運(yùn)用 iBeacon技術(shù)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

余成波，孫夢娜，楊如民

(重慶理工大學(xué) 遠(yuǎn)程測試與控制研究所， 重慶 400054)

隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的普及，基于位置的應(yīng)用也越來越受大眾歡迎。在室外，GPS可提供非常精準(zhǔn)的位置信息；但在室內(nèi)，GPS信號由于受到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的遮擋，以及反射、衍射以及多徑效應(yīng)等物理因素的影響，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的室內(nèi)定位。

近年來，對室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的研究逐漸興起。Nammoon等[1]提出了融合多傳感器結(jié)合行人航跡推算的混合航向估計方案，提高了室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，但存在著室內(nèi)定位精度不高，導(dǎo)航精確性不強(qiáng)的問題。Arie Sheinker等[2]提出了一種基于磁性信標(biāo)的室內(nèi)導(dǎo)航方法，降低了開發(fā)成本，但存在系統(tǒng)功能單一的問題。因此，欲提高室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和適用性，不僅需要準(zhǔn)確的非GPS式空間位置信息，也需要比室外GPS系統(tǒng)更高效的路徑規(guī)劃技術(shù)。

在室內(nèi)定位技術(shù)層面，目前已經(jīng)有Wifi、ZigBee、藍(lán)牙、紅外、超聲波、射頻識別、超寬帶等多種技術(shù)。其中，基于低功耗藍(lán)牙(bluetooth low energy,BLE)的iBeacon技術(shù)[3]，因具有傳輸距離長、應(yīng)用廣、AES-128加密等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)階段室內(nèi)定位的研究熱點(diǎn)。

在路徑規(guī)劃技術(shù)層面，多目標(biāo)路徑規(guī)劃方法是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。路徑規(guī)劃的研究目標(biāo)在于找到滿足條件的Pareto最優(yōu)解或非劣最優(yōu)解[4]。當(dāng)前典型的規(guī)劃方法有A*算法多目標(biāo)啟發(fā)式搜索模型(multiobjective A*,MOA*)、最優(yōu)多軌道規(guī)劃算法(multirobot path planning,MPP)、多目標(biāo)路徑規(guī)劃算法(multiobjective path planning,MOPP)[5]等。

本文研究iBeacon定位技術(shù)與平滑多目標(biāo)D*Lite規(guī)劃算法[6]相結(jié)合的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，其中定位部分采用國內(nèi)外應(yīng)用較多的基于信號指紋的定位方法，重點(diǎn)研究iBeacon信號與指紋庫之間快速精準(zhǔn)的匹配算法。具體實(shí)現(xiàn)方式為：對采集到的iBeacon信號強(qiáng)度值進(jìn)行濾波去噪處理[7]，降低信號強(qiáng)度失真造成的誤差，并采用K近鄰算法(K-nearest neighbor,KNN)[8]進(jìn)行指紋匹配，獲得移動定位結(jié)果；再對移動定位結(jié)果進(jìn)行濾波處理，抑制結(jié)果中的大幅波動，獲得空間定位結(jié)果；最后，將空間定位結(jié)果與平滑多目標(biāo)D*Lite規(guī)劃算法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)室內(nèi)實(shí)時導(dǎo)航。該導(dǎo)航系統(tǒng)具有Web界面，涵蓋用戶管理、數(shù)據(jù)查詢分析等功能。

1 iBeacon室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用iBeacon室內(nèi)定位技術(shù)、多目標(biāo)路徑規(guī)劃技術(shù)，基于J2EE技術(shù)框架，使用面向服務(wù)SOA(service-oriented architecture)方式，通過SaaS(software-as-a-service)模式對外提供服務(wù)。設(shè)計了由表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層、設(shè)備接入層組成的分層架構(gòu)，如圖1所示。其中表現(xiàn)層負(fù)責(zé)為使用者提供交互操作的Web、APP應(yīng)用；業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)建立各種業(yè)務(wù)處理過程，如定位導(dǎo)航、廣告推送、用戶動態(tài)數(shù)據(jù)分析等；數(shù)據(jù)訪問層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口；設(shè)備接入層負(fù)責(zé)iBeacon基站與智能移動終端之間的設(shè)備感知和接入。

