基于beacon定位的學習場景研究

熊維祥

摘要：本文著重研究算法和軟件的實現(xiàn)過程，從ibeacon原理出發(fā)，分析技術(shù)特點，規(guī)避技術(shù)漏洞。開發(fā)研究過程中利用協(xié)調(diào)關(guān)系函數(shù)，優(yōu)化基站模型，有效避免了環(huán)境信號干擾，通過循環(huán)過濾事件將實時性和準確率最優(yōu)化。

關(guān)鍵詞 ：beacon；定位；藍牙

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）02-0251-02

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡由于其巨大的應用前景引起國內(nèi)外眾多研究者和工業(yè)界的青睞。其集感知、計算、無線通信能力為一體， 通過各類微型傳感器對感知目標進行實時監(jiān)測并產(chǎn)生大量的感知數(shù)據(jù)[1]。低功耗藍牙等無線設(shè)備也越來越多地運用于感知學習領(lǐng)域，增強了體驗式經(jīng)濟發(fā)展的前景[2]。

低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，BLE [3]）設(shè)備在2013年由蘋果公司率先推出，以ibeacon基站為主的藍牙定位設(shè)備也開始應用于人們的日常生活。目前，我國教育領(lǐng)域?qū)τ趇beacon的應用開發(fā)局限于圖書館、博物館的定位[4]，沒有將ibeacon的功能充分挖掘出來。而涉及定位算法、軟件開發(fā)的研究占少數(shù)，其中的算法多為基于二維的三環(huán)算法或指紋算法，忽視了現(xiàn)實的空間因素。本文將針對研究領(lǐng)域內(nèi)教育產(chǎn)品的不足進行手機系統(tǒng)和定位算法進行研究設(shè)計。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計目標

1）基于現(xiàn)實搭建ibeacon基站環(huán)境，設(shè)計區(qū)域定位算法和精確點算法實現(xiàn)泛定位和精確定位。

2）設(shè)計并制作定位模型，與定位算法相匹配。

3）利用java中Bluetooth_Service接口制作android終端APP，要求能夠根據(jù)實時環(huán)境更新距離數(shù)據(jù)。

2.2 設(shè)計準備

2.2.1 基站選擇

本次研究的Beacon基站選用April beacon，測試過程使用2臺，Txpower均為-58；其參數(shù)信息如表1所示：

其中UUID為唯一標識符，是區(qū)分基站最準確的屬性，當有同組基站信號干擾時，終端應用只需檢測UUID就能排除干擾因素。Beacon利用BLE接近感知技術(shù)，終端得以識別UUID及實時RSSI信號強度，將信號衰減量通過數(shù)據(jù)算法轉(zhuǎn)化為物理距離，從而實現(xiàn)區(qū)域定位。

2.2.2 系統(tǒng)層次設(shè)計

2.3 算法設(shè)計

2.3.1 RSSI模型

本文對于RSSI的模型采用傳統(tǒng)對數(shù)一常態(tài)分布模型，在實驗過程中，由于環(huán)境變量的因素，本文在傳統(tǒng)公式的基礎(chǔ)上做了相應改進。RSSI由信標節(jié)點發(fā)送，由接收到此信號的未知節(jié)點測量而得。在不考慮信號增益的條件下，信號接收強度等于信號發(fā)射強度減去信號傳播損耗。而自由空間信號模型和對數(shù)—常態(tài)分布模型是信號傳播損耗的理論模型中最常用的兩種模型[5]。傳統(tǒng)對數(shù)模常態(tài)分布模型在真實情況下受時間片長度影響會出現(xiàn)波動誤差，對于RSSI精確讀數(shù)負面干擾較強

[RSSI=-abs（10*klgPtPodptdpo）] （1）

Pt是空間環(huán)境中相距t（m）時信號強度損耗；Po是理想環(huán)境下距離為o時的強度損耗

；k為信號強度損耗系數(shù)，實驗中系數(shù)取值在1：1到10：1之間。

2.3.2 雙基站定位算法

測距方案采用基于分析RSSI信號強度實現(xiàn)，終端接口層接受BLE信號，根據(jù)RA（終端與基站相距1m時的RSSI強度）和實際測量值，計算出相距距離。

測距模型算法如下：

[D=abs（Ri-RA）/n*10] （2）

Ri是RSSI的實際測量值，接收功率的單位是dBm；n為信號衰減因子，與測量環(huán)境和干擾因素相關(guān)。此模型忽略了高斯分布隨機變量，原因在于手機程序在進行指數(shù)對數(shù)計算時必須取整形，為了提高精確度而未使用隨機變量。

設(shè)雙基站坐標為i1（i1x ， i1y），i2（i2x ， i2y）。消息彈出區(qū)域信號如圖：

設(shè)置兩基站各發(fā)出雙環(huán)，i1內(nèi)環(huán)半徑為d1，外環(huán)半徑為d2；i2內(nèi)環(huán)半徑s1，外環(huán)半徑s2。各半徑在應用時可以不相等。區(qū)域判定算法如下：

