基于Beacon與微信的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的研究

車 敏，張紅梅

（空軍工程大學(xué) 裝備管理與無(wú)人機(jī)工程學(xué)院，陜西 西安 710051）

0 引 言

近年來(lái)，隨著情景感知和環(huán)境智能應(yīng)用的發(fā)展，人們?cè)谏钪袑?duì)定位的需求越來(lái)越迫切?；谖恢梅?wù)（LBS）的研究與應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外掀起了熱潮。根據(jù)定位環(huán)境的不同，定位可分為室外定位和室內(nèi)定位。室外定位主要采用兩種方式，即基于人造衛(wèi)星的定位與基于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)的基站的定位。室外定位技術(shù)已非常成熟。由于人造衛(wèi)星GPS定位系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境或高層建筑密集的地區(qū)無(wú)法偵測(cè)到衛(wèi)星信號(hào)，故無(wú)法滿足人們對(duì)室內(nèi)定位的要求。相較室外定位技術(shù)，室內(nèi)定位的發(fā)展還處在初始階段。但隨著人民生活水平的提高，機(jī)動(dòng)車數(shù)量迅速增長(zhǎng)，越來(lái)越多的大型停車場(chǎng)相繼建立，停車場(chǎng)的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。由于停車場(chǎng)空間大、環(huán)境及標(biāo)志物類似、方向不易辨別等原因，用戶在停車場(chǎng)易迷失方向，既不易尋找車位，返回時(shí)也不易尋找車輛。鑒于此，本文提出了基于Beacon技術(shù)和微信相結(jié)合的室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其主要功能包括空余停車位查詢、車位精準(zhǔn)導(dǎo)航、停車場(chǎng)內(nèi)導(dǎo)航及反向?qū)ぼ嚨取?/p>

目前智能停車場(chǎng)大多實(shí)現(xiàn)了出入口車輛識(shí)別和停車?yán)U費(fèi)的智能化，但車位引導(dǎo)大多靠人工完成?；谑覂?nèi)定位實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的導(dǎo)航停車應(yīng)用系統(tǒng)相對(duì)較少。常見(jiàn)的室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)主要包括室內(nèi)GPS定位技術(shù)、紅外線室內(nèi)定位技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、WiFi技術(shù)、ZigBee技術(shù)[1]。受定位精度、定位成本和室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜性的限制，各種室內(nèi)定位技術(shù)有各自不同的應(yīng)用場(chǎng)景。Beacon技術(shù)和WiFi技術(shù)更適合對(duì)用戶設(shè)備位置的感知，用戶利用智能手機(jī)可實(shí)現(xiàn)位置的感知。WiFi室內(nèi)定位技術(shù)最大的問(wèn)題在于無(wú)線信號(hào)受環(huán)境的影響較大，樓層之間的信號(hào)干擾較大，一旦環(huán)境發(fā)生變化，WiFi定位算法所采用的指紋算法需要重新調(diào)整，工作量較大[2]。早期的藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小、易于集成在PDA，PC以及手機(jī)中，但最大的不足是藍(lán)牙器件和設(shè)備的價(jià)格較高，且功耗大。藍(lán)牙技術(shù)4.0標(biāo)準(zhǔn)支持新藍(lán)牙低功耗連接，Beacon設(shè)備成本低，且此設(shè)備僅憑一顆紐扣電池供電就能運(yùn)行數(shù)年。因此Beacon技術(shù)因其部署簡(jiǎn)單、成本低、定位精度高等特性，為停車場(chǎng)內(nèi)定位服務(wù)提供了可能。

1 基于Beacon與微信相結(jié)合的室內(nèi)定位模式

1.1 Beacon技術(shù)原理

Beacon利用低功耗藍(lán)牙技術(shù)向周圍發(fā)送自己的廣播數(shù)據(jù)，所有接收范圍內(nèi)支持低功耗藍(lán)牙的設(shè)備均可收到信息。Beacon協(xié)議的廣播數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 Beacon的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

