，， ，，

(1.蘇州科技大學(xué) 江蘇省建筑智慧節(jié)能重點實驗室，江蘇 蘇州 215009;2.蘇州市移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室，江蘇 蘇州 215009; 3.蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

0 引言

隨著微波通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷普及，人們對定位服務(wù)的要求越來越高，已經(jīng)不僅僅滿足于室外全球定位系統(tǒng)了。如今業(yè)已完善的全球定位系統(tǒng)已經(jīng)在作戰(zhàn)偵查[1]、軌道運輸[2]、農(nóng)業(yè)灌溉[3]和工程項目[4]等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但是GPS也有其技術(shù)劣勢，GPS在環(huán)境較為狹小復(fù)雜的地域，定位精度并不穩(wěn)定的[5]，無法完全實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的精確定位。

人們對室內(nèi)定位的呼聲越來越高，但是基于GPS定位的技術(shù)又無法滿足這以需求，對此，學(xué)術(shù)各界都提出了一些取代方案，總結(jié)下來有這樣幾種：使用Wi-Fi、超寬帶、ZigBee和iBeacon來實現(xiàn)室內(nèi)定位。在這些方案中，Wi-Fi定位可以說是應(yīng)用最為廣泛的了，很多現(xiàn)代建筑都已經(jīng)開始使用Wi-Fi基站實現(xiàn)初步的室內(nèi)定位系統(tǒng)，并且，大多數(shù)的移動平臺都支持使用Wi-Fi技術(shù)，這就帶來了將移動App作為客戶端的解決方案。盡管Wi-Fi定位具有很多技術(shù)優(yōu)勢，但是其存在的問題也是致命的。使用Wi-Fi的消耗較高，并且其信號本身容易受到外界無線干擾，且Wi-Fi定位存在較大的定位盲區(qū)[6]。超寬帶定位雖然能克服以上大部分的缺點，但其有線連接的方式已經(jīng)注定其無法被應(yīng)用于移動App[7]；ZigBee可以說是最好的替代技術(shù)，但是其成本過高，想要推廣使用很有難度。

對此，設(shè)計決定使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)iBeacon來設(shè)計方便快捷的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)。iBeacon是蘋果公司推出的一款先進(jìn)的定位技術(shù)，其信號質(zhì)量高，且基站小巧便捷又十分低耗環(huán)保[8]，加之主流的移動平臺都已支持iBeacon的開發(fā)，使得iBeacon開發(fā)已經(jīng)成為改善室內(nèi)定位系統(tǒng)的焦點[9-10]。此外，iBeacon還可被用于區(qū)分遠(yuǎn)近的概念，iPhone可以直接通過接收的信號自動得出與目標(biāo)物體的遠(yuǎn)近程度，可分為3個檔次，即遠(yuǎn)(far)、中(medium)、近(near)，從而使得iBeacon在目前基于位置的服務(wù)中的表現(xiàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于GPS+WiFi的組合，這也使得iBeancon+藍(lán)牙的組合在室內(nèi)導(dǎo)航的方面有了較大的發(fā)展前景。

1 算法設(shè)計

系統(tǒng)使用三邊定位算法，從所有基站信號強(qiáng)度rssi中，使用：

R=exp((-54.0 -rssi)/10.0)

(1)

計算手機(jī)到對應(yīng)發(fā)射基站的距離R，選取信號強(qiáng)度最大的3處或3處以上的基站到手機(jī)的距離Ri，列出如下方程組：

(2)

由式(1)可得到當(dāng)前用戶所在位置坐標(biāo)D(x,y)。

但是，室內(nèi)環(huán)境有諸多變數(shù)，很難出現(xiàn)完美的三圓交點。針對這種情況，設(shè)計使用最小二乘法來解決這個問題：

(3)

之后對公式(3)進(jìn)行化簡，可得到：

AX=b

(4)

X即需要求的未知點坐標(biāo)。各參數(shù)計算如下：

(5)

(6)

可以通過方程(7)求得定位坐標(biāo)X：

X=(ATA)-1ATb

(7)

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框架

圖1為系統(tǒng)的流程圖，如圖所示，室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)主要分為如下三部分：1)基于iBeacon基站的定位硬件系統(tǒng)；2)基于iOS平臺的室內(nèi)及室外定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)；3)基于前后端交互技術(shù)支持的地圖管理系統(tǒng)及用戶系統(tǒng)(編輯用戶資料及管理用戶的車輛)。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2.1.1 系統(tǒng)操作

用戶點擊打開App后，首先需完善個人信息，具體而言，需要填寫用戶名、密碼、選擇頭像和手機(jī)號等，點擊獲取驗證碼后提交便可完成注冊。使用注冊填寫的手機(jī)號和密碼進(jìn)行登錄，進(jìn)入用戶界面。如圖2所示，在主界面中，用戶可選擇添加管理車輛，填寫車牌及相關(guān)信息，一個用戶可以用多個車牌，點擊表格可以查看和刪除當(dāng)前車輛。同時，點擊編輯按鈕就可以修改自己的用戶信息了。進(jìn)入停車場選擇界面，用戶可以選擇直接預(yù)訂指定停車場的車位，也可以點擊導(dǎo)航按鈕直接進(jìn)入地圖界面。圖3為室外導(dǎo)航界面以及到達(dá)目的地后室內(nèi)導(dǎo)航的信息預(yù)覽界面。若用戶已選擇車位便會自動加載室外導(dǎo)航；若沒有，可以在地圖上選擇自己想去的停車位，點擊相應(yīng)大頭針進(jìn)行導(dǎo)航。在用戶達(dá)到目標(biāo)停車場后，系統(tǒng)將根據(jù)GPS定位自動加載該停車場的地圖。

圖2 用戶及停車場管理界面

圖3 室外及是室內(nèi)導(dǎo)航信息預(yù)覽界面

2.1.2 地圖選擇

圖4所示為室內(nèi)定位的流程圖，地圖的選取是整個流程中重要的一環(huán)。鑒于系統(tǒng)提供定位導(dǎo)航服務(wù)的停車場較多，并且將不斷補(bǔ)足，系統(tǒng)將所有停車場的地圖存儲在云端，以減小手機(jī)客戶端的存儲壓力，使得App看起來不臃腫。手機(jī)使用GPS獲取用戶位置并選取200米之內(nèi)距離用戶最近的停車場，使用URL向服務(wù)器發(fā)送請求加載該停車場的地圖，用戶只要打開室內(nèi)導(dǎo)航界面時就能看到該地圖了。

圖4 定位流程圖

2.1.3 室內(nèi)定位

應(yīng)用需要獲得用戶的藍(lán)牙功能授權(quán)，才能調(diào)用手機(jī)的藍(lán)牙接收周圍基站發(fā)出的廣播信號，通過應(yīng)用數(shù)據(jù)層處理之后得到用戶的實際坐標(biāo)，并將坐標(biāo)在地圖上顯示出來。當(dāng)用戶在前臺界面選擇了目的地并點擊“開始導(dǎo)航”后，地圖上會顯示出規(guī)劃的路徑，隨后會有語音提示信息，引導(dǎo)用戶前往相應(yīng)的停車場位，找到自己的車輛。

2.1.4 導(dǎo)航分析

室內(nèi)定位是精確室內(nèi)導(dǎo)航的基礎(chǔ)，用戶在停車場管理系統(tǒng)中選擇目的地后，應(yīng)用根據(jù)目的地和用戶當(dāng)前位置的關(guān)系，分析可通行區(qū)域并設(shè)計OPEN表(記錄帶擴(kuò)展的點)，然后運用A*算法:

F(n) =g(n) +h(n)

(8)

進(jìn)行最短路徑規(guī)劃，并通過JavaScript將這條路徑繪制在地圖中，之后會有語音提示輔助導(dǎo)航。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

基站使用以CC2541芯片為核心的藍(lán)牙模塊DX-BT05-A，該模塊支持藍(lán)牙4.0，該模塊相比于其他擁有32位核心ARMCPU的藍(lán)牙模塊，具有價格低廉、簡單易用的優(yōu)勢。模塊使用UART接口，可以直接通過AT指令設(shè)置藍(lán)牙模塊廣播信號的參數(shù)。

圖5給出了手機(jī)如何通過解析該基站廣播的數(shù)據(jù)包，提取出信號強(qiáng)度RSSI并交付數(shù)據(jù)處理層處理獲得基站與手機(jī)的距離的過程。然后系統(tǒng)通過一系列公式獲取當(dāng)前用戶的定位坐標(biāo)，隨后應(yīng)用將坐標(biāo)交付給程序的表現(xiàn)層并將坐標(biāo)解析、繪制在地圖中。

圖5 硬件系統(tǒng)流程圖

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

從運行平臺上分，軟件系統(tǒng)主要包括兩個平臺：前端使用iOS開發(fā)技術(shù)以及網(wǎng)頁形式的后臺管理系統(tǒng)，后端使用Web服務(wù)器結(jié)合數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理方式，圖6為功能模塊軟件前后端的職能劃分。前端主要包括以下幾個功能點，地圖選擇、基站數(shù)據(jù)解析與定位以及室內(nèi)導(dǎo)航。Web服務(wù)器提供地圖的調(diào)度功能，做到地圖的靈活切換，避免本地文件過多影響性能。

圖6 軟件框圖

3 測試分析

3.1 測試環(huán)境

圖7所示為算法的測試環(huán)境，其中真實環(huán)境為教學(xué)樓的地底停車場，停車場用圍障和立柱隔成一個個車位。在圖7的矢量圖中主要存在橘紅色的車位以及黃色的道路，黑色的邊線為圍障。

圖7 場景展示圖

3.2 測試平臺

在導(dǎo)航系統(tǒng)中，基站大多數(shù)依賴電池供電。表1所示為系統(tǒng)使用的藍(lán)牙模塊基站參數(shù)，基站可以使用5號電池供電，該電池理論上最大容量可以達(dá)到2700 mAH，若使用3節(jié)，且不計模塊的信號發(fā)射功率，則電池最大容量理論上可以持續(xù)供電12150小時，考慮到實際情況，電池一般可以使用半年左右，符合應(yīng)用需求。

表1 基站參物有所數(shù)表

通過抓取的數(shù)據(jù)包，可以分析其中應(yīng)該含有哪些信息。

服務(wù)器使用CentOS系統(tǒng)，在系統(tǒng)中安裝Tomcat作為Web服務(wù)器的容器，并使用 JavaEE完成所有服務(wù)搭建工作，由Tomcat處理網(wǎng)絡(luò)請求。在收到前端對地圖資源的請求后，相應(yīng)服務(wù)會先在數(shù)據(jù)庫中搜索相應(yīng)資源，然后將資源轉(zhuǎn)換為JSON返回給前端，如果沒有查找到資源，則返回查找失敗。

3.3 測試結(jié)果

3.3.1 基站性能測試

之前算法分析中提到距離與藍(lán)牙基站信號強(qiáng)度的關(guān)系，但是真實環(huán)境下仍然會有變數(shù)，需要采集數(shù)據(jù)繪制真實關(guān)系的圖表。圖8是在室內(nèi)測得的RSSI與距離的關(guān)系，通過該曲線，可以大致獲得A、n的估計值。由圖可知當(dāng)手機(jī)與藍(lán)牙模塊的距離在3米以內(nèi)時，RSSI的值隨著距離的變化幅度是比較明顯的，同時手機(jī)的定位也會更加精確。

圖8 RSSI與距離關(guān)系

通過測量獲得的關(guān)系式與實測數(shù)據(jù)，可以分析靜態(tài)定位誤差，表2給出了實際距離與藍(lán)牙實測數(shù)據(jù)、測試距離、定位誤差之間的關(guān)系。結(jié)合圖表可知，在3 m之內(nèi)系統(tǒng)測量的距離是比較準(zhǔn)確的，而在3 m之后系統(tǒng)誤差將超過2 m在距離基站4 m之內(nèi)，誤差率不超出25%，在超過5 m之后誤差就達(dá)到66%，超過50%誤差率將極大影響定位精度的。出現(xiàn)如此大的誤差，原因在于信號具有波動性，在同一位置上可以測量到信號強(qiáng)度在一個范圍內(nèi)波動，會帶給測量數(shù)據(jù)的不可靠性，但是將測量數(shù)據(jù)結(jié)合圖8的曲線變化變化規(guī)律可得，系統(tǒng)在3 m以內(nèi)的測量精度較高，并且在2 m左右的精度為最高。

