基于藍(lán)牙4.0的室內(nèi)定位及信息服務(wù)應(yīng)用模型研究

方詩虹，陳 浩

(西南民族大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041)

基于藍(lán)牙4.0的室內(nèi)定位及信息服務(wù)應(yīng)用模型研究

方詩虹，陳 浩

(西南民族大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041)

分析了目前基于藍(lán)牙4.0的室內(nèi)定位技術(shù)，提出了通用的室內(nèi)定位應(yīng)用模型.該通用模型中包含多個模塊，數(shù)據(jù)管理、服務(wù)管理、應(yīng)用管理等內(nèi)容可以基于室內(nèi)定位實現(xiàn)，而室內(nèi)定位依賴于藍(lán)牙4.0來提高準(zhǔn)確性和可連接性.針對利用該模型進(jìn)行信息服務(wù)進(jìn)行了分析研究，提出了利用藍(lán)牙4.0來實現(xiàn)室內(nèi)定位及信息服務(wù)的一種方法.

藍(lán)牙4.0;室內(nèi)定位;信息服務(wù);通用模型

2010年7月，藍(lán)牙4.0技術(shù)問世，此后在各硬件行業(yè)廣泛應(yīng)用，例如藍(lán)牙耳機(jī)、鼠標(biāo)、鍵盤、電器設(shè)備等.其低功耗、高速度等優(yōu)點，使其廣受青睞.2011年諾基亞公司首次將藍(lán)牙4.0技術(shù)用于三角定位技術(shù)，實現(xiàn)室內(nèi)定位，并初步實現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航功能.

2014年蘋果公司推出了基于藍(lán)牙4.0的iBeacon技術(shù)以及基于iBeacon技術(shù)的基站發(fā)射設(shè)備，諾基亞公司也推出了自己基于藍(lán)牙4.0技術(shù)的室內(nèi)定位產(chǎn)品，基本實現(xiàn)了室內(nèi)定位及物品跟蹤等功能.但目前的研究成果仍然主要停留在基本的定位研究上，對于應(yīng)用室內(nèi)定位進(jìn)行信息服務(wù)的研究還相對空白.

目前，國內(nèi)基于藍(lán)牙4.0技術(shù)的室內(nèi)定位及信息服務(wù)研究上也處在起步階段，基于藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)品也僅限于文件傳輸，視頻傳輸、語音傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)，且并未體現(xiàn)出藍(lán)牙4.0技術(shù)所帶來的超高速啟動、超低功耗等優(yōu)勢.

1 室內(nèi)定位技術(shù)

1.1 主流室內(nèi)定位技術(shù)

目前主流的室內(nèi)定位技術(shù)主要分為三種，其應(yīng)用的主要技術(shù)和特點如下:

①基于WI-FI的室內(nèi)定位技術(shù).這種室內(nèi)定位技術(shù)主要通過計算多WI-FI接入點的信號強(qiáng)度來實現(xiàn)定位.但是WI-FI信號易受周圍環(huán)境信號干擾，成本也是其信號強(qiáng)度的重要影響因素，加之連接速度等外在因素，該方法無法達(dá)到比較理想的定位效果，也未得到廣泛的應(yīng)用和推廣，在短時間內(nèi)，WI-FI的一些技術(shù)障礙也無法得到更好的解決.

②基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù).這是目前主流的室內(nèi)定位技術(shù)，通過設(shè)置多RFID的天線來對RFID標(biāo)簽進(jìn)行大致的定位.該由于要求需要被定位的目標(biāo)本身帶有RFID標(biāo)簽，而很多終端并不攜帶這種標(biāo)簽，所以該技術(shù)只能用于一些特定場合，而并不適合用于通用的室內(nèi)定位.