UUID是唯一的標(biāo)識(shí)符，用128 bit表示，應(yīng)用程序通過(guò)UUID判斷此Beacon設(shè)備是否合法，是否推送消息。Major是一組相關(guān)的Beacon設(shè)備的主設(shè)備號(hào)，占用16 bit，通過(guò)該字段應(yīng)用程序可知道感知者屬于哪一個(gè)特點(diǎn)的組，Minor為每個(gè)Beacon的次設(shè)備號(hào)，占用16 bit。通過(guò)Major和Minor的組合，應(yīng)用程序可大致感知用戶的位置。Transmitter Power是Beacon發(fā)射模塊與接收器距離1 m時(shí)參考接收信號(hào)的強(qiáng)度，占用8 bit。通過(guò)接收強(qiáng)度距離估計(jì)算法，可計(jì)算出Beacon設(shè)備與感知用戶的距離，實(shí)現(xiàn)用戶定位。支持低功耗藍(lán)牙技術(shù)的終端設(shè)備包括iPhone 4s及以上蘋(píng)果設(shè)備，安卓4.3及以上設(shè)備等[4]。目前大多智能手機(jī)都支持藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)。這為智能手機(jī)作為室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的終端接收設(shè)備提供了可行性。

1.2 微 信

根據(jù)騰訊公司發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2017年12月微信全球共計(jì)8.89億活動(dòng)用戶，新興的公眾號(hào)平臺(tái)有1 000萬(wàn)個(gè)。微信在我國(guó)移動(dòng)應(yīng)用市場(chǎng)上具有越來(lái)越高的市場(chǎng)占有率。微信公眾平臺(tái)是騰訊公司2012年8月在微信的基礎(chǔ)上構(gòu)建的自媒體平臺(tái)，通過(guò)這一平臺(tái)，機(jī)構(gòu)和個(gè)人都可通過(guò)公眾賬號(hào)的形式向訂閱用戶推送信息及提供交互服務(wù)。微信為公眾號(hào)使用者提供了眾多開(kāi)發(fā)接口，接口中有H5頁(yè)面，H5頁(yè)面制作簡(jiǎn)捷，可通過(guò)微信JS-SDK獲取周邊設(shè)備信息接口，微信JS-SDK是微信公眾平臺(tái)面向網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)者提供的基于微信內(nèi)的網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)工具包。通過(guò)使用微信JS-SDK，網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)者可借助微信APP高效使用拍照、選圖、語(yǔ)音、位置等手機(jī)功能，同時(shí)可以直接使用微信分享、掃一掃等微信特有的能力，為微信用戶提供更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)頁(yè)體驗(yàn)。這些都為采用第三方微信APP實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)人機(jī)交互提供了可能。

對(duì)于Beacon設(shè)備在市場(chǎng)上已有不少成熟的產(chǎn)品，微信開(kāi)通的搖周邊功能插件[5]介紹了很多與微信相配合使用的Beacon設(shè)備，這些設(shè)備價(jià)格低廉，安裝方便。同時(shí)還提供了設(shè)備的詳細(xì)配置說(shuō)明和開(kāi)發(fā)接口介紹。使用微信APP來(lái)采集Beacon信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)停車場(chǎng)的智能化管理，節(jié)省了APP開(kāi)發(fā)成本。以微信瀏覽器為前端開(kāi)發(fā)展示平臺(tái)，克服了不同瀏覽器的兼容問(wèn)題，同時(shí)也避免在Android，iOS不同手機(jī)操作系統(tǒng)下操作產(chǎn)生的不一致性。

1.3 室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)前期準(zhǔn)備階段

（1）停車場(chǎng)經(jīng)營(yíng)人員需申請(qǐng)微信公眾號(hào)，并向騰訊申請(qǐng)獲取微信公眾平臺(tái)的開(kāi)發(fā)權(quán)限。