1.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的功能按照普通用戶、商家、管理員3類使用者的應(yīng)用場景進(jìn)行設(shè)計，統(tǒng)一的云平臺系統(tǒng)為這3類使用者提供各種服務(wù)[9]。使用者與系統(tǒng)的交互方式有APP和Web應(yīng)用。

系統(tǒng)為普通用戶提供的是基于位置的服務(wù)(location based service,LBS)，用戶可以是一般攜帶智能移動終端的個人用戶，也可以是裝有BLE4.0模塊的安卓機(jī)器人。服務(wù)的具體功能包括：管理用戶信息、實(shí)時室內(nèi)定位導(dǎo)航、查詢iBeacon基站數(shù)據(jù)、查詢定位及導(dǎo)航數(shù)據(jù)、查詢指紋數(shù)據(jù)庫、根據(jù)用戶位置適時推送信息等。

圖1 系統(tǒng)分層架構(gòu)

系統(tǒng)為商家提供的功能包括：查詢用戶定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)、管理商家信息與設(shè)計上傳商業(yè)活動及廣告通知等。

系統(tǒng)為管理員提供的功能包括：采集上傳iBeacon信號強(qiáng)度、審核管理商家及用戶信息、分析統(tǒng)計用戶定位及導(dǎo)航數(shù)據(jù)、管理維護(hù)iBeacon基站、管理設(shè)備地圖、審核管理商業(yè)廣告信息、管理維護(hù)系統(tǒng)等。

1.3 系統(tǒng)組成

基于iBeacon技術(shù)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)組成如圖2所示，有以下三大模塊并結(jié)合用戶隨身攜帶的智能移動終端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web終端完成系統(tǒng)功能。

3個模塊相互結(jié)合完成具體工作，各模塊的具體功能有：

1) iBeacon室內(nèi)定位模塊。利用iBeacon室內(nèi)定位技術(shù)獲取用戶當(dāng)前空間位置信息，記錄并上傳當(dāng)前位置坐標(biāo)。

2) 路徑規(guī)劃與實(shí)時導(dǎo)航模塊。利用起點(diǎn)和終點(diǎn)位置信息，結(jié)合用戶路徑偏好規(guī)劃滿足用戶需求的導(dǎo)航路徑，并在導(dǎo)航過程中結(jié)合定位信息實(shí)時導(dǎo)航，記錄并上傳導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

3) Web操作模塊。具體工作包括管理員對用戶定位及導(dǎo)航數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計，審核管理用戶及商家信息，管理維護(hù)iBeacon基站，管理設(shè)備地圖，審核管理廣告及商業(yè)活動信息，管理維護(hù)系統(tǒng)等；普通用戶查詢自身定位及導(dǎo)航數(shù)據(jù)，管理個人信息等；商家查詢用戶定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)并利用各用戶數(shù)據(jù)設(shè)計上傳相應(yīng)的商業(yè)活動和廣告通知等。

圖2 iBeacon室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)組成

2 iBeacon室內(nèi)定位模塊

iBeacon室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)中的定位模塊也可作為獨(dú)立的室內(nèi)定位系統(tǒng)工作，由信號強(qiáng)度采集與指紋庫建立模塊、匹配定位模塊并結(jié)合iBeacon基站、智能移動終端、后臺服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成定位功能。信號強(qiáng)度采集與指紋庫建立模塊的具體工作有：

1) APP與后臺服務(wù)器建立Socket通信，判斷用戶終端是否支持藍(lán)牙4.0，若支持則發(fā)出采集請求，采集當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)位置接收到的iBeacon基站的Major、Minor、RSSI、UUID值。其中Major設(shè)定為區(qū)域編號，Minor設(shè)定為區(qū)域內(nèi)iBeacon編號。