If（get_device（0）&&get_device（1））

{If（（get_device（0）.RSSI-RA）/n*10>=d1&&（get_device（0）.RSSI-RA）/n*10>=d2）

{if（（get_device（1）.RSSI-RA）/n*10>=s1&&（get_device（1）.RSSI-RA）/n*10>=s2）

{Return true；}}}

實際測試中RA為整形常量，取值-43；信號衰減系數(shù)n為單精度常量，取值2.5。

觸發(fā)區(qū)域數(shù)學計算模型如下：

[0r1d22-x2d2-s21-x2s1] （3）

[0r2s22-x2s2-d21-x2d1]

其中r1為d2環(huán)與s1環(huán)焦點到y(tǒng)軸長度，r2為s2環(huán)與d1環(huán)焦點到y(tǒng)軸長度。實際應用時須將s1、s2、d1、d2帶入，連立方程求得r1、r2的值。

3 應用設(shè)計

3.1 應用背景

目前國內(nèi)主流的智能導覽系統(tǒng)主要分為兩種類型： 專用的導覽系統(tǒng)和以移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為載體的通用導覽系統(tǒng)。專用的導覽系統(tǒng)是一種軟硬件定制的設(shè)備，能夠自動感應、自動講解，參觀者攜帶導覽系統(tǒng)進入?yún)^(qū)域后，使用無線射頻技術(shù)來自動感應，不受到參觀路線的限制。以移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為載體的通用導覽設(shè)備以軟件形式存在，一般在手機、平板電腦上使用，也可以通過掃描景點的二維碼來獲得景點的介紹和講解，該類型的導覽系統(tǒng)體驗性明顯不如專用型的導覽系統(tǒng)。[6]

3.2 藍牙數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

BLE 的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，前導字符占用 1 個字節(jié)，接收方使用前導字符來進行頻率同步。訪問地址占用 4 個字節(jié)，訪問地址決定了數(shù)據(jù)包是在廣播信道還是數(shù)據(jù)信道上發(fā)送。用于廣播信道的訪問地址固定為 0x8E89BED6，數(shù)據(jù)信道的訪問地址在設(shè)備初始化狀態(tài)時隨機生成。接下來是長度為 2-39 個字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，上層數(shù)據(jù)將被封裝在這里。最后是 3 個字節(jié)的循環(huán)冗余校驗碼。

3.3 終端開發(fā)

IBeacon 作為藍牙網(wǎng)絡中的外圍設(shè)備LeDeviceListAdapter，設(shè)備啟動后需要按照順序?qū)︽溌穼?、硬件抽象層、主機控制器接口、操作系統(tǒng)抽象層、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議、通用訪問配置、通用屬性配置、安全管理器等進行初始化。

在主類添加BLE設(shè)備函數(shù)如下：

public void addDevice（iBeacon device） { //添加函數(shù)所傳參數(shù)為自定義iBeacon類

if（device ！= null） { //判斷設(shè)備是否為空

for（int i = 0； i < this.mLeDevices.size（）； ++i） { //不為空時進入循環(huán)，mLeDevices為當前Arraylist，泛類為iBeacon型。

String btAddress = （（iBeacon）this.mLeDevices.get（i））.bluetoothAddress；

// 將藍牙設(shè)備地址信息轉(zhuǎn)換為string類型并在如下判斷語句中進行比對。}}

4 結(jié)論

在本次開發(fā)研究中，研究者提出了不同于常規(guī)雙環(huán)定位的新穎算法：以單基站的回顯數(shù)據(jù)作為初步參考數(shù)據(jù)，在給定范圍內(nèi)加入第二基站數(shù)據(jù)進行綜合分析，過濾震蕩干擾，使最終定位距離區(qū)域穩(wěn)定。固定基站或移動基站都不干擾終端數(shù)據(jù)的正常顯示，這得力于函數(shù)設(shè)計中的控制循環(huán)，以及設(shè)備信號范圍判斷。本次研究成果可投入到較封閉的室內(nèi)環(huán)境，在限定范圍內(nèi)對情景感知類學習有較好的應用前景。

參考文獻：

[1] 李超.基于Beacon技術(shù)的兒童游樂項目設(shè)計研究[J].設(shè)計藝術(shù)研究，2015（4）.

[2] 陳和康.一種Beacon協(xié)助的傳感器網(wǎng)絡定位方法[J].計算機應用與軟件，2009（2）.

[3] Wikipedia.Bluetooth Low Energy[DB/OL].https：//en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_low_energy

[4] 陳翠琴.基于iBeacon技術(shù)的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧校園應用研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（21）.

[5] 譚志.無線傳感器網(wǎng)絡RSSI定位算法的研究與改進[J].北京郵電大學學報，2013（3）.

[6] 吳棟淦.基于iBeacon的智能導覽系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].貴陽學院學報：自然科學版，2014（4）