顧一凡，戴麗華

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州， 215104）

0 引言

為了追逐智能化，便捷化，微型化的潮流。為了解決一些復(fù)雜空間內(nèi)人員容易迷路走失的情況和導(dǎo)游式游覽導(dǎo)致的聽不到、聽不全介紹等問題。便設(shè)計了iBeacon智能導(dǎo)游系統(tǒng)。它是基于Android平臺開發(fā)的App，利用iBeacon作為信標(biāo)，組成信標(biāo)覆蓋網(wǎng)絡(luò)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給終端，通過終端對相關(guān)數(shù)據(jù)的處理從而實現(xiàn)定位導(dǎo)游的作用

它可以很好地解決以上問題。同時可以在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域進(jìn)行人性化的提示和講解（如：提示消息臺階、地滑等）。為用戶的安全提供了一定的保障，也兼顧身體殘疾的特殊用戶。使用戶進(jìn)行無障礙游覽的同時獲取某個區(qū)域一定的相關(guān)知識。該技術(shù)可以面向很多場景?？梢詾楣鞠蛐氯私榻B環(huán)境，為游客游覽場館提供了高效、便捷的智能服務(wù)，實現(xiàn)了導(dǎo)航介紹一體化。

1 智能導(dǎo)游系統(tǒng)框圖設(shè)計

圖1為系統(tǒng)的框圖設(shè)計。整個系統(tǒng)分為三個模塊，分別是，數(shù)據(jù)處理模塊、UI顯示模塊、數(shù)據(jù)庫模塊，數(shù)據(jù)處理模塊主要通過RSSI算法，蟻群算法等實現(xiàn)對傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理最后得到我們所在是位置坐標(biāo)。依據(jù)數(shù)據(jù)坐標(biāo)利用相關(guān)算法實現(xiàn)對多個路徑的智能篩選，從而實現(xiàn)智能導(dǎo)航的目的。UI模塊主要是起人機(jī)互動的作用，它以通俗易懂的顯示方式告知用戶所在位置，同時它集成了多種輔助功能（如：自定義節(jié)點添加、地圖導(dǎo)入等）可以適應(yīng)用戶的各種要求。數(shù)據(jù)庫模塊主要是存儲數(shù)據(jù)、地圖以及相關(guān)參數(shù)的，為數(shù)據(jù)處理提供后臺支持。三個模塊相互配合實現(xiàn)整個導(dǎo)游系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 智能導(dǎo)游算法設(shè)計

在整個算法設(shè)計上，主要注意數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，引入了多組數(shù)據(jù)處理篩選的算法，同時對已經(jīng)接收處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆運(yùn)算比對進(jìn)一步鞏固數(shù)據(jù)的可靠性，最后利用人工智能中的蟻群算法實現(xiàn)智能篩選路線的作用。

■2.1 RSSI測距算法及應(yīng)用

想要實現(xiàn)系統(tǒng)的定位與導(dǎo)游，就必須測算出信標(biāo)與終端之間的直線距離。本系統(tǒng)通過接收RSSI信號值推算信標(biāo)與終端的相對距離。

RSSI信號之所以可以測距是因為信號在傳輸過程中必定會有損耗，電磁信號也不例外。而測距就是利用的這一點。無線電波在介質(zhì)中傳播，隨著距離的不斷增加信號的強(qiáng)度也不斷地減弱。根據(jù)iBeacon信標(biāo)發(fā)出的固定功率和接收器接收的功率，通過信號與距離之間的衰減模型，就可以較為準(zhǔn)確地算出iBeacon信標(biāo)和信號接收器之間的距離。他們的衰減模型如圖2所示。

圖2 衰減模型

根據(jù)電磁低噪水平締造公式可以得出RSSI的無線信號衰減信號模型公式，如下所示：

其中，ρ(d)為距離信號發(fā)射器距離為d的接收器接收到的RSSI信號值，d則為發(fā)射器與接收器之間的距離。ρ(r)為距離信號發(fā)射器距離為r的接收器接收到的RSSI信號值，其為參考值一般不會變動。r為參考距離。η為環(huán)境因子，與傳播介質(zhì)有關(guān)，有障礙物時變動明顯。