2) 解析數(shù)據(jù)形成RSSI序列，例如某一位置處可以接收到1、3、5、6、7號iBeacon基站的信號強(qiáng)度(RSSI1、RSSI3、RSSI5、RSSI6、RSSI7)。記錄當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)(X,Y)，將RSSI值序列經(jīng)卡爾曼濾波處理[10]。

3) 提交以上數(shù)據(jù)至后臺服務(wù)器，建立完整的n×m信號指紋庫，n為采集目標(biāo)點(diǎn)序號，m為iBeacon基站編號。指紋庫中每一行數(shù)據(jù)包括當(dāng)前采集目標(biāo)點(diǎn)的位置坐標(biāo)(X,Y)，區(qū)域編號Major，在第i個采集目標(biāo)點(diǎn)接收到的第j個iBeacon基站的RSSI值RSSIij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)。

匹配定位模塊包括信號強(qiáng)度采集、數(shù)據(jù)解析和處理、判定區(qū)域并估計距離、位置計算、回傳數(shù)據(jù)顯示定位結(jié)果等工作。具體有：

1) APP與后臺服務(wù)器建立Socket通信，判斷用戶終端是否支持藍(lán)牙4.0，若支持則發(fā)出定位請求并采集當(dāng)前位置接收到的iBeacon信號強(qiáng)度值。

2) 解析信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)，形成信號強(qiáng)度序列，將此序列進(jìn)行卡爾曼濾波并按照一定時間間隔不斷上傳至后臺服務(wù)器。

3) 后臺服務(wù)器接收后采用KNN算法進(jìn)行指紋庫匹配，得到3個最接近的樣本點(diǎn)。

4) 計算3點(diǎn)的質(zhì)心得到此時用戶的位置，并進(jìn)行濾波處理，抑制移動定位結(jié)果的大幅波動。

5) 后臺服務(wù)器將計算得到的位置坐標(biāo)回傳給客戶端并顯示到對應(yīng)界面，可選擇是否上傳定位信息至數(shù)據(jù)庫。

3 路徑規(guī)劃與實(shí)時導(dǎo)航及Web操作模塊

iBeacon室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)中的路徑規(guī)劃與實(shí)時導(dǎo)航模塊包括地點(diǎn)選取、偏好選擇、路徑規(guī)劃選取、實(shí)時通知、回傳數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)具體功能有：

1) 登錄和客戶端檢測，進(jìn)入主界面后判斷用戶終端是否支持藍(lán)牙4.0。若不支持則可以點(diǎn)擊定位導(dǎo)航選項跳轉(zhuǎn)至導(dǎo)航頁面進(jìn)行地點(diǎn)選取和路徑規(guī)劃，最終在地圖上顯示此次的規(guī)劃路線；若支持，則進(jìn)入下一步。

2) 將當(dāng)前定位位置默認(rèn)為導(dǎo)航起點(diǎn)，用戶于APP中選取地圖上任一地點(diǎn)為導(dǎo)航目的地。選取導(dǎo)航路徑偏好(距離最短、時間最短、路徑較短且遠(yuǎn)離障礙物且較平滑)進(jìn)行路徑規(guī)劃，并將此次導(dǎo)航所需數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺服務(wù)器。

3) 根據(jù)用戶偏好，結(jié)合平滑多目標(biāo)D*Lite規(guī)劃算法規(guī)劃路徑，返回路徑數(shù)據(jù)至APP終端。終端接收到數(shù)據(jù)后順序遍歷路徑坐標(biāo)繪制路徑并顯示到對應(yīng)地圖界面。

4) 結(jié)合用戶行駛定位信息更新地圖并進(jìn)行導(dǎo)航通知直至到達(dá)目的地，并選擇是否上傳導(dǎo)航數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫。

