石志京，徐鐵峰，劉太君，劉明偉

（1. 寧波大學信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211；2. 寧波大學安捷倫聯(lián)合實驗室，浙江 寧波 315211）

基于iBeacon基站的室內(nèi)定位技術研究*

石志京1，徐鐵峰1，劉太君2，劉明偉1

（1. 寧波大學信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211；2. 寧波大學安捷倫聯(lián)合實驗室，浙江 寧波 315211）

提出了一種基于iBeacon基站的室內(nèi)定位方案。在該技術方案中，iBeacon基站由藍牙4.0模塊組建，在需要定位的室內(nèi)空間均勻部署一定數(shù)量的iBeacon基站，該基站周期性地向外界廣播自己獨有的與位置信息對應的UUID號。當持有藍牙終端設備的用戶進入該基站感應區(qū)，接收到基站廣播的UUID號及RSSI值，通過加權的三環(huán)定位算法即可對 用戶進行精確定位。實驗結果表明，該方案定位精度能達到2.5m以內(nèi)，滿足了絕大多數(shù)的室內(nèi)定位技術要求。

iBeacon基站 藍牙4.0 RSSI 三環(huán)定位算法

1 引言

現(xiàn)代社會中，室內(nèi)定位技術[1]越來越得到各領域的青睞。如超市里的基于位置服務的消息推送功能，需要精確定位客戶在商場中的位置才能給客戶準確地推送商品相關信息；又如在采礦領域中，必須精確定位工作人員在井下的位置才能在緊急時刻迅速地施以救援。然而，目前主流的GPS定位技術[2]主要用在室外場景，而在室內(nèi)環(huán)境下由于遮擋物的存在使無線信號發(fā)生折射、反射以及能量衰減[3]等現(xiàn)象，導致定位不準確甚至不能進行定位。由此，本文提出了一種高精度的室內(nèi)定位技術：基于iBeacon基站[4]的室內(nèi)定位技術。該技術將基站直接部署在室內(nèi)空間，解決了GPS定位不能解決的穿越遮蔽物導致定位偏差及無法穿透厚重遮蔽物等問題。

2 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)由一定數(shù)量的iBeacon基站和藍牙終端組成。其中，iBeacon基站核心控制器為TI公司的CC2540藍牙芯片。該芯片使用了最新的BLE4.0技術[5]，具有功耗小、時延低、傳輸距離遠的特點，最大限度地滿足了高精度室內(nèi)定位技術的要求。所有的基站都均勻地分布在所需定位的室內(nèi)空間中。當所需定位人員進入該空間中，通過手持藍牙終端接收到iBeacon基站發(fā)送的與位置相關的UUID號[6]和RSSI值[7]，通過加權的三環(huán)定位算法即可定位人員在室內(nèi)的坐標位置。

3 RSSI測距原理

本方案使用了基于接收信號強度RSSI值的測距方法，即通過藍牙終端接收到iBeacon基站發(fā)送的Measured_Power（與基站相距1m時的接收功率值）和經(jīng)過無線信道衰減后的RSSI值。根據(jù)無線信號在室內(nèi)空間中的傳播模型，最終計算出藍牙終端距離iBeacon基站的距離。

無線信號在自由空間中的傳播模型[8]為：

其中P(d)和P(d0)分別為藍牙終端距離iBeacon基站d米和d0米處的接收功率，單位為dBm；α[9]為無線信道衰減因子，同具體無線環(huán)境緊密相關；ξ[10]為一個均值為零，服從高斯分布的隨機變量。在iBeacon基站技術中固定d0為1m，P(d0)即為距離iBeacon基站1m處的接收信號強度值，其為一固定值。從而無線信號的傳播模型可簡化為：

其中TX和α為經(jīng)驗值，需要通過對大量測量數(shù)據(jù)進行擬合得到，RSSI值直接能從藍牙終端獲得，而d即為需要通過計算得到的與基站的直線距離。

4 定位算法

本系統(tǒng)定位算法采用加權的三環(huán)定位算法。已知各iBeacon基站的坐標為i1（i1x，i1y）、i2（i2x， i2y）、…、in（inx，iny），待定位人員坐標為（x，y），則具體算法步驟為：

首先，通過藍牙終端找到RSSI平均值最大的2個iBeacon基站，分別記為i1、i2，然后通過上述RSSI測距算法計算出藍牙終端距離i1、i2的距離，分別記為r1、r2，這2個值僅僅為計算值，與實際值存在偏差。假設該偏差值為t，因此藍牙終端距離i1、i2的實際距離分別分布在[r1-t，r1+t]和[r2-t，r2+t]的區(qū)間中。分別以r1±t、r2±t為半徑，以2個基站坐標為圓心來畫圓，可以得到2個相交的圓環(huán)。這2個圓環(huán)的相交有3種情況，具體如圖1所示，圖1中陰影部分即為目標對象所有的可能區(qū)域：

