基于iBeacon的藍牙室內定位算法研究

周曉晨

摘要：現代社會中，GPS定位被應用廣泛，已經融入生活。但是GPS定位系統主要為室外定位提供服務，若是在室內的話，它的定位精確度將成為它的劣勢。這里我們報告了一個提高準確性的策略——一種基于iBeacon基站的藍牙4.0室內定位技術。該技術能夠在室內精確定位，以彌補GPS室內定位的不足性。并且通過改良版三環定位算法以及根據特定室內場景編寫補償算法，能夠實現定位的準確性，并且一顆紐扣電池可以藍牙基站維持使用數年，真正達到低功耗。

關鍵詞： iBeacon;藍牙4.0;三環定位算法;補償算法;低功耗

中圖分類號：TN925? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0258-02

Abstract：In modern society， GPS positioning is widely used and has been integrated into life. But GPS positioning system mainly provides services for outdoor positioning， if indoor， its positioning accuracy will become its disadvantage. Here we report a strategy to improve accuracy - a Bluetooth 4.0 indoor positioning technology based on iBeacon base station. This technology can accurately locate indoors to make up for the deficiency of GPS indoor positioning. And through the improved version of three-loop location algorithm and compensation algorithm based on specific indoor scenes， the accuracy of location can be achieved， and a button battery can maintain Bluetooth base station for several years， and really achieve low power consumption.

Key words：iBeacon; Bluetooth 4.0; three-loop location algorithm; compensation algorithm; low power consumption

1 引言

近幾年，隨著手機的使用越來越普及，物聯網應用的低功耗協議有了更多的選擇，讓產品連接手機成了可能，當前技術下的室內定位技術有很多種，包括Wi-Fi定位、ZigBee定位，藍牙低功耗技術具有精度高、低功耗、易集成的優點，因此成為物聯網領域室內定位“最后一米”的普適解決方案。

2 藍牙定位算法設計

整個藍牙定位研究的核心就是其算法的設計與改進，算法設計的好壞直接影響到定位的精度，目前國內外已設計出有很多藍牙室內定位算法，如本算法使用到的基于RSSI的三環定位算法，已知三個點的坐標和未知點到這三個點的RSSI的信號值，求解未知點的坐標。? 通過RSSI值和室內電磁波傳播損耗模型計算出兩藍牙設備間的距離。該方法簡單易行，但缺點是藍牙信號RSSI值受環境的影響比較大，有波動。因此，本項目在建立模型之前首先研究了影響RSSI值的環境因素，包括空氣濕度、藍牙節點發射功率、其他電磁波的干擾等，然后分析了電磁波的傳輸機理，最后建立最符合實際場景的室內藍牙信號傳播損耗模型。

2.1 算法①

首先將移動終端獲取的MAC地址以及RSSI數據放入數組中。將MAC地址發送至服務器與所有已錄入數據庫的藍牙基站MAC地址數據進行比對，刪去不存在數據庫中的地址數據（非定制藍牙終端信號），將數據發送到移動終端上，移動終端將數據按RSSI值從大到小使用直接插入排序算法進行排序，選出數值最大的三個數據。以MAC1為圓心，以MAC1的距離為半徑畫極坐標軸下的圓，將其他兩個MAC地址以相同方式畫圓，此時根據已知藍牙終端求移動終端具體位置。

移動終端與服務器數據庫通訊后獲取MAC1、MAC2、MAC3在極坐標軸中的極坐標點以及信號強度，將信號強度轉換成距離后便可知三個藍牙基站的坐標以及半徑。假設MAC1、MAC2、MAC3的坐標分別為（ρ1 ，θ1，r1）、（ρ2，θ2，r2）、（ρ3 ，θ3，r3） （與坐標原點距離長度ρ，極角θ，圓半徑r），然后根據以下式（1）及式（2）求出兩圓在極坐標下的交點坐標A（ρ4 ，θ4）、B（ρ5，θ5）。

由式（1）可得兩交點坐標的極角，由式（2）可得兩交點坐標距離長度ρ，由此可知兩交點坐標A和B的位置。然后通過式（3）計算MAC3坐標點C分別與所得點A、B的距離，比較|AC|與|BC|和終端與第三個藍牙基站距離大小，選擇數值小的點A或B作為待測終端的具體位置，至此，通過算法①完成對待測終端位置的計算，后須由補償算法②進行輔助矯正。

2.2 算法②

此為誤差補償算法。對于每個已經確定的終端位置，都將其存入到服務器數據庫中，并設置一個默認為1的信號量flag，當已知終端個數大于等于6個時，調用補償算法。當前待矯正終端在通過算法①計算出自己的坐標位置后，獲取周圍MAC地址以及信號強度，與服務器數據庫對比后獲取信號強度最強的1個藍牙以及另外5臺終端設備，從5臺設備中優先選取flag為1的信號最強的3臺終端。由終端Ⅰ與藍牙Ⅰ計算后得出具體位置為1、2兩點，根據待矯正終端位置與1、2點進行取較短者后，假定確認其點為2，則求出待矯正終端與2點的中點A。類似地獲取終端2、3與藍牙Ⅰ計算后與終端2、3的中點B、C，求出A、B、C三點中距離最近的兩點，將第三點作為誤差舍去，求其兩點中點，將該點置為待測終端的真實位置，并將信號量flag置為1，當該點移動時，將flag設置為0。

3 結論

從理論上此次基于IBeacon的藍牙室內定位算法研究已經完成基本的室內定位精度，但仍有亟需改進的地方：改良版三環定位算法和補償算法的設計必須“因地制宜”，換了場景就需要重新測量數據，算法也存在精度的進一步改進。

藍牙室內定位技術的發展與應用是物聯網發展的必然趨勢，已逐步從研究領域走向市場級、工業級的應用領域，隨著算法不斷創新和改進，工廠生產的藍牙基站設備越來越小巧，發出的信號強度越來越穩定，在不久的將來，一定會有大量精確的室內定位軟件涌現，滿足人們日益增長的生活需求，為生活帶來方便與快捷。

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