③基于藍(lán)牙4.0的室內(nèi)定位技術(shù).藍(lán)牙4.0具有低功耗、短距離傳輸距離增長至50-100M、連接速度更快(連接速度低至3ms)、傳輸速率更高、信號傳輸穩(wěn)定安全無干擾等特點，這些特點都是室內(nèi)定位所必備的技術(shù)需要，且現(xiàn)在的移動終端通常都帶有藍(lán)牙模塊，所以從可行性分析可見，藍(lán)牙4.0技術(shù)非常適合用于進(jìn)行室內(nèi)定位.

綜上所述，采用藍(lán)牙4.0技術(shù)實現(xiàn)室內(nèi)定位及信息服務(wù)擴(kuò)展應(yīng)用符合目前短距離無線通訊發(fā)展的主流趨勢，對該技術(shù)的研究具有較好的實際應(yīng)用價值.

1.2 基于藍(lán)牙4.0技術(shù)實現(xiàn)室內(nèi)定位原理

在藍(lán)牙4.0技術(shù)中，接收信號強(qiáng)度指示器(RSSI)可通過接收到的信號強(qiáng)弱測定信號點與接收點的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計算，其數(shù)值通常用于使發(fā)射功率最小化，以接收到滿意的信噪比的信號.其中發(fā)射機(jī)(發(fā)射功率PTX)和接收機(jī)(終端設(shè)備，例如手機(jī))之間距離能通過使用RSSI測量裝置和一個無線電傳波播模型計算得出.

該方法對于室內(nèi)定位系統(tǒng)非常適用.而到達(dá)角度(AOA)法、到達(dá)時間(TOA)法等其他室內(nèi)無線定位技術(shù)，由于其成本或系統(tǒng)的普遍性原因，在室內(nèi)定位方面都不適用.

這里使用的無線電波傳播模型，其公式如下:

公式中:PRX是接收功率(dBm);PTX是發(fā)射功率(dB);GRX和GTX是天線增益(dBi);c是光速(3.0x108m/s);f是中心頻率(2.44GHz);n是衰減因素(在自由空間為2);d是發(fā)射器和接收器之間的距離(m).

藍(lán)牙4.0系統(tǒng)中使用RSSI直接測量接收功率，由一個內(nèi)置微處理器將數(shù)據(jù)報告數(shù)字指示器.使用該裝置，RSSI和接收功率之間的關(guān)系曲線如圖1.

圖1 RSSI與接收功率PRX關(guān)系曲線Fig.1 Relationship Curve of RSSI and PRX

由圖可得，RSSI和接收功率PRX關(guān)系如下:

由公式(3)計算出的PRX，可用于計算發(fā)射器和接收機(jī)之間的距離d:

其中:總天線增益G=GTX+GRX.

通過以上方法可獲取接收機(jī)距離發(fā)射機(jī)之間的距離信息，然后通過三角定位算法及可精確獲知接收機(jī)的準(zhǔn)確位置.如下圖2:

1.3 基于藍(lán)牙4.0的信息服務(wù)應(yīng)用原理

基于藍(lán)牙4.0的室內(nèi)定位技術(shù)可進(jìn)行信息服務(wù)應(yīng)用的擴(kuò)展，滿足現(xiàn)實場景的需求.對于距離發(fā)射機(jī)有效距離范圍內(nèi)的接收機(jī)，接收機(jī)主動發(fā)起連接.通過設(shè)定接收機(jī)信息接收的不同權(quán)限，發(fā)射機(jī)可提供3種信息服務(wù)方式:

圖2 三角定位技術(shù)原理圖Fig.2 Schematic Diagram of Triangulation Technology

①推送方式:為接收機(jī)推送相關(guān)信息，由發(fā)射機(jī)向接收機(jī)主動發(fā)送信息.該方式可用于商場內(nèi)商戶廣告推送等服務(wù).

②主從交互方式:由接收機(jī)發(fā)起信息查詢請求，發(fā)射機(jī)收到請求后向后臺服務(wù)器發(fā)起請求，服務(wù)器收到請求后，將信息結(jié)果反饋給發(fā)射機(jī)，最后反饋給接收機(jī).該方式可用于室內(nèi)根據(jù)位置進(jìn)行的信息查詢等服務(wù).