圖1 兩環(huán)相交圖

初步確定目標位置后，再通過藍牙終端找出RSSI平均值第3大的iBeacon，記為i3。計算出藍牙終端距離i3的距離，記為r3。以i3坐標為圓心，r3±t為半徑畫圓，可以得到第3個圓環(huán)。根據(jù)第3個圓環(huán)與前兩個圓環(huán)的相交區(qū)域可以進一步縮小目標對象的位置范圍，從而更精確地定位目標對象坐標。

在圖1（a）中，兩圓環(huán)相交部分有2塊，如圖中陰影部分s1，s2所示。第3個圓環(huán)與該兩個圓環(huán)相交必與s1，s2這2個陰影塊中某一塊有重疊。假設為s1，3個環(huán)相交圖如圖2所示。如此，目標對象的坐標便可得出，即為s1的加權[11]質(zhì)心坐標，權重為距離的倒數(shù)，因此圖1（a）中的最終目標位置為：

圖2 相交為四邊形

在圖1（b）中2個圓環(huán)相交部分只有1塊，以M N⌒弧中點Q為分割點將該陰影部分分為2個四邊形，如圖3所示。之后的處理方式跟圖1（a）中的處理方式相同。

圖3 相交為四邊形

圖1 （c）中2個環(huán)相交部分只有1塊，即為陰影部分s4。第3個圓環(huán)與該2個圓環(huán)有2種相交情況，分別如圖4、圖5所示。

圖4 相交為四邊形

圖5 相交為三角形

圖4 中，3個環(huán)的相交部分為四邊形，目標位置即為該四邊形的加權質(zhì)心位置，即

圖5中，3個環(huán)的相交部分為三角形，目標位置即為該三角形的加權質(zhì)心位置，即

5 測距及定位實驗

5.1 測距實驗

選擇了一個6×12m2的空曠房間作為實驗場地。首先進行測距實驗：固定一個iBeacon基站于該房間中，然后分別在距離該iBeacon基站1m、1.5m、2m、…、12m處設置測試點，共23個測試點。在每個測試點上，通過藍牙手機進行RSSI值采樣，每個點共采樣20次，即取20個RSSI樣本點。然后對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波[12]，刪除RSSI值最大和最小的各2個樣本點，對剩下的16個樣本點RSSI值取平均作為該測試點的最終RSSI值。對23個測試點進行測量后，得到最終的RSSI值與距離的對應關系如圖6所示：

圖6 RSSI值與距離d關系圖

對該測試曲線用RSSI=a+blg(d)對數(shù)函數(shù)模型進行擬合，最終得到該曲線擬合函數(shù)為：

5.2 定位實驗

在該6×12m2的空曠房間中部署6個iBeacon基站，然后再選取5個坐標值已知的點作為測試點，基站與測試點位置如圖7所示。在所有5個測試點上，通過RSSI值和上述擬合函數(shù)計算出測試點與最近的3個iBeacon基站的距離。然后通過加權的三環(huán)定位算法最終得出測試點的坐標位置，將該坐標值與實際坐標值作比較，比較結果如表1所示。

圖7 實驗場地圖

表1 實際坐標與計算坐標的比較結果

由表1可知該系統(tǒng)定位精度能達到2.5m以內(nèi)。

6 結束語

本文提出了一種基于iBeacon基站的室內(nèi)定位技術。首先通過RSSI值和擬合的RSSI值-距離函數(shù)，估算出目標對象與基站的直線距離；然后通過加權的三環(huán)定位算法計算出目標坐標的位置；最后通過實驗對該算法進行了驗證，可知該算法定位精度能達到2.5m以內(nèi)，能滿足絕大多數(shù)室內(nèi)定位技術的要求。

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石志京：碩士研究生就讀于寧波大學，研究方向為無線通信技術。

徐鐵峰：寧波大學教授，博士生導師，研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

劉太君：寧波大學教授，博士生導師，研究方向為無線通信技術、認知無線電收發(fā)信機。

Research on Indoor Positioning Technique Based on iBeacon Base Station

SHI Zhi-jing1, XU Tie-feng1, LIU Tai-jun2, LIU Ming-wei1
(1. Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2. Agilent Joint Laboratory of Ningbo University, Ningbo 315211, China)

A novel indoor positioning scheme based on iBeacon base station (BS) was proposed in this paper. In the proposed scheme, iBeacon BS is built by Bluetooth 4.0 module. iBeacon BSs are uniformly deployed in indoor space and these BSs periodically broadcast their own location information and the corresponding UUID. When a user with Bluetooth terminal device enters the induction zone of iBeacon BS, the user receives the UUID and RSSI broadcast by the BS. By means of the weighted three ring position algorithm, the user can be accurately positioned. Experimental results show that the precision of the proposed scheme reaches 2.5m to meet the most indoor positioning requirements.

iBeacon base station Bluetooth 4.0 RSSI position algorithm

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.07.019

TP36

A

1006-1010(2015)07-0088-04

石志京,徐鐵峰,劉太君,等. 基于iBeacon基站的室內(nèi)定位技術研究[J]. 移動通信, 2015,39(7): 88-91.

國家自然科學基金項目（61171040）；浙江省重大專項重點國際合作項目（2010C14007）；浙江省自然科學基金（Y1101270）

2015-01-11

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn