基于iBeacon的藍(lán)牙室內(nèi)定位算法研究

周曉晨

摘要：現(xiàn)代社會(huì)中，GPS定位被應(yīng)用廣泛，已經(jīng)融入生活。但是GPS定位系統(tǒng)主要為室外定位提供服務(wù)，若是在室內(nèi)的話，它的定位精確度將成為它的劣勢(shì)。這里我們報(bào)告了一個(gè)提高準(zhǔn)確性的策略——一種基于iBeacon基站的藍(lán)牙4.0室內(nèi)定位技術(shù)。該技術(shù)能夠在室內(nèi)精確定位，以彌補(bǔ)GPS室內(nèi)定位的不足性。并且通過改良版三環(huán)定位算法以及根據(jù)特定室內(nèi)場(chǎng)景編寫補(bǔ)償算法，能夠?qū)崿F(xiàn)定位的準(zhǔn)確性，并且一顆紐扣電池可以藍(lán)牙基站維持使用數(shù)年，真正達(dá)到低功耗。

關(guān)鍵詞： iBeacon;藍(lán)牙4.0;三環(huán)定位算法;補(bǔ)償算法;低功耗

中圖分類號(hào)：TN925? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）25-0258-02

Abstract：In modern society， GPS positioning is widely used and has been integrated into life. But GPS positioning system mainly provides services for outdoor positioning， if indoor， its positioning accuracy will become its disadvantage. Here we report a strategy to improve accuracy - a Bluetooth 4.0 indoor positioning technology based on iBeacon base station. This technology can accurately locate indoors to make up for the deficiency of GPS indoor positioning. And through the improved version of three-loop location algorithm and compensation algorithm based on specific indoor scenes， the accuracy of location can be achieved， and a button battery can maintain Bluetooth base station for several years， and really achieve low power consumption.

Key words：iBeacon; Bluetooth 4.0; three-loop location algorithm; compensation algorithm; low power consumption

1 引言

近幾年，隨著手機(jī)的使用越來越普及，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低功耗協(xié)議有了更多的選擇，讓產(chǎn)品連接手機(jī)成了可能，當(dāng)前技術(shù)下的室內(nèi)定位技術(shù)有很多種，包括Wi-Fi定位、ZigBee定位，藍(lán)牙低功耗技術(shù)具有精度高、低功耗、易集成的優(yōu)點(diǎn)，因此成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域室內(nèi)定位“最后一米”的普適解決方案。

2 藍(lán)牙定位算法設(shè)計(jì)

整個(gè)藍(lán)牙定位研究的核心就是其算法的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，算法設(shè)計(jì)的好壞直接影響到定位的精度，目前國內(nèi)外已設(shè)計(jì)出有很多藍(lán)牙室內(nèi)定位算法，如本算法使用到的基于RSSI的三環(huán)定位算法，已知三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和未知點(diǎn)到這三個(gè)點(diǎn)的RSSI的信號(hào)值，求解未知點(diǎn)的坐標(biāo)。? 通過RSSI值和室內(nèi)電磁波傳播損耗模型計(jì)算出兩藍(lán)牙設(shè)備間的距離。該方法簡單易行，但缺點(diǎn)是藍(lán)牙信號(hào)RSSI值受環(huán)境的影響比較大，有波動(dòng)。因此，本項(xiàng)目在建立模型之前首先研究了影響RSSI值的環(huán)境因素，包括空氣濕度、藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率、其他電磁波的干擾等，然后分析了電磁波的傳輸機(jī)理，最后建立最符合實(shí)際場(chǎng)景的室內(nèi)藍(lán)牙信號(hào)傳播損耗模型。

2.1 算法①

首先將移動(dòng)終端獲取的MAC地址以及RSSI數(shù)據(jù)放入數(shù)組中。將MAC地址發(fā)送至服務(wù)器與所有已錄入數(shù)據(jù)庫的藍(lán)牙基站MAC地址數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，刪去不存在數(shù)據(jù)庫中的地址數(shù)據(jù)（非定制藍(lán)牙終端信號(hào)），將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)終端上，移動(dòng)終端將數(shù)據(jù)按RSSI值從大到小使用直接插入排序算法進(jìn)行排序，選出數(shù)值最大的三個(gè)數(shù)據(jù)。以MAC1為圓心，以MAC1的距離為半徑畫極坐標(biāo)軸下的圓，將其他兩個(gè)MAC地址以相同方式畫圓，此時(shí)根據(jù)已知藍(lán)牙終端求移動(dòng)終端具體位置。