③接收機(jī)之間交互方式:與接收機(jī)之間建立連接，獲取相互之間包括位置信息等參數(shù)，實現(xiàn)接收機(jī)之間的信息交互.該方式可用于室內(nèi)導(dǎo)航等服務(wù).

2 通用室內(nèi)定位與信息服務(wù)模型

2.1 室內(nèi)定位應(yīng)用場景

室內(nèi)定位應(yīng)用主要分為同建筑物室內(nèi)目標(biāo)定位和不同建筑物室內(nèi)目標(biāo)定位.

①同建筑物內(nèi)目標(biāo)定位，主要包括查找固定位置目標(biāo)并導(dǎo)航、查找活動目標(biāo)位置并導(dǎo)航、固定位置目標(biāo)定位認(rèn)證、活動位置目標(biāo)定位認(rèn)證等.

②不同建筑物室內(nèi)目標(biāo)定位，主要包括查找指定建筑物內(nèi)的固定目標(biāo)位置并導(dǎo)航、查找指定建筑物內(nèi)的活動目標(biāo)位置并導(dǎo)航等.

2.2 信息服務(wù)應(yīng)用構(gòu)成

信息服務(wù)應(yīng)用主要由運營服務(wù)平臺、發(fā)射接收平臺、終端應(yīng)用平臺三大平臺組成.

①運營服務(wù)平臺主要提供基礎(chǔ)信息管理，設(shè)備信息管理，樓宇信息管理，商戶信息管理，用戶信息管理，信息服務(wù)管理，增值服務(wù)管理，門戶網(wǎng)站，數(shù)據(jù)分析等功能

②發(fā)射接收平臺主要提供設(shè)備間的信息傳輸服務(wù)，設(shè)備與終端間的信息傳輸服務(wù)，設(shè)備與服務(wù)器間的信息傳輸服務(wù)等功能.

③終端應(yīng)用平臺主要提供搜索目標(biāo)物，信息服務(wù)等功能.

2.3 應(yīng)用模型

通過對基于藍(lán)牙4.0的室內(nèi)定位及信息服務(wù)技術(shù)的分析研究，可在各個層次上定義出相應(yīng)的獨立模塊，并構(gòu)建起通用模型的框架，見圖3.

3 結(jié)論

本文構(gòu)建起基于藍(lán)牙4.0的室內(nèi)定位與信息服務(wù)通用模型，并對模型各個層次及層次的模塊進(jìn)行了定義.在本通用模型的基礎(chǔ)上，可以結(jié)合具體的實現(xiàn)技術(shù)來構(gòu)建起一個相對較為完整的定位與信息服務(wù)系統(tǒng)，滿足現(xiàn)實應(yīng)用的需求.

圖3 通用模型構(gòu)架圖Fig.3 Frame of General Model

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Application model research on indoor positioning and information service based on Bluetooth 4.0

FANG Shi-hong，CHEN Hao
(School of Computer Science and Technology，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，P.R.C.)

A general application model of indoor positioning technology based on Bluetooth 4.0 is presented in this paper.Several parts are defined in this model，which combines indoor positioning and information service.Services and managements such as data management，service management，application management，system exhibition，terminal exhibition and etc.can be realized based on the indoor positioning technology，which uses Bluetooth 4.0 to improve the accuracy and connectivity.Based on the research of this model，a method of indoor positioning and information service is proposed.

Bluetooth 4.0;indoor positioning;information service;general model

TP212.9;TN925

A

2095-4271(2015)06-0727-04

10.11920/xnmdzk.2015.06.013

2015-09-16

方詩虹(1980-)，女，漢族，四川成都人，講師，研究方向:計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，Email:suellenfsh@163.com

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(12NZYQN16);西南民族大學(xué)教育教學(xué)改革一般項目(2015YB03)

(責(zé)任編輯:張陽，付強(qiáng)，李建忠，羅敏;英文編輯:周序林)