表2 誤差分析表

考慮到定位時間對測算距離的影響，為了增加定位準(zhǔn)確度，測試采用在同一固定位置多次測量獲取數(shù)學(xué)平均值的方法重新測量了數(shù)據(jù)。圖9為在距離基站1.5 m處測試20 s獲得一段定位結(jié)果，并帶有誤差率隨著時間變化的曲線。由圖可知，在最初的4 s內(nèi)定位誤差超過了35%，但隨著時間推移，信號強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，距離測量的誤差率也保持在15%左右。由測試結(jié)果可知，如果要提高測量精度，可以在定位算法中加入一定延遲，以規(guī)避在最初的4 s內(nèi)定位的失準(zhǔn)問題。

圖9 單一基站定位折線圖

此外，人體的阻擋也會帶來信號強(qiáng)度的不穩(wěn)定性。表3表明測量的信號強(qiáng)度與未遮擋時信號強(qiáng)度的對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，信號強(qiáng)度在同一距離上比視距傳播多衰減到11 dB，并且平均下來將多衰減9 dB。如果用被遮擋時測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，圖10表明人體的遮擋會降低信號的強(qiáng)度，并且會影響曲線的走向，擾亂2～3 m之間的信號強(qiáng)度變化，造成測算距離有很大損失，可能影響定位精度。并且這個影響伴隨整個距離波段，造成定位點的閃動問題。

表3 人體遮擋定位結(jié)果

在實際應(yīng)用中，由于定位算法會使用多個基站的信號，而基站分布范圍較為廣泛，所以基站被人體完全遮擋的概率極小，通過軟件方法構(gòu)建濾波器，可盡量減少人體遮擋影響，可保證大多數(shù)基站數(shù)據(jù)的正常獲取，因此人體阻礙導(dǎo)致的定位誤差可以忽略。

圖10 在有無遮擋下信號的變化曲線

3.3.2 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)需要驗證是否已經(jīng)實現(xiàn)了室內(nèi)定位導(dǎo)航的功能，對此需要對應(yīng)用進(jìn)行實地應(yīng)用測試。系統(tǒng)需要確保使用定位和優(yōu)化算法計算得出的定位接近實際位置，這樣才能保證之后的導(dǎo)航運算不會發(fā)生較大的偏差。圖11展示了剛開始5 s時的定位誤差。可以看出定位精度誤差在系統(tǒng)啟動之時產(chǎn)生了峰值，但隨著更多基站的信號強(qiáng)度被接收和加入運算，定位誤差迅速減小并趨于平穩(wěn)。

圖11 5秒之內(nèi)的定位誤差

在室內(nèi)導(dǎo)航中，用戶將根據(jù)系統(tǒng)的導(dǎo)航結(jié)果移動，這時就要保證用戶移動狀態(tài)的定位精度。圖12展示了120 s持續(xù)定位的定位效果，剛開始誤差確實隨著移動而出現(xiàn)波動，但隨著移動狀態(tài)的固定，誤差也隨著平穩(wěn)下來。數(shù)據(jù)顯示平均誤差為1.65 m，由于信號強(qiáng)度始終在發(fā)生變化，且其本身具有跳躍的不穩(wěn)定性，所以定位精度也會在一段時間中受其影響而產(chǎn)生巨大的波動。

圖12 120秒內(nèi)的導(dǎo)航誤差

4 結(jié)論

通過對基站和系統(tǒng)的綜合測試，發(fā)現(xiàn)距離基站在3 m之，定位精度相對較高，誤差曲線較為平穩(wěn)，在系統(tǒng)綜合測試中，系統(tǒng)能在開啟定位后3 s內(nèi)逐步定位穩(wěn)定，最終經(jīng)過持續(xù)120 s的定位實驗，系統(tǒng)最大定位誤差不超過3 m，平均誤差為1.66 m，導(dǎo)航時有84.7%的概率誤差處于1.5 m左右，15.3%的概率誤差處于5 m之下。