移動(dòng)終端與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫通訊后獲取MAC1、MAC2、MAC3在極坐標(biāo)軸中的極坐標(biāo)點(diǎn)以及信號(hào)強(qiáng)度，將信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成距離后便可知三個(gè)藍(lán)牙基站的坐標(biāo)以及半徑。假設(shè)MAC1、MAC2、MAC3的坐標(biāo)分別為（ρ1 ，θ1，r1）、（ρ2，θ2，r2）、（ρ3 ，θ3，r3） （與坐標(biāo)原點(diǎn)距離長度ρ，極角θ，圓半徑r），然后根據(jù)以下式（1）及式（2）求出兩圓在極坐標(biāo)下的交點(diǎn)坐標(biāo)A（ρ4 ，θ4）、B（ρ5，θ5）。

由式（1）可得兩交點(diǎn)坐標(biāo)的極角，由式（2）可得兩交點(diǎn)坐標(biāo)距離長度ρ，由此可知兩交點(diǎn)坐標(biāo)A和B的位置。然后通過式（3）計(jì)算MAC3坐標(biāo)點(diǎn)C分別與所得點(diǎn)A、B的距離，比較|AC|與|BC|和終端與第三個(gè)藍(lán)牙基站距離大小，選擇數(shù)值小的點(diǎn)A或B作為待測(cè)終端的具體位置，至此，通過算法①完成對(duì)待測(cè)終端位置的計(jì)算，后須由補(bǔ)償算法②進(jìn)行輔助矯正。

2.2 算法②

此為誤差補(bǔ)償算法。對(duì)于每個(gè)已經(jīng)確定的終端位置，都將其存入到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，并設(shè)置一個(gè)默認(rèn)為1的信號(hào)量flag，當(dāng)已知終端個(gè)數(shù)大于等于6個(gè)時(shí)，調(diào)用補(bǔ)償算法。當(dāng)前待矯正終端在通過算法①計(jì)算出自己的坐標(biāo)位置后，獲取周圍MAC地址以及信號(hào)強(qiáng)度，與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫對(duì)比后獲取信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的1個(gè)藍(lán)牙以及另外5臺(tái)終端設(shè)備，從5臺(tái)設(shè)備中優(yōu)先選取flag為1的信號(hào)最強(qiáng)的3臺(tái)終端。由終端Ⅰ與藍(lán)牙Ⅰ計(jì)算后得出具體位置為1、2兩點(diǎn)，根據(jù)待矯正終端位置與1、2點(diǎn)進(jìn)行取較短者后，假定確認(rèn)其點(diǎn)為2，則求出待矯正終端與2點(diǎn)的中點(diǎn)A。類似地獲取終端2、3與藍(lán)牙Ⅰ計(jì)算后與終端2、3的中點(diǎn)B、C，求出A、B、C三點(diǎn)中距離最近的兩點(diǎn)，將第三點(diǎn)作為誤差舍去，求其兩點(diǎn)中點(diǎn)，將該點(diǎn)置為待測(cè)終端的真實(shí)位置，并將信號(hào)量flag置為1，當(dāng)該點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，將flag設(shè)置為0。

3 結(jié)論

從理論上此次基于IBeacon的藍(lán)牙室內(nèi)定位算法研究已經(jīng)完成基本的室內(nèi)定位精度，但仍有亟需改進(jìn)的地方：改良版三環(huán)定位算法和補(bǔ)償算法的設(shè)計(jì)必須“因地制宜”，換了場(chǎng)景就需要重新測(cè)量數(shù)據(jù)，算法也存在精度的進(jìn)一步改進(jìn)。

藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，已逐步從研究領(lǐng)域走向市場(chǎng)級(jí)、工業(yè)級(jí)的應(yīng)用領(lǐng)域，隨著算法不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，工廠生產(chǎn)的藍(lán)牙基站設(shè)備越來越小巧，發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度越來越穩(wěn)定，在不久的將來，一定會(huì)有大量精確的室內(nèi)定位軟件涌現(xiàn)，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生活需求，為生活帶來方便與快捷。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹世華.室內(nèi)定位技術(shù)和系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22（9）：1-5.

[2] 程煜.WiFi+iBeacon融合室內(nèi)定位對(duì)圖書館讀者服務(wù)的研究[J].河南圖書館學(xué)刊，2017（7）： 120-122.

[3] BHAGWAT P.Bluetooth：technology for short-range wireless apps[J].IEEE Internet Computing， 2001（3）：96-103.

[4] ANASTASI G， BANDELLONI R， CONTI M， et al.Experimenting an indoor bluetooth-based positioning service[C].Distributed Computing Systems Workshops， 2003.Proceedings.23rd International Conference on.IEEE， 2003：480-483.

[5] 王健興.基于IBeacon的室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].通訊世界，2017（24）：3-5.

[6] 車龍，胡達(dá)科，林立峰.一種基于iBeacon技術(shù)在室內(nèi)定位上的應(yīng)用[J].信息通信，2017（6）：9-10.

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