藍牙iBeacon的低功耗室內人員定位系統(tǒng)的設計

張秋平 趙婧雯 楊妍 盛麥

摘要：根據(jù)室內人員定位的需求，設計了本系統(tǒng)，系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分實現(xiàn)人員位置信號的采集和傳遞，軟件部分實現(xiàn)人員定位信息的顯示。硬件部分由藍牙標簽、人員定位基站、LoRaWAN網(wǎng)關組成;通過接收的信號強度指示RSSI進行計算判斷人員;軟件部分指客戶端通過APP掃描周圍藍牙設備顯示人員定位信息。經(jīng)測試，該系統(tǒng)實現(xiàn)了低功耗、低成本的人員定位功能。

關鍵詞：藍牙;iBeacon;低功耗;人員定位;LPWAN網(wǎng)關

中圖分類號：TP319? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）24-0103-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 概述

室內定位技術，指的是在室內環(huán)境中實現(xiàn)位置定位，主要采用無線通訊、基站定位、慣導定位等多種技術集成形成一套室內位置定位體系，從而實現(xiàn)人員、物體等在室內空間中的位置監(jiān)控。GPS定位主要是針對室外定位，但是由于建筑物遮擋，使GPS定位技術難以在室內定位展開實際應用;隨著科技的進步和人們生活水平的逐步提高，精確定位的需求越來越迫切，急需另一種方案來補充室內定位，藍牙iBeacon硬件具有成本低、功耗小、工作時間長、易部署等特點，適用于低功耗室內人員定位系統(tǒng)設計。

2 工作原理

低功耗藍牙iBeacon技術則更適用于室內定位系統(tǒng)，在室內定位人員和物體，iBeacon技術可以很好的判斷具體方位，實現(xiàn)接收、傳輸、存儲、上傳信息甚至掃描、定位用戶等多種功能。iBeacon一項低耗能藍牙技術，工作原理類似之前的藍牙技術，由Beacon發(fā)射信號，藍牙設備定位接受，反饋信號。當用戶進入、退出或者在區(qū)域內徘徊時，Beacon的廣播有能力進行傳播，可通過接收的信號強度指示RSSI計算用戶和Beacon的距離，由此可知，只要有三個Beacon設備即可定位，本系統(tǒng)采用Trilateration三邊測量定位。三邊測量是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自定位的重要方法，是一種易于實現(xiàn)、開銷較小的定位算法。三邊測量定位算法是通過三個錨節(jié)點坐標信息和待定位節(jié)點到錨節(jié)點距離信息來計算待定位的坐標。

本系統(tǒng)是低功耗室內定位系統(tǒng)，設計能夠在室內人員定位，采用基于藍牙的iBeacon技術通過LPWAN網(wǎng)關低功耗遠距離傳輸，具有定位精度高、功耗低距離遠。系統(tǒng)總體功能有四個，對施工場地工作人員是否按時到崗的監(jiān)測;對施工人員和巡視員工作情況數(shù)據(jù)上傳;對人員數(shù)據(jù)保存及查詢;對用戶管理。

3 硬件設計

該系統(tǒng)由如下幾個設備組成： BeaconSense藍牙標簽以相同的發(fā)送功率發(fā)送ibeacon格式廣播信息，當工作人員移動時，人員標簽的運動檢測功能將檢測到該移動狀態(tài)，并通過廣播信號向外廣播該工作人員移動狀態(tài);BeaconSense人員定位基站接收BeaconSense人員標簽發(fā)送的ibeacon格式廣播信息，記錄人員的UUID、RSSI和狀態(tài)等ID信息，BeaconSense人員定位基站向LoRaWAN網(wǎng)關發(fā)送人員狀態(tài)消息; loraWAN網(wǎng)關是高度集成低功耗無線控制模塊，主要采用LoRa專利遠程調制解調技術，起到網(wǎng)關的作用。系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，云管理平臺可以用過這些信標找到相對應工作人員所在的位置。硬件設備如圖1所示。

本項目主要主要涉及到的硬件設備有：BeaconSense藍牙標簽、BeaconSense人員定位基站、loraWAN網(wǎng)關、通信模式、客戶端開發(fā)軟件。對應模塊及功能如下：

1）BeaconSense藍牙標簽：BeaconSense藍牙標簽在靜止狀態(tài)下自動進入低功耗狀態(tài)，周期性地以相同的發(fā)送功率發(fā)送ibeacon格式廣播信息，人員定位基站周期性采集其信號覆蓋范圍內的人員廣播信息。當工作人員移動時，人員標簽的運動檢測功能將檢測到該移動狀態(tài)，并通過廣播信號向外廣播該工作人員移動狀態(tài)。

