石志京，徐鐵峰，劉太君，劉明偉

（1. 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211；2. 寧波大學(xué)安捷倫聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315211）

基于iBeacon基站的室內(nèi)定位技術(shù)研究*

石志京1，徐鐵峰1，劉太君2，劉明偉1

（1. 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211；2. 寧波大學(xué)安捷倫聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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(shù)方案中，iBeacon基站由藍(lán)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(dú)有的與位置信息對應(yīng)的UUID號(hào)。當(dāng)持有藍(lán)牙終端設(shè)備的用戶進(jìn)入該基站感應(yīng)區(qū)，接收到基站廣播的UUID號(hào)及RSSI值，通過加權(quán)的三環(huán)定位算法即可對 用戶進(jìn)行精確定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案定位精度能達(dá)到2.5m以內(nèi)，滿足了絕大多數(shù)的室內(nèi)定位技術(shù)要求。

iBeacon基站 藍(lán)牙4.0 RSSI 三環(huán)定位算法

1 引言

現(xiàn)代社會(huì)中，室內(nèi)定位技術(shù)[1]越來越得到各領(lǐng)域的青睞。如超市里的基于位置服務(wù)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(zhǔn)確地推送商品相關(guān)信息；又如在采礦領(lǐng)域中，必須精確定位工作人員在井下的位置才能在緊急時(shí)刻迅速地施以救援。然而，目前主流的GPS定位技術(shù)[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(hào)發(fā)生折射、反射以及能量衰減[3]等現(xiàn)象，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確甚至不能進(jìn)行定位。由此，本文提出了一種高精度的室內(nèi)定位技術(shù)：基于iBeacon基站[4]的室內(nèi)定位技術(shù)。該技術(shù)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(dǎo)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(lán)牙終端組成。其中，iBeacon基站核心控制器為TI公司的CC2540藍(lán)牙芯片。該芯片使用了最新的BLE4.0技術(shù)[5]，具有功耗小、時(shí)延低、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，最大限度地滿足了高精度室內(nèi)定位技術(shù)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(dāng)所需定位人員進(jìn)入該空間中，通過手持藍(lán)牙終端接收到iBeacon基站發(fā)送的與位置相關(guān)的UUID號(hào)[6]和RSSI值[7]，通過加權(quán)的三環(huán)定位算法即可定位人員在室內(nèi)的坐標(biāo)位置。

3 RSSI測距原理

本方案使用了基于接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI值的測距方法，即通過藍(lán)牙終端接收到iBeacon基站發(fā)送的Measured_Power（與基站相距1m時(shí)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(hào)在室內(nèi)空間中的傳播模型，最終計(jì)算出藍(lán)牙終端距離iBeacon基站的距離。

無線信號(hào)在自由空間中的傳播模型[8]為：

其中P(d)和P(d0)分別為藍(lán)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(guān)；ξ[10]為一個(gè)均值為零，服從高斯分布的隨機(jī)變量。在iBeacon基站技術(shù)中固定d0為1m，P(d0)即為距離iBeacon基站1m處的接收信號(hào)強(qiáng)度值，其為一固定值。從而無線信號(hào)的傳播模型可簡化為：

其中TX和α為經(jīng)驗(yàn)值，需要通過對大量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到，RSSI值直接能從藍(lán)牙終端獲得，而d即為需要通過計(jì)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(quán)的三環(huán)定位算法。已知各iBeacon基站的坐標(biāo)為i1（i1x，i1y）、i2（i2x， i2y）、…、in（inx，iny），待定位人員坐標(biāo)為（x，y），則具體算法步驟為：

首先，通過藍(lán)牙終端找到RSSI平均值最大的2個(gè)iBeacon基站，分別記為i1、i2，然后通過上述RSSI測距算法計(jì)算出藍(lán)牙終端距離i1、i2的距離，分別記為r1、r2，這2個(gè)值僅僅為計(jì)算值，與實(shí)際值存在偏差。假設(shè)該偏差值為t，因此藍(lán)牙終端距離i1、i2的實(shí)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(gè)基站坐標(biāo)為圓心來畫圓，可以得到2個(gè)相交的圓環(huán)。這2個(gè)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(biāo)對象所有的可能區(qū)域：

圖1 兩環(huán)相交圖

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

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(gè)圓環(huán)與該兩個(gè)圓環(huán)相交必與s1，s2這2個(gè)陰影塊中某一塊有重疊。假設(shè)為s1，3個(gè)環(huán)相交圖如圖2所示。如此，目標(biāo)對象的坐標(biāo)便可得出，即為s1的加權(quán)[11]質(zhì)心坐標(biāo)，權(quán)重為距離的倒數(shù)，因此圖1（a）中的最終目標(biāo)位置為：

圖2 相交為四邊形

在圖1（b）中2個(gè)圓環(huán)相交部分只有1塊，以M N⌒弧中點(diǎn)Q為分割點(diǎn)將該陰影部分分為2個(gè)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(gè)環(huán)相交部分只有1塊，即為陰影部分s4。第3個(gè)圓環(huán)與該2個(gè)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(gè)環(huán)的相交部分為四邊形，目標(biāo)位置即為該四邊形的加權(quán)質(zhì)心位置，即

圖5中，3個(gè)環(huán)的相交部分為三角形，目標(biāo)位置即為該三角形的加權(quán)質(zhì)心位置，即

5 測距及定位實(shí)驗(yàn)

5.1 測距實(shí)驗(yàn)

選擇了一個(gè)6×12m2的空曠房間作為實(shí)驗(yàn)場地。首先進(jìn)行測距實(shí)驗(yàn)：固定一個(gè)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(shè)置測試點(diǎn)，共23個(gè)測試點(diǎn)。在每個(gè)測試點(diǎn)上，通過藍(lán)牙手機(jī)進(jìn)行RSSI值采樣，每個(gè)點(diǎn)共采樣20次，即取20個(gè)RSSI樣本點(diǎn)。然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波[12]，刪除RSSI值最大和最小的各2個(gè)樣本點(diǎn)，對剩下的16個(gè)樣本點(diǎn)RSSI值取平均作為該測試點(diǎn)的最終RSSI值。對23個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行測量后，得到最終的RSSI值與距離的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示：

圖6 RSSI值與距離d關(guān)系圖

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

5.2 定位實(shí)驗(yàn)

在該6×12m2的空曠房間中部署6個(gè)iBeacon基站，然后再選取5個(gè)坐標(biāo)值已知的點(diǎn)作為測試點(diǎn)，基站與測試點(diǎn)位置如圖7所示。在所有5個(gè)測試點(diǎn)上，通過RSSI值和上述擬合函數(shù)計(jì)算出測試點(diǎn)與最近的3個(gè)iBeacon基站的距離。然后通過加權(quán)的三環(huán)定位算法最終得出測試點(diǎn)的坐標(biāo)位置，將該坐標(biāo)值與實(shí)際坐標(biāo)值作比較，比較結(jié)果如表1所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)場地圖

表1 實(shí)際坐標(biāo)與計(jì)算坐標(biāo)的比較結(jié)果

由表1可知該系統(tǒng)定位精度能達(dá)到2.5m以內(nèi)。

6 結(jié)束語

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

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石志京：碩士研究生就讀于寧波大學(xué)，研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)。

徐鐵峰：寧波大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

劉太君：寧波大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)、認(rèn)知無線電收發(fā)信機(jī)。

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(shù)研究[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(7): 88-91.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61171040）；浙江省重大專項(xiàng)重點(diǎn)國際合作項(xiàng)目（2010C14007）；浙江省自然科學(xué)基金（Y1101270）

2015-01-11

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn