基于藍(lán)牙技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)定位系統(tǒng)

付正誠(chéng)

摘要：物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)世界的愿景，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和硬件配置能力的快速發(fā)展，基于位置的服務(wù)（LBS）作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)服務(wù)之一，已經(jīng)逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匾枨?。目前?yīng)用最廣泛的位置服務(wù)技術(shù)是全球定位系統(tǒng)（GPS），它在室外環(huán)境下的定位精度很高;但在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下，建筑物對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的遮擋會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減甚至被屏蔽，這會(huì)使定位難度加大并且無(wú)法獲得準(zhǔn)確的位置信息。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位;LoRa;藍(lán)牙網(wǎng)關(guān);iBeacon;高斯濾波;定位算法;云平臺(tái)

引言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷成熟，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活的方方面面，在智能家居、智慧交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能制造等方面發(fā)揮著重要作用。物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展離不開(kāi)包括LTE、Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙等眾多異構(gòu)通信技術(shù)的支撐。在物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架中，提出眾多異構(gòu)技術(shù)，是為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)復(fù)雜的環(huán)境以及滿足不同場(chǎng)景在通信范圍、吞吐量、可靠性、時(shí)延和能耗等方面的應(yīng)用需求.這些異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)在各自的應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功。

1研究背景

隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源、能源短缺逐漸成為全人類共同面臨的問(wèn)題，想要實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，必須要從合理分配資源、節(jié)約能源著手，從根源上改進(jìn)人類生產(chǎn)生活對(duì)資源能源的過(guò)度消耗。因此，利用先進(jìn)技術(shù)節(jié)約能源已成為學(xué)界共同研究的重要課題。我國(guó)國(guó)土遼闊、人口眾多，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，能源消耗量巨大。物聯(lián)網(wǎng)傳感等技術(shù)能夠大大節(jié)約資源，降低成本。人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，能夠解決很多人工失誤造成的資源浪費(fèi)，例如：忘記關(guān)燈、關(guān)空調(diào)等。

2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的組成元素是各類能收集數(shù)據(jù)的設(shè)備，它們樣子千差萬(wàn)別，復(fù)雜程度也不盡相同。這類設(shè)備涵蓋了從工業(yè)生產(chǎn)線上的自動(dòng)駕駛車輛、監(jiān)控外界溫濕度的傳感器、統(tǒng)計(jì)個(gè)人步數(shù)的手環(huán)以及智能家居、射頻識(shí)別標(biāo)簽等等。因此任何可以采集外在數(shù)據(jù)，并且可以發(fā)送回去的設(shè)備都可以加入物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中。本質(zhì)上，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是利用局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)等信息通信技術(shù)把傳感檢測(cè)裝置、控制器、機(jī)械設(shè)備以及人員等客體通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)聯(lián)系在一起，形成人與物、物與物之間的新連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生活的信息化與智能化。總結(jié)來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)是新時(shí)代下互聯(lián)網(wǎng)的延伸，是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用拓展。

3人工智能

所謂人工智能，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是借助處理器讓計(jì)算機(jī)模擬人的語(yǔ)言行為，讓機(jī)器模式人的反應(yīng)，并將其應(yīng)用到人們的生產(chǎn)生活之中，取代人工。信息時(shí)代背景下，各大組織機(jī)構(gòu)深刻認(rèn)識(shí)到科技是提升自身競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段，因此，都在人工智能領(lǐng)域投入巨大資金，期望以技術(shù)領(lǐng)先實(shí)現(xiàn)自身飛躍式發(fā)展。人工智能作為新技術(shù)產(chǎn)物，以三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心，涵蓋了人臉識(shí)別、語(yǔ)言理解、圖像處理等部分。人工智能研發(fā)的主要思路是借助人的思維方式，實(shí)現(xiàn)3個(gè)層面的智能處理：（1）輸入層：用來(lái)感知數(shù)據(jù)。（2）輸出層：用來(lái)深層次分析和處理數(shù)據(jù)。（3）隱含層：用來(lái)輸出表達(dá)。

