基于iBeacon的室內(nèi)路徑引導(dǎo)系統(tǒng)研究

張斌 宋英杰

摘 要：基于iBeacon的室內(nèi)路徑引導(dǎo)系統(tǒng)可以精確的檢測室內(nèi)用戶的移動方向，并能夠收集用戶移動模式的上下文感知收集用戶信息，提供精確的引導(dǎo)路線，并將引導(dǎo)信息通過消息推送的形式通知用戶。真機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，基于iBeacon的室內(nèi)路線引導(dǎo)系統(tǒng)較其他系統(tǒng)能夠提供更精確的引導(dǎo)信息。

關(guān)鍵詞：iBeacon；室內(nèi)路徑引導(dǎo)；上下文感知

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

隨著智能手機(jī)在全世界范圍內(nèi)的流行，通過智能手機(jī)提供服務(wù)的可能性逐漸被發(fā)掘。其中一個(gè)重要的應(yīng)用是近距離的無線通信技術(shù)，包括藍(lán)牙、Wi-Fi等。iBeacon作為蘋果公司研發(fā)的產(chǎn)品，是利用低功耗藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth Low Energy，簡稱BLE）來進(jìn)行Beacon模塊和智能手機(jī)之間的無線通信[1，2]。之所以稱之為低功耗，是因?yàn)橐还?jié)紐扣電池可以使其正常運(yùn)行三年左右的時(shí)間。iBeacon的工作原理是通過藍(lán)牙廣播協(xié)議推送消息到用戶手機(jī)，用戶手機(jī)接收到消息之后進(jìn)行一系列的動作處理，比如計(jì)算離iBeacon的距離，室內(nèi)定位，商場信息提取等。其中室內(nèi)定位是近些年來iBeacon最為常見的應(yīng)用，目前已有基于iBeacon定位系統(tǒng)的原理是通過測量智能手機(jī)與Beacon節(jié)點(diǎn)之間的信號強(qiáng)度（Receiver Signal Strength Indicator，簡稱RSSI）。但是在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，如物體阻擋、人員流動等對電磁波影響較大因素存在，RSSI的值波動范圍較大[3]，導(dǎo)致依賴RSSI值進(jìn)行室內(nèi)定位的算法不穩(wěn)定，定位效果不佳。

本文針對iBeacon室內(nèi)定位方向展開研究，放棄了傳統(tǒng)的依靠受環(huán)境因素影響較大的RSSI值進(jìn)行定位的方式，采用iBeacon的部署策略和major和minor屬性來達(dá)到精確室內(nèi)路線引導(dǎo)的效果。本文旨在實(shí)現(xiàn)精確的室內(nèi)路線引導(dǎo)系統(tǒng)，并通過Android手機(jī)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)證明，基于iBeacon的室內(nèi)路線引導(dǎo)系統(tǒng)可以精確的檢測室內(nèi)用戶的移動方向，并能夠收集通過用戶移動模式的上下文感知收集用戶信息，提供精確的引導(dǎo)路線。

2 iBeacon構(gòu)造（iBeacon structure）

iBeacon是蘋果公司2013年9月發(fā)布的移動設(shè)備用OS（iOS7）上配備的新功能。其工作方式是，配備有低功耗藍(lán)牙（BLE）通信功能的設(shè)備使用BLE技術(shù)向周圍發(fā)送自己特有的ID，接收到該ID的應(yīng)用軟件會根據(jù)該ID采取進(jìn)一步行動[4-6]。

iBeacon的數(shù)據(jù)主要由四種資訊構(gòu)成，分別是UUID（通用唯一標(biāo)識符）、Major、Minor、Measured Power。

UUID是規(guī)定為ISO/IEC11578：1996標(biāo)準(zhǔn)的128位標(biāo)識符，是每個(gè)iBeacon節(jié)點(diǎn)的通用唯一標(biāo)識符。

Major和Minor由iBeacon發(fā)布者自行設(shè)定，都是16位的標(biāo)識符。比如，連鎖店可以在Major中寫入?yún)^(qū)域資訊，可在Minor中寫入個(gè)別店鋪的ID等。另外，在家電中嵌入iBeacon功能時(shí)，可以用Major表示產(chǎn)品型號，用Minor表示錯(cuò)誤代碼，用來向外部通知故障。

Measured Power是iBeacon模塊與接收器之間相距1m時(shí)的參考接收信號強(qiáng)（RSSI：Received Signal Strength Indicator）。接收器根據(jù)該參考RSSI與接收信號的強(qiáng)度來推算發(fā)送模塊與接收器的距離。

