車 敏，張紅梅

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

0 引 言

近年來，隨著情景感知和環(huán)境智能應(yīng)用的發(fā)展，人們在生活中對定位的需求越來越迫切。基于位置服務(wù)（LBS）的研究與應(yīng)用在國內(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運(yùn)營網(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)無法偵測到衛(wèi)星信號，故無法滿足人們對室內(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)動車數(shù)量迅速增長，越來越多的大型停車場相繼建立，停車場的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。由于停車場空間大、環(huán)境及標(biāo)志物類似、方向不易辨別等原因，用戶在停車場易迷失方向，既不易尋找車位，返回時也不易尋找車輛。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、停車場內(nèi)導(dǎo)航及反向?qū)ぼ嚨取?/p>

目前智能停車場大多實(shí)現(xiàn)了出入口車輛識別和停車?yán)U費(fèi)的智能化，但車位引導(dǎo)大多靠人工完成。基于室內(nèi)定位實(shí)現(xiàn)移動終端的導(dǎo)航停車應(yīng)用系統(tǒng)相對較少。常見的室內(nèi)無線定位技術(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)用場景。Beacon技術(shù)和WiFi技術(shù)更適合對用戶設(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)最大的問題在于無線信號受環(huán)境的影響較大，樓層之間的信號干擾較大，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)因其部署簡單、成本低、定位精度高等特性，為停車場內(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)識符，用128 bit表示，應(yīng)用程序通過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，占用16 bit，通過該字段應(yīng)用程序可知道感知者屬于哪一個特點(diǎn)的組，Minor為每個Beacon的次設(shè)備號，占用16 bit。通過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時參考接收信號的強(qiáng)度，占用8 bit。通過接收強(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)8.89億活動用戶，新興的公眾號平臺有1 000萬個。微信在我國移動應(yīng)用市場上具有越來越高的市場占有率。微信公眾平臺是騰訊公司2012年8月在微信的基礎(chǔ)上構(gòu)建的自媒體平臺，通過這一平臺，機(jī)構(gòu)和個人都可通過公眾賬號的形式向訂閱用戶推送信息及提供交互服務(wù)。微信為公眾號使用者提供了眾多開發(fā)接口，接口中有H5頁面，H5頁面制作簡捷，可通過微信JS-SDK獲取周邊設(shè)備信息接口，微信JS-SDK是微信公眾平臺面向網(wǎng)頁開發(fā)者提供的基于微信內(nèi)的網(wǎng)頁開發(fā)工具包。通過使用微信JS-SDK，網(wǎng)頁開發(fā)者可借助微信APP高效使用拍照、選圖、語音、位置等手機(jī)功能，同時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。

對于Beacon設(shè)備在市場上已有不少成熟的產(chǎn)品，微信開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)備價格低廉，安裝方便。同時還提供了設(shè)備的詳細(xì)配置說明和開發(fā)接口介紹。使用微信APP來采集Beacon信號，實(shí)現(xiàn)對停車場的智能化管理，節(jié)省了APP開發(fā)成本。以微信瀏覽器為前端開發(fā)展示平臺，克服了不同瀏覽器的兼容問題，同時也避免在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）停車場經(jīng)營人員需申請微信公眾號，并向騰訊申請獲取微信公眾平臺的開發(fā)權(quán)限。

（2）繪制出停車場的平面結(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，移動終端接收信號并反饋信息實(shí)現(xiàn)定位，精度可達(dá)厘米級[6]。對于文中室內(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，通過公眾平臺添加設(shè)備，每添加一個設(shè)備即生成一組設(shè)備號。微信后臺會將設(shè)備號與真實(shí)的設(shè)備建立一一映射關(guān)系，完成Beacon設(shè)備和微信公眾號綁定的操作。打開手機(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)包括公眾號后臺管理系統(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)通過構(gòu)造定位模型，采用三點(diǎn)定位法[7]或根據(jù)RSSI信號強(qiáng)度選用 K-近鄰算法[8]，實(shí)現(xiàn)移動終端用戶的定位。拍照上傳子系統(tǒng)檢測車位是否有車輛，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，完成停車場內(nèi)的導(dǎo)航。根據(jù)上傳的車輛圖片完成車牌識別，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)合的停車場智能導(dǎo)航系統(tǒng)硬件包括若干Beacon設(shè)備、移動終端設(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)備是整個系統(tǒng)的核心，應(yīng)用程序通過微信接口請求藍(lán)牙信號時，每隔一秒請求一次距離信息，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)注停車場公眾號，并打開手機(jī)藍(lán)牙。

圖3 系統(tǒng)的操作流程圖

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)能較好地解決當(dāng)今社會面臨的用戶停車難、車位使用率卻不高的問題，幫助用戶在停車場實(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，同時節(jié)省了軟件的開發(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，可為用戶帶來更好的體驗(yàn)。但系統(tǒng)在實(shí)際建設(shè)過程中也存在定位精度如實(shí)時性、信息安全性兩方面問題。

（1）定位精度和定位實(shí)時性的問題

對于非精準(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，用戶返回時尋車入口屬于重點(diǎn)區(qū)域），定位算法相對簡單?？梢赃m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)），同時實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的定位實(shí)時性，則需加大Beacon設(shè)備數(shù)量的部署密度，但存在信號間干擾問題，需采用更復(fù)雜的定位算法?，F(xiàn)今大型室內(nèi)停車場有的為多層結(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)測試完善模型。

（2）信息的安全性問題

由于Beacon協(xié)議開放，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_發(fā)專用APP來完成室內(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，如果集中管理整個城市的公共停車位，且各停車場的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可如百度地圖般可視化，則我們可通過APP隨時定位查詢各停車場的信息，并實(shí)現(xiàn)指定停車位的精準(zhǔn)導(dǎo)航。但此舉會涉及物管權(quán)及建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息能否公開的問題。隨著我國法制化建設(shè)越來越完善，這些問題一定會得到妥善解決，為智能停車場的建立營造良好的環(huán)境。

[1]蘇松， 胡引翠，盧光耀，等. 低功耗藍(lán)牙手機(jī)終端室內(nèi)定位方法[J].測繪通報(bào)，2015（12） ：81-84

[2]席瑞，李玉軍，侯孟書. 室內(nèi)定位方法綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2016，43（6）：1-6.

[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，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

[7]趙宇，周文剛. 基于智能手機(jī)的室內(nèi)定位[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2015，32（6）：91，135.

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