依據(jù)功能分析，在Web操作模塊主要設(shè)計了系統(tǒng)首頁和后臺管理頁面，其中系統(tǒng)首頁展示導(dǎo)航系統(tǒng)的功能、使用范例以及研究成果等信息，用戶可以在此頁面查詢系統(tǒng)使用方法并聯(lián)系開發(fā)者。后臺管理由用戶信息管理模塊、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)管理模塊、系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)模塊、商業(yè)活動管理模塊、地圖位置信息錄入模塊5個模塊組成。其中用戶信息管理模塊的主要任務(wù)是使用者信息的增刪查改；定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)管理模塊的主要任務(wù)是根據(jù)不同權(quán)限的使用者管理定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)；系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)模塊主要進(jìn)行的是管理員對系統(tǒng)和iBeacon基站的維護(hù)；商業(yè)活動管理模塊的主要任務(wù)是商家提交商業(yè)活動和廣告等信息，管理員對此進(jìn)行審核和管理；地圖位置信息錄入模塊進(jìn)行的是管理員將物品與地圖信息的連接。

用戶登錄后跳轉(zhuǎn)至后臺管理頁面，根據(jù)不同用戶權(quán)限顯示不同的菜單欄，總的菜單欄有：用戶信息管理、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)、商業(yè)活動管理、地圖位置信息錄入五大部分，點(diǎn)擊不同的按鈕彈出不同頁面，在各子頁面進(jìn)行具體操作。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的定位導(dǎo)航功能并分析系統(tǒng)的運(yùn)行效果，將本系統(tǒng)應(yīng)用于8 m×14 m的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部署iBeacon基站，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)包括20個工作臺、1個會議桌、1個辦公隔間，由于環(huán)境復(fù)雜度較高，共布置了12個iBeacon基站，見圖3。

用戶于APP登錄后進(jìn)入系統(tǒng)首頁，選擇BLE指紋庫可以進(jìn)行指紋庫的建立和查詢等的操作。圖4所示為iBeacon信號強(qiáng)度的采集與查詢頁面，可選擇是否通過濾波處理采集信號。圖5所示為坐標(biāo)(570,970)處接收到的信號強(qiáng)度序列進(jìn)行卡爾曼濾波后的信號波動圖，從圖中看出信號跳變較少，說明可以降低信號強(qiáng)度失真造成的誤差。

圖3 8 m×14 m實(shí)驗(yàn)室示意圖

圖4 采集iBeacon信號

擬定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)、向右為X軸、向下為Y軸，按照每間隔1 m作為采集目標(biāo)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)錄入指紋數(shù)據(jù)庫，如圖6所示。圖中位置(570,970)處采集的信號強(qiáng)度id號為378～380，其中第378行是未經(jīng)濾波的指紋數(shù)據(jù)，第379、380行是經(jīng)卡爾曼濾波后的指紋數(shù)據(jù)。對比3行數(shù)據(jù)可知，濾波可以使得采集的指紋庫較穩(wěn)健。

打開系統(tǒng)的定位導(dǎo)航功能，顯示當(dāng)前用戶在地圖中所處位置，可導(dǎo)航至地圖上任意地點(diǎn)(若目的地處于障礙物區(qū)域則規(guī)劃至目的地鄰近可行區(qū)域)。導(dǎo)航過程中可實(shí)時跟蹤用戶位置，直至到達(dá)目的地結(jié)束此次導(dǎo)航。

實(shí)時定位測試結(jié)果如圖7、8所示。圖7中綠色定位點(diǎn)顯示的是利用APP定位的用戶實(shí)驗(yàn)室內(nèi)具體位置，圖8顯示的是實(shí)驗(yàn)室定位實(shí)測圖片。經(jīng)對比可知系統(tǒng)可得到精確的位置信息。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試500組數(shù)據(jù)，采用KNN匹配定位，在1 m以內(nèi)的定位精度為30%[11]。采用本文濾波后432組數(shù)據(jù)的定位誤差達(dá)到1 m以內(nèi)，定位結(jié)果誤差在1 m以內(nèi)的比例達(dá)到了86%，整體定位精度較高。