■2.2 三角定位算法和三邊定位算法及應(yīng)用

三角定位算法是用來通過RSSI值以及SQLite數(shù)據(jù)庫中的信標(biāo)坐標(biāo)，計算出用戶所在坐標(biāo)的一種定位方式。三邊定位則是用來檢驗的，原理是對用戶移動產(chǎn)生的變化坐標(biāo)進(jìn)行取樣，利用三組或者三組以上的采樣坐標(biāo)進(jìn)行逆推導(dǎo)，推導(dǎo)信標(biāo)坐標(biāo)，與SQLite數(shù)據(jù)庫中的坐標(biāo)對比，從而判斷數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

假設(shè)三個信標(biāo)坐標(biāo)為A(xα,yα),B(xβ,yβ),C(xγ,yγ)，需要計算的終端坐標(biāo)為M(x,y)，建立定位數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 三角定位模型

通過之前的RSSI算法可以知道AM,BM.CM的距離為1r，2r，3r。列出三個距離公式：

這個方程組的解集即為終端M的坐標(biāo)。但是為了使坐標(biāo)更加的準(zhǔn)確，利用線性代數(shù)的方法做回歸分析，充分發(fā)揮每一個數(shù)據(jù)的價值，具體方法如下：

將第一個方程減第三個方程，第二個方程減第三個方程得：

寫成Ax=B的形式：

最后利用最小二乘估計法（Least square estimation）得到終端M坐標(biāo)。

在整個iBeacon信標(biāo)定位網(wǎng)絡(luò)中，會設(shè)立幾個固定的信標(biāo)驗算測試點，這些測試點均勻分布在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，并且它們與附近幾個信標(biāo)的距離為定值寫入數(shù)據(jù)庫中，假設(shè)測試點坐標(biāo)為A(xα,yα)，當(dāng)用戶帶著終端在網(wǎng)絡(luò)中移動時，系統(tǒng)會每隔一秒對終端所在坐標(biāo)和此時的RSSI值進(jìn)行取樣一次。將樣本中最近兩次取得的坐標(biāo)記為B(xβ,yβ),C(xγ,yγ)，建立驗算數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4 三邊定位算法模型

利用距離公式算出任意兩點之間的距離r，計算公式如下：

假設(shè)需要計算的信標(biāo)的坐標(biāo)為D(xδ,yδ) (未知)，AD 長度可以直接在數(shù)據(jù)庫中查的為L?，BD長度通過取樣的RSSI值得Lι，CD長度通過取樣的RSSI值得Lκ。通過余弦定理就可以求出∠ADB、∠BDC、∠CDA的值，推導(dǎo)過程如下：

以點A；B；D確定一個圓O2，并設(shè)其坐標(biāo)O2(x2,y2)。半徑為r2，通過等腰三角形的特性，可得：

根據(jù)圓的特性列以下方程組：

注：圓心坐標(biāo)O2(x2,y2)，半徑為r2。

同理可以算出圓心O1(x1,y1)和O3(x3,y3)；半徑r1和r3，再通過上述三邊定位算法即可得到D點終端坐標(biāo)。將D點終端坐標(biāo)和數(shù)據(jù)庫中終端坐標(biāo)對比，在一定誤差范圍內(nèi)則定位準(zhǔn)確，超出范圍則定位錯誤，自動舍棄定位結(jié)果，并上報維修人員。

■2.3 蟻群算法及應(yīng)用

有了坐標(biāo)接下來就是擬合最優(yōu)導(dǎo)游路線，本系統(tǒng)使用蟻群算法擬合最優(yōu)路徑。

算法大致是這樣的：首先會有幾只第一批螞蟻放入地圖當(dāng)中，這些螞蟻會邊移動邊釋放信息素。當(dāng)他們遇到分叉路口時，會隨機(jī)選擇其中一條路徑行走。在不同的路徑上行走會釋放不同的信息素。當(dāng)選擇的路徑距離長時，螞蟻釋放的信息素的濃度就會低。接著第二批螞蟻會釋放到地圖中，當(dāng)它們遇到岔路口時，將根據(jù)前面一批螞蟻留下的信息素濃度進(jìn)行選擇，他們會選擇信息素濃度高的地方行進(jìn)。最后信息素最多的那條路徑即為最佳路徑。詳細(xì)步驟如下：

第一步：初始化變量，首先初始化問題規(guī)模（信標(biāo)個數(shù)），其次定義完全圖的賦權(quán)鄰接矩陣，然后計算設(shè)置信息素矩陣，并計算啟發(fā)因子，最后設(shè)立迭代器，分別更新迭代次數(shù)，路線長度，路線最佳路線，平均路線。

