低功耗藍(lán)牙手機(jī)終端室內(nèi)定位方法

蘇　松，胡引翠，盧光耀，董　碩，李曉進(jìn)，劉長宏

(1. 河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北省 石家莊 050016； 2. 河北師范大學(xué)旅游

學(xué)院，河北 石家莊 050016)

Indoor Localization Method with the Low Power-consuming

Bluetooth Mobile Phone Terminals

SU Song,HU Yincui,LU Guangyao,DONG Shuo,LI Xiaojin,LIU Changhong

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低功耗藍(lán)牙手機(jī)終端室內(nèi)定位方法

蘇松1，胡引翠1，盧光耀1，董碩2，李曉進(jìn)1，劉長宏1

(1. 河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北省 石家莊 050016； 2. 河北師范大學(xué)旅游

學(xué)院，河北 石家莊 050016)

Indoor Localization Method with the Low Power-consuming

Bluetooth Mobile Phone Terminals

SU Song,HU Yincui,LU Guangyao,DONG Shuo,LI Xiaojin,LIU Changhong

摘要：為滿足高精度室內(nèi)定位的需求，提出了基于地圖匹配技術(shù)和指紋技術(shù)的高精度室內(nèi)藍(lán)牙定位方法。該方法以低功耗藍(lán)牙手機(jī)終端為指紋采集和定位媒介，通過獲取藍(lán)牙信號強(qiáng)度參數(shù)，并與室內(nèi)地圖進(jìn)行匹配處理，建立藍(lán)牙信號指紋庫。在定位階段，通過手機(jī)終端獲取附近藍(lán)牙信號強(qiáng)度信息，與指紋進(jìn)行對比。在位置計算過程中，采用地圖匹配技術(shù)，通過空間疊加分析過濾后確定手機(jī)終端的空間位置。本文選取了一典型商業(yè)環(huán)境，通過測試，當(dāng)藍(lán)牙錨點部署密度間隔15 m時，平均定位精度在3 m以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；藍(lán)牙；iBeacons；指紋數(shù)據(jù)；地圖匹配

一、引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)和移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代人們生活對定位的需求越發(fā)明顯。當(dāng)前社會的定位越發(fā)趨向于對室內(nèi)定位的需求，相對于室外定位發(fā)展成熟，室內(nèi)定位無疑還在起步階段。人類生活休閑的場所越來趨向于大規(guī)模的大型休閑娛樂購物中心；隨著私家車數(shù)量的不斷增長，露天停車場的車位供給量明顯不夠，大型的地下停車場已經(jīng)開始流行；伴隨人口的增長，綜合性的大型醫(yī)療中心也日益增多。在這些大規(guī)模的室內(nèi)環(huán)境迅猛發(fā)展的情況下，室內(nèi)定位更加突顯其重要性。通過室內(nèi)定位，一方面可以獲知或賦予特定主體位置信息；另一方面可以監(jiān)控或?qū)崟r跟蹤特定主體的位置信息[1]。當(dāng)災(zāi)難來臨時，室內(nèi)定位同樣會發(fā)揮舉足輕重的作用，如火災(zāi)發(fā)生的情況下，室內(nèi)定位可以為消防人員提供火勢下復(fù)雜的室內(nèi)空間格局，避免不必要的人員傷亡。室內(nèi)定位的應(yīng)用涉及眾多領(lǐng)域，這都催生著室內(nèi)定位發(fā)展的快速前進(jìn)。

二、室內(nèi)定位發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前常用的室內(nèi)定位技術(shù)主要有超聲波技術(shù)、紅外線技術(shù)、超寬帶(UWB)、射頻識別(RFID)、ZigBee、Wlan、光跟蹤定位、移動通信定位、藍(lán)牙定位、地磁定位。

超聲波定位精度可以達(dá)到厘米級，但是超聲波衰減明顯，影響定位有效范圍。

紅外定位精度可達(dá)到5~10 m。但紅外線在傳輸過程中易受物體或墻體阻隔且傳輸距離較短，定位系統(tǒng)復(fù)雜度較高，有效性和實用性較其他技術(shù)仍有差距。

UWB定位，其準(zhǔn)確度通常情況下不超過15 cm。但是其本身還不成熟，主要問題是UWB系統(tǒng)占用的帶寬很高，可能會干擾現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)。

RFID室內(nèi)定位準(zhǔn)確度為1~3 m。缺點是：標(biāo)識的體積比較小，需要特定的識別設(shè)備，作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)中。