2）BeaconSense人員定位基站：BeaconSense人員定位基站接收BeaconSense人員標簽發(fā)送的ibeacon格式廣播信息，記錄人員的UUID、RSSI和狀態(tài)等ID信息，通過內置的濾波算法和門限判斷算法確定標簽是否處于人員定位基站信號覆蓋范圍內，當發(fā)現(xiàn)有人員移動/離開該范圍時，BeaconSense人員定位基站向Easylinkin LoRaWAN網(wǎng)關發(fā)送人員狀態(tài)消息。人員定位基站會定期發(fā)送處于監(jiān)測范圍內的人員標簽狀態(tài)信息及人員定位基站工作/休眠時間統(tǒng)計等信息。

3）loraWAN網(wǎng)關：LoRaWANModule（以下稱LWM）是高度集成低功耗無線控制模塊，主要采用LoRa專利遠程調制解調技術，內置STM32L系列CPU，用于超長距離擴頻通信，其在最大限度地降低電流消耗的同時，又大幅提高 了抗干擾性和靈敏度。此外，其高靈敏度與功率放大器的集成使這些器件的鏈路預算達到了行業(yè)領先水平，成為遠距離傳輸和對可靠性要求極高的 應用的最佳選擇。

4 軟件設計

4.1 網(wǎng)絡實現(xiàn)

BeaconSense人員定位標簽周期性發(fā)送iBeacon協(xié)議的廣播信號，信號包含人員ID等各種信息，BeaconSense人員定位基站中內置藍牙信號接收器和LoRaWAN模塊，人員定位基站采集人員標簽發(fā)送的廣播信號，通過對接收RSSI進行計算判斷人員標簽是否處于人員定位基站的信號覆蓋范圍內，通過LoRaWAN向Easylinkin LoRaWAN網(wǎng)關發(fā)送人員標簽的廣播信息， Easylinkin LoRaWAN網(wǎng)關將信息轉發(fā)給Easylinkin云平臺， Easylinkin云平臺進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分發(fā)和應用層處理本系統(tǒng)的拓撲圖如2所示。

4.2 解析數(shù)據(jù)，進行應用開發(fā)

系統(tǒng)通過函數(shù)private boolean fromScanData（byte[] scanData， IBeaconRecord record）監(jiān)聽回調，，解析藍牙數(shù)據(jù)流。掃描結果放在mapBltScanResult里，該HashMap的key由設備Mac地址和名稱組成（address_name），value是個ArrayList，記錄著該藍牙設備多次掃描得到的信息（IBeaconRecord）序列，請求定位服務或本地計算定位之前，這些序列要進行平均處理（其實只是平均rssi值）。經(jīng)過RSSI值多次平均處理后，一定程度上減小藍牙設備不穩(wěn)定因素。

客戶端App開發(fā)，客戶端App主要功能就是掃描周圍藍牙設備，將設備列表信息上傳定位服務器，從而獲得定位效果，并展現(xiàn)給終端用戶。 使用Android 4.3系統(tǒng)Jelly Bean中支持BLE，從此后可以運用BLE為相互連接的設備開發(fā)App。先要確定App所需權限（AndroidManifest.xml文件），創(chuàng)建beacon數(shù)據(jù)項類，接著通過創(chuàng)建掃描工具類，對藍牙節(jié)點進行掃描，搜索藍牙節(jié)點的設備信息，然后請求定位服務，最后監(jiān)聽回調，解析藍牙數(shù)據(jù)流，定位信息顯示在APP界面上。

5 系統(tǒng)測試

在該系統(tǒng)的硬件搭建和軟件調試后，設計并實現(xiàn)了基于藍牙的iBeacon技術的大型會議室人員定位跟蹤系統(tǒng)，顯示巡視人員和工作人員在大型會議室的位置，操作人員工作區(qū)域設置為001，085號，室內放置iBeacon基站，紅色部分為監(jiān)督員巡視路線。會議通過LPWAN網(wǎng)關低功耗遠距離傳輸，具有定位精度高、功耗低距離遠等優(yōu)勢，工作界面如圖1所示。

由于此定位系統(tǒng)采用的是藍牙+iBeacon，其功耗非常低，這讓室內定位系統(tǒng)續(xù)航能力非常強，在對于許多方面的應用非常好，在對人或物定位時不必擔心系統(tǒng)沒電，也不用經(jīng)常性的去更換硬件，相比人工監(jiān)控成本更低，更加實用，因此其有一定的應用價值。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】