駱倩+施炯+李君

摘 要：室內(nèi)定位是定位技術(shù)不可分割的一部分。選取Estimote Beacon作為低功耗藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通用唯一標(biāo)識碼進(jìn)行周期性發(fā)送。Android Studio為集成開發(fā)環(huán)境，結(jié)合Android應(yīng)用程序，通過對接收的多個Estimote Beacon藍(lán)牙信號進(jìn)行三角定位運(yùn)算，確定Android設(shè)備的位置，并將結(jié)果顯示給用戶，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的精確定位。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；藍(lán)牙；Estimote Beacon；Android

中圖分類號：TP39；TN961 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

隨著人們對基于位置服務(wù)的需求與日俱增，定位導(dǎo)航的應(yīng)用需求已不僅僅滿足于室外，室內(nèi)定位正逐漸成為基于位置服務(wù)的研究熱點(diǎn)[1]。我國目前通過移動互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行位置服務(wù)請求日均已經(jīng)超過100億次[2]。

在室外空曠環(huán)境下，用戶完全能夠通過全球定位系統(tǒng)（GPS）獲得較精確的定位，因此市場價值和前景巨大[3]。但是受制于GPS的局限性，所以不能在室內(nèi)進(jìn)行精確定位。目前無線室內(nèi)定位技術(shù)已得到很多技術(shù)支持，應(yīng)用較為廣泛的有超聲波定位技術(shù)[4]、超帶寬定位技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、WiFi定位技術(shù)和藍(lán)牙定位技術(shù)等[5，6]。在低功耗藍(lán)牙和移動終端不斷發(fā)展和成熟的前提下，基于低功耗藍(lán)牙的室內(nèi)定位更成為研究熱點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)Estimote的推出，使得室內(nèi)定位的開發(fā)變得更加簡單。本文采用Estimote作為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，在Android設(shè)備上采集相應(yīng)的通用唯一標(biāo)識碼（Universally Unique Identifier，UUID）和接收信號強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）信息，在Android平臺上實(shí)現(xiàn)用戶定位。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要由多個Estimote藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（iBeacon）和Android手機(jī)構(gòu)成。其中，iBeacon根據(jù)實(shí)際場景需要布設(shè)在室內(nèi)，周期性地發(fā)布iBeacon廣播數(shù)據(jù)包。在具備藍(lán)牙LE模塊的Android終端設(shè)備上運(yùn)行設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位應(yīng)用程序，持有該設(shè)備的用戶可利用該應(yīng)用程序進(jìn)行定位。系統(tǒng)組成如圖1所示。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，將室內(nèi)定位系統(tǒng)擬分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)部署、客戶端數(shù)據(jù)采集、離散位置估計(jì)、目標(biāo)位置估計(jì)和客戶端UI顯示模塊等幾部分。

1.1 藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)Estimote

藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)Estimote硬件系統(tǒng)的內(nèi)部框架如圖2所示。Estimote擁有強(qiáng)大的ARM處理器，內(nèi)部由低功耗藍(lán)牙芯片、溫度傳感器、加速度計(jì)、天線、紐扣電池等組成。其中最核心的部分是nRF51822，它是來自Nordic的低功耗藍(lán)牙SoC芯片。nRF51822相較于其他低功耗藍(lán)牙而言，擁有極高的靈敏度和優(yōu)越的低功耗性能，是可用于BLE、2.4 GHz無線應(yīng)用且具有高性能、高靈活度特點(diǎn)的低功耗藍(lán)牙SoC芯片。

1.2 Android手機(jī)終端

Android是一種基于Linux的開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要用于移動設(shè)備。2016年，基于Android平臺的手機(jī)已占全球手機(jī)市場份額80%以上[7]。Android手機(jī)作為目前普遍使用的手機(jī)，在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要包括兩個方面，即在客戶端進(jìn)行信息采集的過程中使用；將手機(jī)作為定位顯示終端。

（1）Android手機(jī)作為定位顯示終端

根據(jù)定位算法，將計(jì)算獲得的定位目標(biāo)的絕對坐標(biāo)以特殊標(biāo)識顯示在客戶端的室內(nèi)二維導(dǎo)航地圖上。

（2）信息采集

客戶端的信息采集包含兩方面，一方面為藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的ID與RSSI值信息，為定位算法的實(shí)現(xiàn)提供具體參數(shù)；另一方面利用手機(jī)內(nèi)的微小加速度計(jì)提取加速度信息，繼而對移動目標(biāo)進(jìn)行速度估計(jì)。

2 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

利用Android智能手機(jī)的易操作特性，在多個藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的協(xié)助下，利用Android應(yīng)用程序從藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收信息，包括藍(lán)牙發(fā)送設(shè)備的ID號、接收信號強(qiáng)度指示和發(fā)射功率，結(jié)合三角定位算法，對藍(lán)牙手機(jī)進(jìn)行實(shí)時定位和定位信息顯示。