Zigbee技術(shù)定位精度可達(dá)到米級。由于受室內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境影響，建立準(zhǔn)確的傳播模型非常困難，因此ZigBee定位技術(shù)的定位精度受較大的限制。

WLAN定位精度可達(dá)到5~10 m。WiFi定位系統(tǒng)具有架設(shè)成本較高、功耗較大等弱點，阻礙了室內(nèi)定位技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

光跟蹤定位一般定位準(zhǔn)確度為2~5 m。但由于其本身的特點，要實現(xiàn)高精度的光定位技術(shù)，必須配備光傳感器，且對傳感器方向性要求較高。

移動通信定位精度不高，其精度取決于移動基站的分布及覆蓋范圍的大小。

地磁定位的定位精度優(yōu)于30 m。磁傳感器是決定地磁導(dǎo)航定位的關(guān)鍵因素，精確的環(huán)境磁場基準(zhǔn)圖、可靠的磁信息匹配算法也是十分重要的。高精度地磁傳感器過高的成本阻礙了地磁定位的普及發(fā)展。

藍(lán)牙定位技術(shù)適用于測量短距離，功耗較低，主要應(yīng)用于小范圍定位，精確度為1~3 m，有中等的安全性和可靠性。藍(lán)牙設(shè)備體積小，易于集成在PDA、PC及手機(jī)中，因此很容易推廣普及。對于持有集成了藍(lán)牙功能移動終端設(shè)備的客戶，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟，藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行位置判斷。采用該技術(shù)作室內(nèi)短距離定位時容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號傳輸不受視距的影響。

相比其他幾種流行的室內(nèi)定位方法，采用低功耗藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)定位方法具有成本低、部署方案簡單、響應(yīng)速度快等技術(shù)特點，加之手機(jī)設(shè)備廠商對藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的大力推廣，因而具有更好的發(fā)展前景。

自藍(lán)牙1.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范頒布至今，涌現(xiàn)出了多種基于藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位的方法，包括基于范圍檢測的方法、基于信號傳播模型的方法、基于場強(qiáng)指紋匹配的方法[2]等。基于范圍檢測的方法定位精度較低，定位精度在5~10 m；基于信號傳播模型的方法定位精度在3 m左右；基于場強(qiáng)指紋匹配的方法定位精度在2~3 m。

iBeacons是基于藍(lán)牙4.0中BLE(藍(lán)牙低功耗)的特性發(fā)展而來的。隨著藍(lán)牙4.0版本中BLE技術(shù)的發(fā)布及蘋果公司的大力推導(dǎo)，iBeacons應(yīng)用已成為現(xiàn)在最熱門的技術(shù)。現(xiàn)在，很多智能硬件也開始支持BLE的應(yīng)用，特別是新上市的手機(jī)，BLE已成為標(biāo)準(zhǔn)配置。因此，利用BLE技術(shù)進(jìn)行手機(jī)室內(nèi)定位成為當(dāng)今室內(nèi)LBS應(yīng)用的熱點。在藍(lán)牙定位方法中，以基于場強(qiáng)指紋匹配的方法精度最高，并得到廣泛應(yīng)用。

張浩等[3]改寫了藍(lán)牙固件程序，采用RSSI檢測的方法，在服務(wù)端解算手機(jī)終端的位置，并通過網(wǎng)絡(luò)將該位置反饋到手機(jī)終端。該方法依賴于定制化藍(lán)牙固件和網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境。

李娟娟[4]通過建立點對點鏈路連接采集室內(nèi)環(huán)境指紋，定位區(qū)域內(nèi)每隔1 m采集一個指紋庫，定位階段采用模糊數(shù)學(xué)的方法，通過模糊隸屬度分析來解決指紋數(shù)據(jù)高維和不穩(wěn)定性的問題。該定位方法定位參考點采集過于密集，現(xiàn)場實施采集效率低。

江德祥等提出了基于KRR的免標(biāo)定定位算法[5]，利用藍(lán)牙錨點間的信號強(qiáng)度和坐標(biāo)建立回歸模型，實現(xiàn)自適應(yīng)定位，試驗測定平均誤差為1.25 m[6]。這種定位方法必須事先輸入藍(lán)牙錨點的位置，不適宜對陌生環(huán)境的定位。

王睿等針對單一模型定位精度低的問題，提出了藍(lán)牙和WiFi融合的定位方法，該方法通過最近鄰和網(wǎng)格計算的方法進(jìn)行決策融合實現(xiàn)定位[7]。這種定位方法要求必須同時部署WiFi和藍(lán)牙環(huán)境。用于定位的手機(jī)必須同時開啟藍(lán)牙和WiFi。

基于場強(qiáng)指紋匹配方法的定位精度取決于兩個方面：一是參考點場強(qiáng)指紋的差異化特征；二是定位解算時對指紋匹配度的判定。一方面，筆者通過采用夾角余弦的方法提取參考點的特征向量，并對其進(jìn)行克里金空間插值，制作室內(nèi)空間指紋格網(wǎng)；另一方面，在指紋匹配度判定過程中采用方法，并通過室內(nèi)地圖的空間約束來提高定位精度。

三、定位算法

1. 指紋數(shù)據(jù)采集處理方法

首先設(shè)立參考點，在參考點位置，以手機(jī)藍(lán)牙獲取藍(lán)牙錨點的信號強(qiáng)度，建立初始樣本數(shù)據(jù)庫。

其次，對初始樣本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理。由于信號強(qiáng)度會受到室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境及采集設(shè)備自身信號的不穩(wěn)定等因素影響，會產(chǎn)生RSSI值異常。在數(shù)據(jù)處理過程中，將這些異常值刪除，以保證指紋數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性。

然后，利用夾角余弦的方法，提取參考點指紋特征。

最后，利用克里金插值方法，建立指紋格網(wǎng)[8]。

如圖1所示，黑色點為指紋特征點,根據(jù)指紋特征點插值后得到指紋數(shù)據(jù)。

圖1　克里金插值得到的指紋數(shù)據(jù)

2. 定位解算方法

采用K—近鄰算法[9]，將定位點RSSI值與指紋數(shù)據(jù)庫作比對，根據(jù)設(shè)定的閾值計算得出數(shù)據(jù)庫最相似指紋數(shù)據(jù)點，賦值給定位點完成定位。

在室內(nèi)定位過程中，將指紋視作N維空間。具有藍(lán)牙功能的手機(jī)終端設(shè)備掃描周圍的所有藍(lán)牙錨點時，會得到一個N維指紋數(shù)據(jù)點A，將點A與指紋數(shù)據(jù)庫的參考指紋格網(wǎng)點進(jìn)行N維空間距離計算，從中取最小的距離值，那么這個最小距離對應(yīng)的參考指紋格網(wǎng)點的空間坐標(biāo)即是點A的最近似位置C。將C與室內(nèi)地圖進(jìn)行疊加分析，如果點C落入室內(nèi)空間限制區(qū)域，將參考上次定位結(jié)果，將其移位到上次定位附近非限制區(qū)[10]。如圖2所示,黑色點為定位點C實際坐標(biāo)位置點，其位置落在限制區(qū)水景內(nèi)，但實際上該區(qū)域是禁止入內(nèi)區(qū)域，因此需要進(jìn)行地圖匹配，根據(jù)地圖的限制性屬性進(jìn)行識別判斷，按照設(shè)定好的距離閾值將C移位到水景以外的可達(dá)區(qū)域，圖中的灰色點為地圖匹配后的定位點C坐標(biāo)。

圖2　地圖匹配后的定位效果

四、定位方法驗證

1. 試驗場地環(huán)境描述

本試驗場地環(huán)境設(shè)在正常營業(yè)的商業(yè)網(wǎng)點，店內(nèi)有空曠的大廳、玻璃幕墻、屏風(fēng)隔斷、單間和水景。在店內(nèi)以15 m左右間隔安裝iBeacon設(shè)備。

2. 指紋采集

首先開發(fā)無線指紋采集工具。無線指紋采集工具是一個基于手機(jī)終端的無線網(wǎng)絡(luò)掃描和管理軟件。

該軟件可用于采集iBeacon數(shù)據(jù)指紋，能掃描接收到的iBeacon的UUID，記錄相應(yīng)信號強(qiáng)度，并按一定格式存儲為初始指紋文件。

在采集初始指紋數(shù)據(jù)之前，需要制作室內(nèi)區(qū)域的地圖，在地圖上指定參考點的位置，然后采集該位置點的指紋數(shù)據(jù)，以確保參考點位置的精確性。

采集結(jié)束后的指紋點會顯示在地圖上，如圖3所示。地圖上標(biāo)注點即為采集得到的指紋點，每條路段的這些指紋點匯集成定位需要的指紋數(shù)據(jù)庫。

圖3　指紋點采集

3. 指紋數(shù)據(jù)的處理

采集數(shù)據(jù)過程中，受室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境與iBeacon自身信號的不穩(wěn)定等因素的影響，會產(chǎn)生個別RSSI值異常，需要將這些異常值去除掉，以保證指紋數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性。本文采用了低通濾波方法對指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[11]，將iBeacon的RSSI臨界值設(shè)定為頻率點，當(dāng)頻域超出這個截止頻率時，則舍棄不用。