第二步：利用隨機(jī)函數(shù)將m個螞蟻隨機(jī)投放入n個信標(biāo)中。

第三步：m只螞蟻依照概率函數(shù)選擇將要前往的下一個地點，完成自己的循環(huán)。記錄已訪問信標(biāo)（自己所在信標(biāo)不算），計算帶訪問信標(biāo)的概率分布。螞蟻選擇概率大的路徑，形成對應(yīng)的概率原則并且前往下一個地點。地點經(jīng)過螞蟻個數(shù)累加。

第四步：記錄本次迭代的最佳路線。計算出本輪螞蟻走過的最短路徑并迭代最佳路徑和路徑平均值。

第五步：更新信息素，開始時信息素為n＊n的0矩陣，之后在循環(huán)中增加(i, j)路徑上的信息素和整條路徑上的信息素。并更新信息素，以免信息素?fù)]發(fā)。

第六步：當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到了預(yù)先輸入的迭代次數(shù)后，整個禁忌表清空。

第七步：輸出結(jié)果。

通過這些步驟，系統(tǒng)就可以擬合出一條比較節(jié)約時間的道路，從而實現(xiàn)自動導(dǎo)游的效果。在MatLab上模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 導(dǎo)航節(jié)點優(yōu)化問題優(yōu)化結(jié)果和平均值與距離最短值比較

3 智能導(dǎo)游軟件程序設(shè)計

本課題研究的是iBeacon的定位導(dǎo)游系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的運(yùn)行要經(jīng)過：數(shù)據(jù)精細(xì)化處理，定位與核算，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)提取與存儲，UI顯示等一系列過程。

■3.1 數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化處理設(shè)計

對數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化處理分為基站處理和數(shù)據(jù)包處理兩方面：

基站處理：首先判斷附近基站的個數(shù)，本文利用.size方法，確定現(xiàn)在列表中基站的數(shù)量，然后通過數(shù)量進(jìn)行如下判斷：如果基站個數(shù)少于3個則返回不能定位，如果基站數(shù)量大于3個則取RSSI數(shù)值最大的3個進(jìn)行定位。

數(shù)據(jù)包處理：先對每一個擁有一樣Id的列表中的RSSI進(jìn)行冒泡排序，得到一個從小到大的RSSI的列表。如果RSSI數(shù)據(jù)個數(shù)小于三個則求其平均值。若RSSI數(shù)據(jù)個數(shù)大于等于3個則將新列表中的RSSI數(shù)據(jù)先去頭去尾，如果剩下的RSSI的值只有一個，那么這一個RSSI值直接返回list對象。如果RSSI的值的個數(shù)小于4個大于1個則取其中位數(shù)并返回list對象。如果RSSI的值的個數(shù)大于4個則返回list對象的值為：

其中k為RSSI數(shù)據(jù)總數(shù)。in為第i個RSSI數(shù)據(jù)值。

■3.2 定位與核算

通過上述處理好的RSSI數(shù)據(jù)組并結(jié)合SQLite數(shù)據(jù)庫中的信標(biāo)虛擬坐標(biāo)，利用三角定位算法可以計算出用戶終端對應(yīng)坐標(biāo)，系統(tǒng)會每隔一秒對終端所在坐標(biāo)和此時的RSSI值進(jìn)行取樣一次，利用兩個取樣的終端坐標(biāo)和一個測試點坐標(biāo)以及RSSI值，通過三邊定位算法回推信標(biāo)的實際坐標(biāo)，最后通過信標(biāo)的實際坐標(biāo)和信標(biāo)在SQLite中的虛擬坐標(biāo)進(jìn)行比對，如果在合理范圍內(nèi)則繼續(xù)輸出用戶坐標(biāo)，如果超出范圍將自動報告維修人員進(jìn)行檢修，并且不再采納上一組Id的信標(biāo)提供的數(shù)據(jù)。過程如圖6所示。

圖6 定位與核算

■3.3 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲與提取

如圖7所示，數(shù)據(jù)庫最重要的兩個功能莫過于數(shù)據(jù)的存儲與提取，在整個系統(tǒng)中，把要被提取的數(shù)據(jù)分為兩大類：必要系統(tǒng)存儲信息和非必要便捷存儲信息。必要系統(tǒng)存儲信息對應(yīng)整個系統(tǒng)來說是非常重要的，它關(guān)系到系統(tǒng)是否能正常運(yùn)作。在整個系統(tǒng)中信標(biāo)的虛擬坐標(biāo)、信標(biāo)的Id等信息都是必要系統(tǒng)存儲信息。而非必要便捷存儲信息則是為了方便用戶，實現(xiàn)人機(jī)交互等功能而存在的，它不會影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行，但會影響整個用戶的體驗。在整個系統(tǒng)中地圖存儲、下載功能對應(yīng)的數(shù)據(jù)等都是非必要便捷存儲信息的一部分。當(dāng)然，兩種存儲信息也有交集，例如下載模塊中的虛擬坐標(biāo)等。