圖5 RSSI序列卡爾曼濾波

圖7 APP定位測試

用戶使用APP定位導(dǎo)航測試結(jié)果如圖9、10所示，定位的同時可選擇是否導(dǎo)航。圖9顯示的是默認(rèn)用戶當(dāng)前定位點(diǎn)為導(dǎo)航起點(diǎn)，地圖中選取導(dǎo)航終點(diǎn)，根據(jù)用戶路徑規(guī)劃偏好規(guī)劃不同路徑。圖10顯示的是用戶行走于一條距離較短且遠(yuǎn)離障礙物較平滑的規(guī)劃路徑上，結(jié)束導(dǎo)航時上傳導(dǎo)航數(shù)據(jù)至服務(wù)器。

用戶上傳導(dǎo)航數(shù)據(jù)至服務(wù)器，結(jié)合管理員錄入的位置相關(guān)信息，可查詢導(dǎo)航地點(diǎn)具體信息。表1所示為數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)航地點(diǎn)信息視圖中的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖8 實(shí)驗(yàn)室定位實(shí)測

IdRoadpathstdetailenddetailxyendxendy1(272.10,80.05)|(277.77,81,72)…第3排第4列桌子未錄入5856211503062(272.10,80.05)|(277.77,81,72)…第3排第4列桌子未錄入5856211202103(272.10,80.05)|(277.77,81,72)…第3排第4列椅子未錄入5856411403214(272.10,80.05)|(277.77,81,72)…第2排第4列椅子第1排第2列桌子585534140470

本系統(tǒng)除在APP進(jìn)行相關(guān)操作外，還可進(jìn)行Web操作：查詢管理用戶個人信息、查詢用戶導(dǎo)航及定位信息、錄入位置地圖信息、商業(yè)活動管理、維護(hù)系統(tǒng)等，如圖11、12所示。從圖中得出用戶上傳導(dǎo)航數(shù)據(jù)后，結(jié)合管理員錄入的地點(diǎn)位置信息，最終可以查詢導(dǎo)航具體位置信息。

圖11 Web后臺管理首頁

圖12 錄入位置信息

綜合以上實(shí)驗(yàn)，打開定位功能系統(tǒng)顯示當(dāng)前用戶在地圖中所處位置，并可導(dǎo)航至地圖上任意地點(diǎn)。導(dǎo)航過程中實(shí)時跟蹤用戶，直至結(jié)束導(dǎo)航。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和查詢等功能均能在Web界面實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

基于iBeacon技術(shù)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)不僅具有開發(fā)簡便、信號干擾小、定位精度高、多功能導(dǎo)航等優(yōu)點(diǎn)，而且可以根據(jù)更多的商業(yè)需求實(shí)現(xiàn)豐富的功能擴(kuò)展。本文通過搭建的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能定位導(dǎo)航服務(wù)、設(shè)備管理、用戶管理、商業(yè)信息管理、位置及導(dǎo)航數(shù)據(jù)管理等功能，為不同的使用者提供了豐富的應(yīng)用功能和交互方式。

本系統(tǒng)將卡爾曼濾波應(yīng)用到iBeacon室內(nèi)定位系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明濾波可提高定位結(jié)果的穩(wěn)定性與精度。本系統(tǒng)在導(dǎo)航過程中采用平滑多目標(biāo)D*Lite規(guī)劃算法根據(jù)用戶偏好規(guī)劃路徑，上傳位置及導(dǎo)航數(shù)據(jù)至服務(wù)器供后期查詢統(tǒng)計。此外，Web端可供3類用戶各自進(jìn)行相關(guān)操作，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多功能。

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