（2）繪制出停車場(chǎng)的平面結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)造室內(nèi)定位算法模型。根據(jù)室內(nèi)環(huán)境和障礙物的分布，依據(jù)定位精度級(jí)別進(jìn)行室內(nèi)算法模型的訓(xùn)練。根據(jù)Beacon技術(shù)資料反饋，在理想環(huán)境下，利用Beacon基站發(fā)射信號(hào)，移動(dòng)終端接收信號(hào)并反饋信息實(shí)現(xiàn)定位，精度可達(dá)厘米級(jí)[6]。對(duì)于文中室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度可設(shè)置為3～5 m。根據(jù)定位精度確定某一停車場(chǎng)的室內(nèi)定位算法模型，確定需要安裝藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)目及安裝位置。

（3）安裝Beacon設(shè)備后，通過(guò)公眾平臺(tái)添加設(shè)備，每添加一個(gè)設(shè)備即生成一組設(shè)備號(hào)。微信后臺(tái)會(huì)將設(shè)備號(hào)與真實(shí)的設(shè)備建立一一映射關(guān)系，完成Beacon設(shè)備和微信公眾號(hào)綁定的操作。打開(kāi)手機(jī)藍(lán)牙，進(jìn)入微信搖一搖界面，出現(xiàn)“周邊”即代表手機(jī)微信能收到此Beacon設(shè)備廣播的信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)包括公眾號(hào)后臺(tái)管理系統(tǒng)、Beacon技術(shù)定位系統(tǒng)、拍照上傳系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。具體系統(tǒng)功能如圖2所示。Beacon技術(shù)定位系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)造定位模型，采用三點(diǎn)定位法[7]或根據(jù)RSSI信號(hào)強(qiáng)度選用 K-近鄰算法[8]，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端用戶的定位。拍照上傳子系統(tǒng)檢測(cè)車位是否有車輛，若有車輛停放則拍照上傳圖像。數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)主要根據(jù)移動(dòng)端用戶位置信息完成目的路徑規(guī)劃，并生成應(yīng)用地圖，完成停車場(chǎng)內(nèi)的導(dǎo)航。根據(jù)上傳的車輛圖片完成車牌識(shí)別，建立車牌和車位映射關(guān)系。根據(jù)映射信息統(tǒng)計(jì)停車場(chǎng)空余車位的信息。數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)功能主要在云服務(wù)器端完成。

圖2 系統(tǒng)功能圖

2.2 系統(tǒng)硬件部署

基于Beacon與微信結(jié)合的停車場(chǎng)智能導(dǎo)航系統(tǒng)硬件包括若干Beacon設(shè)備、移動(dòng)終端設(shè)備（智能手機(jī)和PAD）、智能拍照設(shè)備，云服務(wù)器。其中Beacon設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的核心，應(yīng)用程序通過(guò)微信接口請(qǐng)求藍(lán)牙信號(hào)時(shí)，每隔一秒請(qǐng)求一次距離信息，直到距離數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再調(diào)用停止定位接口，并通過(guò)PHP將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器。拍照上傳子系統(tǒng)應(yīng)包括感應(yīng)裝置和攝像頭，由應(yīng)用程序?qū)ζ溥M(jìn)行設(shè)置，車輛進(jìn)入車位，感應(yīng)裝置觸發(fā)攝像頭拍照并上傳至云服務(wù)器。通過(guò)調(diào)整攝像頭角度完成車位的覆蓋。為保證拍照上傳子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這部分大多采用有線傳輸。云服務(wù)器可租用百度云、阿里云或騰訊云，他們能提供良好的PaaS服務(wù)，且無(wú)需專人維護(hù)。

2.3 系統(tǒng)的操作流程

系統(tǒng)操作流程如圖3所示。使用系統(tǒng)的前提條件是用戶需關(guān)注停車場(chǎng)公眾號(hào)，并打開(kāi)手機(jī)藍(lán)牙。