圖7 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲與提取

■3.4 UI顯示

UI界面是底層代碼與用戶溝通的橋梁，一個優(yōu)秀的UI界面可以簡潔明了地顯示用戶所需要的信息。將整個APP的UI被分為4個模塊，分別為設(shè)備模塊，地圖模塊，添加模塊，下載模塊。設(shè)備模塊是用來告知用戶自己所在位置的，例如在×××樓×層××房間，定位功能也是在這個模塊表達(dá)的。用戶不僅可以通過這個模塊知道自己所在位置，而且可以通過該模塊知道附近的建筑名稱、房間、相對用戶的距離等信息。地圖模塊是用來告知用戶自己所在的建筑在整個建筑群中的具體位置的。它可以方便用戶尋找目的地建筑，同時在地圖模塊中會以點的形式出現(xiàn)在地圖上，使方向感不好的用戶也不容易走錯方向。UI界面如圖8所示。

圖8 設(shè)備模塊與地圖模塊

圖9 添加模塊和下載模塊

添加模塊是用來給用戶自定義的，其大大提升了該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，用戶可以通過自己輸入信標(biāo)的UUID，虛擬坐標(biāo)等信息實現(xiàn)信標(biāo)定位網(wǎng)絡(luò)的搭建。同時通過該功能也可以對已有網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)進(jìn)行重定義或更換，使信標(biāo)更換和重定義更加得方便快捷。下載模塊是為了提升系統(tǒng)應(yīng)用廣度的同時增加用戶群體，使看不懂參數(shù)不會DIY的用戶可以直接下載對應(yīng)地區(qū)的集成模塊使用。只需要知道所在環(huán)境的名稱，在下載模塊中尋找到這個模塊，一鍵下載就可以享受在該區(qū)域的定位導(dǎo)游服務(wù)。

4 創(chuàng)新與提升

整個研發(fā)過程中，對算法的要求比較高，主要研究了如何通過取樣后的逆向算法實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自我檢測，從而提高整個系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和智能化水平，這也是本文的創(chuàng)新所在。在設(shè)計之前查閱了大多數(shù)的資料，基本上以往所有的iBeacon定位系統(tǒng)都沒有自我檢測的功能，大部分都只是通過計算平均值之類的方法不斷地加強(qiáng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。本文算法不僅采納了以往提升數(shù)據(jù)精度的方法，還提出了檢測的方法，軟件依賴信標(biāo)定位，同時可以反向檢測信標(biāo)的位置是否有問題。

同樣在UI設(shè)計方面，改變了以往只有幾個按鈕的死板UI界面。加強(qiáng)了人機(jī)互動的能力。同時添加了以往APP都沒有的下載功能。使整個APP的局限性被打破，不像以往的APP，每到達(dá)一個新的地方都需要下載一個新的APP。而本軟件可以多場景使用，只要下載功能中有該地方的地圖。當(dāng)然為了方便一些專業(yè)人士和電子愛好者，也設(shè)計出了開發(fā)者模式（添加設(shè)備模塊），用戶可以利用自己的iBeacon進(jìn)行測試研究。

5 結(jié)語

為了彌補(bǔ)市內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航的信號缺陷，降低復(fù)雜空間內(nèi)人工導(dǎo)游的成本，解決導(dǎo)游式游覽導(dǎo)致的介紹內(nèi)容聽不清、聽不全等問題，提出并設(shè)計了iBeacon智能導(dǎo)游系統(tǒng)。它可以輕松實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的導(dǎo)航定位，并且可以實時向外界推送消息，從而實現(xiàn)智能引路，智能介紹的功能。同時可以在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域進(jìn)行人性化的提示和講解（如：提示消息臺階、地滑等）。為客戶的安全提供了一定的保障，也方便了一些身體殘疾的客戶。使客戶進(jìn)行無障礙游覽的同時獲取某個區(qū)域一定的相關(guān)知識。該技術(shù)可以面向很多場景。可以為公司向新人介紹環(huán)境，為游客游覽場館提供了高效、便捷的智能服務(wù)，實現(xiàn)了導(dǎo)航介紹一體化。