3 基于iBeacon的室內(nèi)引導(dǎo)系統(tǒng)（Indoor route

guidance system based on iBeacon）

3.1 設(shè)計(jì)方案

本文描述了一款基于iBeacon技術(shù)的室內(nèi)路線引導(dǎo)系統(tǒng)，類似于常見的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)，可以通過用戶移動方向的上下文感知數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)的幫助用戶確定初始地點(diǎn)與目標(biāo)地點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑。想像一下，如果某個(gè)用戶想離開某個(gè)商場，那么路線引導(dǎo)系統(tǒng)需要知道顧客的下一個(gè)要到達(dá)的節(jié)點(diǎn)在哪。此時(shí)，系統(tǒng)需要收集多個(gè)已經(jīng)部署的iBeacon節(jié)點(diǎn)的信息[7，8]。圖1是本文設(shè)計(jì)的方案，將iBeacon節(jié)點(diǎn)部署在走廊的兩側(cè)，此方案的優(yōu)勢：（1）增強(qiáng)用戶行為模式監(jiān)測的準(zhǔn)確率；（2）當(dāng)走廊人群擁擠時(shí)可以成功的接收到iBeacon推送信息，因?yàn)閕Beacon發(fā)射出的電磁波可能被人體吸收，導(dǎo)致系統(tǒng)收集的信號減少，降低定位準(zhǔn)確率。

在圖1中，走廊兩側(cè)部署對等數(shù)量的標(biāo)識用戶位置的iBeacon節(jié)點(diǎn)，其中走廊盡頭部署兩個(gè)用于推送消息的iBeacon節(jié)點(diǎn)，也就是意味著每條走廊中都需要部署兩種iBeacon節(jié)點(diǎn)，分別稱之為Silent iBeacon和Notified iBeacon。為了在物理上加以區(qū)分，系統(tǒng)規(guī)定Silent iBeacon的minor==0，而Notified iBeacon的minor==1。當(dāng)用戶通過走廊方向?yàn)橛勺蟮接?，則系統(tǒng)先檢測到minor=0的iBeacon，再檢測到minor=1的iBeacon，則手機(jī)探測到iBeacon節(jié)點(diǎn)的時(shí)間序列可能為

，

其中，的minor==0，的minor==1；相反，如果通過方向?yàn)橛捎蚁蜃?，則先檢測到minor==1的iBeacon，再檢測到minor==0的iBeacon，則iBeacon序列可能為

；

通過iBeacon序列，可以判斷用戶走動的方向。此處我們還規(guī)定了兩個(gè)iBeacon用戶消息推送，目的是當(dāng)用戶由左到右行走時(shí)，進(jìn)行消息推送，比如說用戶是進(jìn)入商場，則推送商場相關(guān)的促銷信息；而由右向左時(shí)，不推送消息。試想一下，如果交叉路口的四周都按此種方案進(jìn)行部署iBeacon，效果如圖2所示。

本系統(tǒng)通過SamSung Note4和BrightIBeacon進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中Android APP借助了開源的ALTBeacon SDK（https：//github.com/AltBeacon/android-beacon-library）進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

在現(xiàn)實(shí)生活常見的商場中，除了主干走廊為，大部分的走廊長度約為30—50米。本文的實(shí)驗(yàn)場地選定長為30m，寬1.8米的走廊，讓iBeacon的部署間距為5m。在實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)過多次測量求平均值，當(dāng)用戶以1m/s的速度通過走廊時(shí)，通知準(zhǔn)確率為100%；當(dāng)用戶速度提高到2m/s時(shí)，準(zhǔn)確率降低到96.7%；當(dāng)用戶速度提升為3m/s時(shí)，通知準(zhǔn)確率迅速下降到25%左右。準(zhǔn)確率下降的原因主要是由于計(jì)算時(shí)間太短，用戶速度為3m/s時(shí)，系統(tǒng)每次計(jì)算的時(shí)間為5/3s，如果適當(dāng)?shù)脑黾觟Beacon的部署間距，不僅能降低成本，還能夠提高準(zhǔn)確率。

4 結(jié)論（Conclusion）

iBeacon作為一種新型的近距離通信技術(shù)，憑借其低功耗、高精度等特點(diǎn)被廣泛的接受和使用。本文使用iBeacon進(jìn)行了室內(nèi)路徑引導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)工作，通過真機(jī)實(shí)驗(yàn)證明，合理的iBeacon部署和高效的算法能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為用戶提供精確的導(dǎo)航效果。

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