4. 指紋特征提取

表1為處理完成后Excel呈現(xiàn)出的指紋數(shù)據(jù)庫樣式表格。

表1　指紋數(shù)據(jù)庫樣式表

表格中第1列是iBeacon編號，第2、3行是指紋數(shù)據(jù)點坐標(biāo)，其他數(shù)字代表了采集得到的指紋點數(shù)據(jù)。

利用夾角余弦的方法，提取指紋特征。8組指紋特征圖表如圖4所示。

圖4　定位指紋比對圖

圖中橫軸代表iBeacon的編號，縱軸代表指紋的RSSI值。每一條曲線分別代表了不同指紋點在其位置上掃描到每一個iBeacon的RSSI值的分布態(tài)勢。從圖中可以觀察到，深黑色的實線待定位點8的RSSI值分布態(tài)勢與淺黑色的虛線指紋數(shù)據(jù)參考點3的RSSI值分布態(tài)勢是最接近的。因此可以判斷出待定位點的實際空間位置在參考點3位置附近，如圖5所示。

圖5　與指紋庫比對后定位點位置圖

圓形區(qū)域為參考點1位置區(qū)域。通過地圖匹配，待定位點被移位到可通達(dá)區(qū)域內(nèi)，如圖6所示。

圖6　地圖匹配后定位圖

地圖上的定位箭頭為當(dāng)前定位解算給出的位置，這與操作員的實際所在位置相差0.3 m，然后操作員由西向東開始行走，測試定位跟蹤，定位點跟蹤與操作員的實際行走狀態(tài)存在延遲，時間為400 ms左右。

在該試驗環(huán)境下測試了100個定位點，定位精度統(tǒng)計如圖7所示，根據(jù)試驗得出的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)該試驗的定位精度是相當(dāng)良好的，平均定位誤差為1.21 m，最大定位誤差為2.1 m。相比于其他定位方法，本方法的定位精度大約提升53%。在實際應(yīng)用中，1.5 m以下的平均定位誤差已經(jīng)可以滿足室內(nèi)環(huán)境下基于位置服務(wù)的基本需求。

圖7　定位精度統(tǒng)計

五、總結(jié)與展望

隨著近幾年藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展，尤其是藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，藍(lán)牙技術(shù)的功耗和成本都大大降低，定位的精度也越來越高，藍(lán)牙定位技術(shù)已經(jīng)具備商業(yè)推廣的條件。

通過該試驗的定位測試，得到的定位精度在3 m以內(nèi)。這種精度足以滿足當(dāng)前業(yè)內(nèi)外室內(nèi)定位的需求。與其他定位方法比較，藍(lán)牙定位的優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 架設(shè)容易。藍(lán)牙基站體積小，而且可以用電池供電，施工簡單。

2) 成本低。藍(lán)牙基站iBeacon的成本非常低。基于CSR芯片的基站每個需要30元人民幣左右。

3) 功耗低。藍(lán)牙基站及終端功耗已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)偷乃剑粋€藍(lán)牙基站iBeacon可以依賴紐扣電池持續(xù)工作半年以上。

4) 定位精度高。從本試驗結(jié)果來看，依據(jù)本定位算法藍(lán)牙定位的精度可以控制在2.1 m以內(nèi)，可以滿足室內(nèi)環(huán)境下基于位置的服務(wù)基本需求。

本試驗定位方法以藍(lán)牙手機(jī)終端為定位媒介，在位置計算過程中加入了地圖匹配技術(shù)，通過空間疊加分析過濾后得到的手機(jī)終端空間位置相比較現(xiàn)有的室內(nèi)定位方法，在定位精度與空間位置準(zhǔn)確性上都有了顯著的提升。在低功耗藍(lán)牙手機(jī)終端定位基礎(chǔ)上，低通濾波與地圖匹配技術(shù)是關(guān)鍵因素。該方法在結(jié)構(gòu)相對更加復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下， 藍(lán)牙信號

會受到一定程度的阻礙與反射，排除外界干擾確保藍(lán)牙信號的良性傳輸將是研究的下一個目標(biāo)。

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通信作者：胡引翠。E-mail：huyincui@163.com

作者簡介：蘇 松(1988—)，男，碩士生，主要研究方向為地理信息系統(tǒng) 。E-mail: 394009278@qq.com

基金項目：河北省自然科學(xué)基金(D2013205077)

收稿日期：2014-11-03

中圖分類號：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)12-0081-04