4系統(tǒng)方案

4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用藍(lán)牙信標(biāo)的方式進(jìn)行定位，藍(lán)牙信標(biāo)廣播當(dāng)前的信號(hào)強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)濾波處理后進(jìn)行距離轉(zhuǎn)換，通過(guò)在具體場(chǎng)景下布設(shè)的多網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的上報(bào);由基站進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總并傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)定位引擎中的多點(diǎn)定位算法獲取定位終端的位置數(shù)據(jù)，并將位置信息實(shí)時(shí)展示在Web頁(yè)面。（定位終端（待定位點(diǎn)）：具備藍(lán)牙4.0以上功能的標(biāo)簽、手環(huán)、工卡等均可作為能夠持續(xù)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度值和自身的mac地址信息的定位終端。本系統(tǒng)采用自主研發(fā)的定位終端設(shè)備和BlueNRG-2藍(lán)牙低功耗片上系統(tǒng)，使用Beacon方式定時(shí)廣播信號(hào)（定時(shí)時(shí)間可調(diào)），通過(guò)加速度傳感器（G-Sensor）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)。當(dāng)終端設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)下，可設(shè)置每隔一段時(shí)間（時(shí)間可調(diào)）發(fā)送一次心跳數(shù)據(jù)。對(duì)于不同的部署場(chǎng)景，可對(duì)定位終端進(jìn)行相關(guān)配置以滿足定位實(shí)時(shí)性和功耗等需求。例如，在固定資產(chǎn)的定位場(chǎng)景中，定位終端（通常為標(biāo)簽）需固定在資產(chǎn)物體上，對(duì)于功耗的要求較高且其位置并不經(jīng)常移動(dòng)的，只有當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)，才對(duì)其實(shí)時(shí)定位;物體保持靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，每隔固定時(shí)間發(fā)出信號(hào)，若接收不到，后臺(tái)根據(jù)判斷機(jī)制觸發(fā)報(bào)警。對(duì)于特殊區(qū)域的人員定位場(chǎng)景，人員隨身攜帶定位終端（通常為工卡、手環(huán)），對(duì)定位的實(shí)時(shí)性要求較高，但對(duì)功耗要求不高。因此，定位終端有必要設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)、心跳上報(bào)等功能以滿足不同定位場(chǎng)景的需求。

4.2信號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)

信號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信技術(shù)通過(guò)模擬異構(gòu)無(wú)線通信協(xié)議相應(yīng)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)直接通信.相比于利用粗粒度的數(shù)據(jù)包特征進(jìn)行信息的調(diào)制，信號(hào)級(jí)的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信吞吐量得到很大的提升.信號(hào)模擬是實(shí)現(xiàn)信號(hào)級(jí)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信的主要方法，其核心思想為，在發(fā)送端通過(guò)控制數(shù)據(jù)包的有效載荷部分，即模擬接收端的波形，使得發(fā)送端的無(wú)線發(fā)射器產(chǎn)生能夠被異構(gòu)無(wú)線設(shè)備正確接收并解調(diào)的信號(hào)，依據(jù)傳輸給接收端的信息所對(duì)應(yīng)的物理層目標(biāo)信號(hào)，通過(guò)反向工程，推導(dǎo)出可以通過(guò)發(fā)送端設(shè)備產(chǎn)生的最接近目標(biāo)信號(hào)的數(shù)據(jù)包報(bào)文內(nèi)容.發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包后，有效載荷部分可以成功通過(guò)接收端的前導(dǎo)碼檢測(cè)，從而被成功解調(diào).理論上，基于信號(hào)模擬的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)直聯(lián)通信可以實(shí)現(xiàn)和接收端設(shè)備使用的無(wú)線技術(shù)同等的傳輸速率。

4.3物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的搭建

人工智能技術(shù)能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)提供更多技術(shù)支持，而物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)也能夠推動(dòng)人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，二者相互促進(jìn)。具體來(lái)說(shuō)：想要提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能含量，要先將傳感、智能識(shí)別、攝像等各個(gè)終端設(shè)備獲取到的信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送至中央處理平臺(tái)，人工智能再對(duì)所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，然后把結(jié)果反饋到終端相應(yīng)設(shè)備中。與此同時(shí)，為了提高用戶的工作效率，減少其工作量，可以在用戶端、終端加入中央處理器，并設(shè)置其可以批量的、自主的下達(dá)指令。越來(lái)越多的用戶端、終端設(shè)備加入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，能夠加速物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。濕度、溫度、攝像、傳感等終端設(shè)備是感受器，能夠準(zhǔn)確分析室內(nèi)溫度、亮度，再通過(guò)人工智能技術(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終形成人工智能與物聯(lián)網(wǎng)完美融和的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

結(jié)束語(yǔ)

與目前的藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)著重考慮了定位終端移動(dòng)時(shí)的定位精度，且兼顧了定位速度和定位準(zhǔn)確性，具有更高的應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位系統(tǒng)能夠有效降低室內(nèi)定位的誤差，滿足大多數(shù)目標(biāo)場(chǎng)景的定位精度要求;所設(shè)計(jì)的前端界面能夠提供精準(zhǔn)的定位顯示和軌跡查詢等位置服務(wù)。該系統(tǒng)使用低功耗的藍(lán)牙iBeacon方案，每個(gè)定位終端的使用時(shí)間均超過(guò)三年，無(wú)須頻繁更換硬件。與傳統(tǒng)的人員物資監(jiān)管方式相比較，該系統(tǒng)很大程度地節(jié)約了人力成本，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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