2.1 三角定位算法

現(xiàn)在目前的主流室內(nèi)定位技術(shù)大部分都基于RSSI定位算法進(jìn)行開發(fā)[8]。由于受運(yùn)動中環(huán)境的影響，RSSI偶爾會產(chǎn)生較大的跳躍，為減少由于測距偏差造成的實(shí)際定位錯誤，本文使用三角定位算法[9，10]。

三角定位算法指通過兩臺或兩臺以上的探測器在不同位置探測目標(biāo)的方位，然后利用三角幾何計(jì)算法確定目標(biāo)的位置和距離。

三角定位原理圖如圖3所示。已知3個藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)B1、B2、B3的位置，其中已知各點(diǎn)坐標(biāo)B1（x1，y1）、B2（x2，y2）、B3（x3，y3），用戶位置tag到各個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1、d2、d3。以藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為圓心，三個圓唯一的交點(diǎn)就是用戶位置tag（x，y）。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和用戶位置的關(guān)系見式（1）：

2.2 軟件設(shè)計(jì)整體流程

本系統(tǒng)的開發(fā)基于Eclipse+Android Development Toolkit（ADT）開發(fā)環(huán)境，可為用戶提供藍(lán)牙定位功能。應(yīng)用程序流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

（1）藍(lán)牙提醒

在程序開始運(yùn)行時，檢測用戶的Android設(shè)備是否支持低功耗藍(lán)牙、檢測用戶設(shè)備是否打開藍(lán)牙功能以及在用戶未打開藍(lán)牙時提醒用戶打開此功能，操作方便，節(jié)省時間。

（2）信標(biāo)節(jié)點(diǎn)列表

通過掃描周圍的藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)信息包括UUID、Major、Minor、距離、RSSI值等實(shí)時顯示在UI上。

（3）定位

通過Android設(shè)備和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的通信，經(jīng)計(jì)算獲得用戶位置，并顯示在應(yīng)用程序界面上。endprint

（4）信息顯示

對程序中顯示的一些數(shù)值的含義進(jìn)行解釋。

（5）單次測量

通過掃描和計(jì)算獲得當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的Minor和平均距離，以列表的方式顯示在應(yīng)用程序界面上。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)測量時，將藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)粘貼在教室的角落，打開手機(jī)上的應(yīng)用程序。若此時手機(jī)尚未打開藍(lán)牙功能，程序會提醒用戶打開，界面如圖5所示。若已打開藍(lán)牙功能，則直接進(jìn)入應(yīng)用程序的主界面，如圖6所示。

單擊“信標(biāo)節(jié)點(diǎn)列表”按鈕時，彈出圖7所示界面，顯示所有當(dāng)前掃描到的藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個數(shù)和信息，包括UUID號、Major編號、Minor編號，與手機(jī)的距離、位置等。

存在兩個及以上節(jié)點(diǎn)時，應(yīng)用程序可以通過三角定位算法，點(diǎn)擊“定位”按鈕進(jìn)行定位，界面顯示當(dāng)前位置信息，如圖8所示。該頁面顯示了所有當(dāng)前掃描到的藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)個數(shù)、地圖尺寸、掃描測量倒計(jì)時、重置、更改地圖尺寸?！爸刂谩卑粹o可對用戶位置進(jìn)行刷新，點(diǎn)擊“更改地圖尺寸設(shè)置”，利用按鈕可改變地圖大小，如圖9所示。

返回應(yīng)用程序的主界面，點(diǎn)擊“信息”按鈕，可顯示與應(yīng)用程序相關(guān)的術(shù)語解釋信息，如圖10所示。點(diǎn)擊“單次測量”按鈕，界面顯示當(dāng)前掃描到的藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的部分信息，包括節(jié)點(diǎn)的Minor編號、平均距離，如圖11所示。

4 結(jié) 語

藍(lán)牙信標(biāo)節(jié)點(diǎn)Estimote中集成了低功耗藍(lán)牙、加速度傳感器、溫度傳感器、紐扣電池等多種部件，為室內(nèi)定位提供了一個良好的信息采集平臺，降低了室內(nèi)定位開發(fā)的復(fù)雜程度。本文基于Estemote信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和Android系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和用戶信息采集，包括信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的UUID、RSSI值、Major、Minor等數(shù)值的采集，可通過定位算法計(jì)算得出用戶位置，并在應(yīng)用程序界面進(jìn)行顯示。解決了以往定位系統(tǒng)精確度低、響應(yīng)時間過長、可靠性低等諸多問題，并且本設(shè)計(jì)所用的藍(lán)牙功耗低、成本低，符合國家節(jié)能減排的發(fā)展要求。實(shí)驗(yàn)表明，所測試的數(shù)據(jù)均在誤差范圍內(nèi)，為今后室內(nèi)定位及相關(guān)應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

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