基于LED照明和iBeacon的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的研究

饒怡欣

摘 要：為了滿足當(dāng)前大型建筑室內(nèi)定位導(dǎo)航和商業(yè)應(yīng)用的需求，在分析iBeacon室內(nèi)定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)智能設(shè)備的取電問(wèn)題提出了LED照明與iBeacon結(jié)合的基站實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)探討了基于iBeacon的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)組成與部署和系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)方案。通過(guò)運(yùn)行效果分析，該系統(tǒng)具有施工簡(jiǎn)便、定位精度高、信號(hào)干擾小等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：LED；iBeacon；室內(nèi)定位；室內(nèi)導(dǎo)航

中圖分類(lèi)號(hào)：TN966 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.049

隨著O2O業(yè)務(wù)以及LBS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)室內(nèi)定位與導(dǎo)航的需求日益增加，尤其是在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，比如大型商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、博物館等環(huán)境中，用戶常常需要獲取自己的位置及周邊信息。LBS系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣闊，在定位和導(dǎo)航應(yīng)用的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的商業(yè)場(chǎng)景訂制開(kāi)發(fā)近場(chǎng)景O2O互動(dòng)應(yīng)用，提高商業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化率。此外，為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，當(dāng)前對(duì)于大型商場(chǎng)、辦公樓宇等室內(nèi)照明系統(tǒng)工程，無(wú)論是新裝還是改造，均普遍使用了LED照明系統(tǒng)，我們創(chuàng)新地將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能照明系統(tǒng)結(jié)合，使智慧科技融入了能源利用的每個(gè)細(xì)節(jié)，解決了室內(nèi)照明問(wèn)題的同時(shí)，還解決了物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備的取電問(wèn)題。

因此，本文首先對(duì)當(dāng)前流行的iBeacon室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行了分析，然后提出了LED照明與iBeacon基站結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)探討了基于iBeacon的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，分別從系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)組成與部署、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)運(yùn)行效果4方面進(jìn)行了闡述。

1 iBeacon定位概述

1.1 iBeacon簡(jiǎn)介

iBeacon是蘋(píng)果公司于2013-09發(fā)布的一項(xiàng)用于室內(nèi)定位的技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)與其他室內(nèi)定位技術(shù)相比具有易部署、功耗低、成本低、定位精度高等優(yōu)勢(shì)，但是需要額外部署iBeacon基站和用戶打開(kāi)藍(lán)牙。iBeacon設(shè)備具有低功耗藍(lán)牙通信功能，以一定的周期向周?chē)l(fā)送自己特有的ID，接收到該ID的智能終端上的APP會(huì)根據(jù)抓取的UUID和RSSI信息向系統(tǒng)反饋，并通過(guò)后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的信息處理，為用戶提供各種位置感知、上下文感知服務(wù)等。

1.2 iBeacon定位原理

iBeacon室內(nèi)定位系統(tǒng)主要由iBeacon基站和移動(dòng)終端部分組成，基站與移動(dòng)終端之間采用藍(lán)牙4.0通信協(xié)議，在移動(dòng)終端上配套使用應(yīng)用軟件以實(shí)現(xiàn)用戶交互。

iBeacon基站的報(bào)文主要由以下4種資訊構(gòu)成：①UUID為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的128位標(biāo)識(shí)符，是每個(gè)iBeacon節(jié)點(diǎn)的通用唯一標(biāo)識(shí)符；②Major和Minor由iBeacon發(fā)布者自行設(shè)定，均為16位的標(biāo)識(shí)符；③Measured Power是iBeacon模塊與接收器之間相距1 m時(shí)的參考接收信號(hào)RSSI（Received Signal Strength Indicator）。

iBeacon室內(nèi)定位系統(tǒng)的工作原理：用戶隨身攜帶的移動(dòng)終端捕捉來(lái)自于布設(shè)在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的iBeacon基站周期性發(fā)送的包含UUID等特征值的報(bào)文信息，并過(guò)濾出信號(hào)最強(qiáng)的3個(gè)基站；移動(dòng)終端先解算抓取的UUID和RSSI信息并傳送至平臺(tái)系統(tǒng)，平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)精確定位算法確定出人員的精確位置后反饋到移動(dòng)終端上。

2 基于LED照明的iBeacon基站設(shè)計(jì)

當(dāng)前，對(duì)于大型商場(chǎng)、辦公樓宇等的室內(nèi)照明系統(tǒng)工程，無(wú)論是新裝的，還是改造項(xiàng)目，均普遍使用了LED照明系統(tǒng)。為了解決室內(nèi)照明和物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備取電的問(wèn)題，我們進(jìn)行了安裝方式的創(chuàng)新，將iBeacon基站模塊植入LED照明的電源中，將兩者集成一體，電源同時(shí)為L(zhǎng)ED燈珠和iBeacon模塊供電。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中也遇到了諸多難點(diǎn)和問(wèn)題，比如把LED燈珠和iBeacon的用同一套電源供電會(huì)帶來(lái)溫升過(guò)高、光效降低等問(wèn)題，燈具的結(jié)構(gòu)、材料、安裝都會(huì)對(duì)藍(lán)牙信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰減造成很大的影響。我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)上述問(wèn)題均使用了有針對(duì)性的解決方案，從而保證系統(tǒng)定位精度的要求。

3 基于iBeacon的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)M2M的應(yīng)用要求，利用iBeacon室內(nèi)定位技術(shù)，基于SOA軟件架構(gòu)，采用J2EE技術(shù)框架，支持多種設(shè)備的接入，通過(guò)SaaS模式對(duì)外提供服務(wù)。

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，本系統(tǒng)分層架構(gòu)設(shè)計(jì)包含設(shè)備接入層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層。設(shè)備接入層主要負(fù)責(zé)iBeacon基站與智能終端之間的設(shè)備感知和接入；數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，建立系統(tǒng)大數(shù)據(jù)中心和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口；應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)建立各種業(yè)務(wù)處理引擎，比如定位導(dǎo)航引擎、廣告推送引擎、用戶動(dòng)態(tài)分析引擎等；表現(xiàn)層主要負(fù)責(zé)提供與不同使用者交互的各種應(yīng)用，交互方式主要包括Web、APP和微信端應(yīng)用3種。

3.2 系統(tǒng)組成與部署

搭建基于iBeacon技術(shù)的LBS系統(tǒng)主要由一定數(shù)量的分布在室內(nèi)各個(gè)區(qū)域的iBeacon基站、用戶隨身攜帶的智能移動(dòng)終端、云服務(wù)器和監(jiān)控終端組成，如圖1所示。

本研究使用的iBeacon基站采用與iBeacon模塊集成一體設(shè)計(jì)的LED燈具，按照單個(gè)基站的信號(hào)覆蓋范圍、系統(tǒng)定位精度和建筑物的特點(diǎn)進(jìn)行基站安裝的部署設(shè)計(jì)。iBeacon基站預(yù)先綁定了設(shè)計(jì)好的地圖位置信息，以設(shè)定的頻率廣播iBeacon信號(hào)，以便于進(jìn)入覆蓋范圍內(nèi)的智能移動(dòng)終端接收。根據(jù)相關(guān)工程試驗(yàn)證明，基站部署間隔在15 m以內(nèi)能夠保證較好的定位精度。如果LED燈具的分布不符合精度要求，則應(yīng)補(bǔ)充部署使用蓄電池供電的iBeacon基站。智能移動(dòng)終端須具有藍(lán)牙4.0功能和安裝專(zhuān)有APP或微信，終端應(yīng)用接收到基站的信息并將該信息發(fā)送至云服務(wù)器，通過(guò)交互獲得基于位置的活動(dòng)通知、廣告信息、定位導(dǎo)航等服務(wù)。云服務(wù)器運(yùn)行室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)軟件，實(shí)時(shí)處理各種業(yè)務(wù)應(yīng)用，包括定位導(dǎo)航、廣告信息推送、找朋友、找車(chē)、商戶管理、廣告管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用。監(jiān)控終端包括PC、Pad和手機(jī)等終端設(shè)備，管理員使用監(jiān)控終端通過(guò)Web或APP方式登錄云服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)的各種應(yīng)用、數(shù)據(jù)、參數(shù)進(jìn)行管理。

3.3 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的功能按照普通用戶、商戶管理者和運(yùn)營(yíng)管理者三類(lèi)使用者的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，統(tǒng)一的云平臺(tái)系統(tǒng)為這三類(lèi)使用者提供各種服務(wù)及功能。

系統(tǒng)為普通用戶提供的功能主要是基于位置的服務(wù)功能，主要包含室內(nèi)地圖的智能定位導(dǎo)航、找朋友、找車(chē)、找優(yōu)惠、找Wi-Fi和根據(jù)用戶位置適時(shí)推送各種廣告信息等服務(wù)功能。用戶與系統(tǒng)的交互方式可采用專(zhuān)有APP或微信“搖一搖”周邊的公眾號(hào)應(yīng)用。

系統(tǒng)為商戶管理者提供的功能主要用于對(duì)商戶信息、活動(dòng)、宣傳等進(jìn)行管理，以及商場(chǎng)內(nèi)大型活動(dòng)或優(yōu)惠的通知，包含商戶信息、優(yōu)惠活動(dòng)信息、宣傳廣告、互動(dòng)信息管理等服務(wù)功能。商戶管理者與系統(tǒng)的交互方式可采用專(zhuān)有APP或Web網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用登錄。

系統(tǒng)為運(yùn)營(yíng)管理者提供的功能主要用于對(duì)商鋪發(fā)布的信息進(jìn)行審核和監(jiān)管，對(duì)運(yùn)營(yíng)規(guī)則進(jìn)行設(shè)置，對(duì)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以及iBeacon基站的管理和日常維護(hù)，包含地圖管理、設(shè)備管理、用戶管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、廣告管理和系統(tǒng)管理等服務(wù)功能。運(yùn)營(yíng)管理者與系統(tǒng)的交互方式可采用專(zhuān)有APP或Web網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用登錄。

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的定位導(dǎo)航功能和分析系統(tǒng)的運(yùn)行效果，我們將本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用在某一大型辦公樓宇中，在樓宇某一層中部署基于LED照明的iBeacon基站，手持移動(dòng)手機(jī)，使用微信“搖一搖”周邊的公眾號(hào)應(yīng)用，主要驗(yàn)證和分析了系統(tǒng)的找車(chē)功能。

打開(kāi)應(yīng)用的找車(chē)功能，系統(tǒng)會(huì)顯示當(dāng)前所處位置的地圖并根據(jù)記錄的車(chē)輛停放的位置自動(dòng)生成導(dǎo)航路徑，找車(chē)過(guò)程中實(shí)施跟蹤路徑，直到用戶按照路徑找到車(chē)輛。通過(guò)多次驗(yàn)證測(cè)試發(fā)現(xiàn)，定位的精度可達(dá)到3～5 m之內(nèi)，而在基站部署更密的地方定位精度可達(dá)1 m以內(nèi)，系統(tǒng)的其他各項(xiàng)功能均能正常使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于iBeacon的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)不僅具有施工簡(jiǎn)便、定位精度高、基站成本低和信號(hào)干擾小等優(yōu)勢(shì)，而且可以根據(jù)更多的商業(yè)需求實(shí)現(xiàn)豐富的拓展功能。本文創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了LED照明與iBeacon基站結(jié)合的解決方案，在完成室內(nèi)照明建設(shè)的同時(shí)，解決了設(shè)備的取電問(wèn)題，并通過(guò)搭建的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了智能定位導(dǎo)航服務(wù)、設(shè)備管理、用戶管理、LBS信息推送等功能，為不同的使用者提供了豐富的應(yīng)用功能和交互方式。

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〔編輯：張思楠〕