圖3 系統(tǒng)的操作流程圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)能較好地解決當(dāng)今社會(huì)面臨的用戶停車難、車位使用率卻不高的問(wèn)題，幫助用戶在停車場(chǎng)實(shí)現(xiàn)空余車位精準(zhǔn)導(dǎo)航以及提供反向?qū)ぼ嚪?wù)。本系統(tǒng)采用第三方微信APP完成信息交互，減少了用戶下載安裝APP的麻煩，同時(shí)節(jié)省了軟件的開(kāi)發(fā)成本。本系統(tǒng)的室內(nèi)導(dǎo)航地圖生成僅依據(jù)平面結(jié)構(gòu)圖完成基本路徑導(dǎo)航，若地圖導(dǎo)航完善為三維實(shí)景，可為用戶帶來(lái)更好的體驗(yàn)。但系統(tǒng)在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中也存在定位精度如實(shí)時(shí)性、信息安全性兩方面問(wèn)題。

（1）定位精度和定位實(shí)時(shí)性的問(wèn)題

對(duì)于非精準(zhǔn)感知位置服務(wù)（本系統(tǒng)室內(nèi)定位精度＜5 m即能滿足用戶需求），定位實(shí)時(shí)性要求不高（重點(diǎn)區(qū)域達(dá)到定位精度即可，比如停車入口處，用戶返回時(shí)尋車入口屬于重點(diǎn)區(qū)域），定位算法相對(duì)簡(jiǎn)單。可以適量減少Beacon設(shè)備數(shù)量，若要精準(zhǔn)定位（達(dá)到1 m之內(nèi)），同時(shí)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的定位實(shí)時(shí)性，則需加大Beacon設(shè)備數(shù)量的部署密度，但存在信號(hào)間干擾問(wèn)題，需采用更復(fù)雜的定位算法?，F(xiàn)今大型室內(nèi)停車場(chǎng)有的為多層結(jié)構(gòu)，地理環(huán)境復(fù)雜，為達(dá)到精度要求需構(gòu)造更復(fù)雜的定位算法模型，反復(fù)測(cè)試完善模型。

（2）信息的安全性問(wèn)題

由于Beacon協(xié)議開(kāi)放，其通信存在一定的安全隱患，任何人都可偽造相同ID的Beacon基站與應(yīng)用程序交互。因此保障通信安全尤為重要。

本系統(tǒng)采用微信APP完成信息交互，具有一定程度的局限性?？砷_(kāi)發(fā)專用APP來(lái)完成室內(nèi)定位導(dǎo)航系統(tǒng)客戶端的應(yīng)用軟件。目前本系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了某停車場(chǎng)的智能導(dǎo)航。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智慧城市、智慧交通已走進(jìn)我們的生活，如果集中管理整個(gè)城市的公共停車位，且各停車場(chǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可如百度地圖般可視化，則我們可通過(guò)APP隨時(shí)定位查詢各停車場(chǎng)的信息，并實(shí)現(xiàn)指定停車位的精準(zhǔn)導(dǎo)航。但此舉會(huì)涉及物管權(quán)及建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息能否公開(kāi)的問(wèn)題。隨著我國(guó)法制化建設(shè)越來(lái)越完善，這些問(wèn)題一定會(huì)得到妥善解決，為智能停車場(chǎng)的建立營(yíng)造良好的環(huán)境。

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[3]曹文靜.基于iOS的室內(nèi)定位體系的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：四川師范大學(xué)，2015：12-21.

[4] CSDN博客. iBeacon工作原理[EB/OL].[2014-09- 02]. http：//blog.csdn.net/qinxiandiqi/article/details/39004337

[5] Tencent. WeChat rocking around [EB/OL].[2015-01-28]. http：//zb.weixin.qq.com/.

[6]謝思遠(yuǎn)，羅圣沒(méi)，李偉華. 精準(zhǔn)室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].信息通信技術(shù)，2015（6）： 64-72

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