送到Android終端，再對通信協(xié)議進(jìn)行解析，調(diào)用百度地圖服務(wù)進(jìn)行處理，將其顯示在Android終端，可以實現(xiàn)實時獲取與顯示地理位置的功能。在Android端的顯示效果略——編者注。

結(jié) 語

隨著目前智能硬件的發(fā)展熱潮和我國自主研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)的普及，遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)給人們?nèi)粘Ｉ顜砹撕芏啾憷?。本文采用的多線程和消息隊列的方式，不僅可以為多個用戶提供同時通信服務(wù)，而且還可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域。在Android4.4版本中實現(xiàn)位置信息線程間傳遞和百度地圖的應(yīng)用，對于其他的位置消息傳遞應(yīng)用也有很好的借鑒作用，可以在百度地圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展。

[1] 曹秀海, 周傳運.具有遠(yuǎn)程定位功能的電纜故障監(jiān)測系統(tǒng)方案[J].建筑電氣,2007,26(4): 29-32.

[2] 鐘文昌. Android4.4新功能解密[J].程序員,2014 (1): 105-107.

[3] 杜傳明.百度地圖API在小型地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息,2011, 34(2): 152-153.

[4] 劉大瑋,劉瑞虹.基于WSE和消息隊列的異步Web服務(wù)研究及實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程, 2007, 33(8): 127-129.

[5] 百度. 百度地圖API開發(fā)指南[EB/OL].[2014-06]. http://wenku.baidu.com/link?url=EyOICRzoKgbhtsAZLoZAp9JVG8afgiJ2P9CZZ7ZP_5-shK4mnCCg MViXFbRfKBHRBDBoLKVC7_LiwqhHGfb1zpbLQeb6EZzSWp7q Q6xj2Li.

時光、魏金文(碩士研究生)，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)；馬維華(教授)，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)與自動化控制。

Design of Remote Positioning System Based on Android4.4 and Baidu Maps※

Shi Guang, Ma Weihua,Wei Jinwen

(College of Computer Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)

Aiming at the application requirement of the remote positioning,a remote positioning system is designed,which is based on Android4.4 and Baidu maps.Firstly,the system based the registration mechanism designs a server program, having 5 theads and 3 messagequeues,which can support multiple users at the same time.Secondly,according to the characteristics of Android4.4 version,the paper describes how to transmit messages using Looper.Finally,the system realizes real-time positioning for multiple users through using API of Baidu maps and location information from positioning terminal.Test results show that the system has a reasonable structure and stable performance.

Android4.4; Looper; messagequeue; positioning terminal; Baidu maps; remote positioning

TP36

A

士然

2014-06-30)