基于低功耗蓝牙的室内定位系统
时间：2020-09-19 07:55:43 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘 要：室内定位是定位技术不可分割的一部分。选取Estimote Beacon作为低功耗蓝牙信标节点，实现通用唯一标识码进行周期性发送。Android Studio为集成开发环境，结合Android应用程序，通过对接收的多个Estimote Beacon蓝牙信号进行三角定位运算，确定Android设备的位置，并将结果显示给用户，实现复杂室内环境的精确定位。
关键词：室内定位；蓝牙；Estimote Beacon；Android
中图分类号：TP39；TN961 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）10-00-03
0 引 言
随着人们对基于位置服务的需求与日俱增，定位导航的应用需求已不仅仅满足于室外，室内定位正逐渐成为基于位置服务的研究热点[1]。我国目前通过移动互联网进行位置服务请求日均已经超过100亿次[2]。
在室外空旷环境下，用户完全能够通过全球定位系统（GPS）获得较精确的定位，因此市场价值和前景巨大[3]。但是受制于GPS的局限性，所以不能在室内进行精确定位。目前无线室内定位技术已得到很多技术支持，应用较为广泛的有超声波定位技术[4]、超带宽定位技术、红外线定位技术、WiFi定位技术和蓝牙定位技术等[5，6]。在低功耗蓝牙和移动终端不断发展和成熟的前提下，基于低功耗蓝牙的室内定位更成为研究热点。信标节点Estimote的推出，使得室内定位的开发变得更加简单。本文采用Estimote作为信标节点，在Android设备上采集相应的通用唯一标识码（Universally Unique Identifier，UUID）和接收信号强度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）信息，在Android平台上实现用户定位。
1 系统整体设计
系统硬件部分主要由多个Estimote蓝牙信标节点（iBeacon）和Android手机构成。其中，iBeacon根据实际场景需要布设在室内，周期性地发布iBeacon广播数据包。在具备蓝牙LE模块的Android终端设备上运行设计的室内定位应用程序，持有该设备的用户可利用该应用程序进行定位。系统组成如图1所示。
根据系统设计的功能，将室内定位系统拟分为信标节点部署、客户端数据采集、离散位置估计、目标位置估计和客户端UI显示模块等几部分。
1.1 蓝牙信标节点Estimote
蓝牙信标节点Estimote硬件系统的内部框架如图2所示。Estimote拥有强大的ARM处理器，内部由低功耗蓝牙芯片、温度传感器、加速度计、天线、纽扣电池等组成。其中最核心的部分是nRF51822，它是来自Nordic的低功耗蓝牙SoC芯片。nRF51822相较于其他低功耗蓝牙而言，拥有极高的灵敏度和优越的低功耗性能，是可用于BLE、2.4 GHz无线应用且具有高性能、高灵活度特点的低功耗蓝牙SoC芯片。
1.2 Android手机终端
Android是一种基于Linux的开放源代码的操作系统，主要用于移动设备。2016年，基于Android平台的手机已占全球手机市场份额80%以上[7]。Android手机作为目前普遍使用的手机，在本设计中的应用主要包括两个方面，即在客户端进行信息采集的过程中使用；将手机作为定位显示终端。
（1）Android手机作为定位显示终端
根据定位算法，将计算获得的定位目标的绝对坐标以特殊标识显示在客户端的室内二维导航地图上。
（2）信息采集
客户端的信息采集包含两方面，一方面为蓝牙信标节点的ID与RSSI值信息，为定位算法的实现提供具体参数；另一方面利用手机内的微小加速度计提取加速度信息，继而对移动目标进行速度估计。
2 软件设计及实现
利用Android智能手机的易操作特性，在多个蓝牙信标节点的协助下，利用Android应用程序从蓝牙信标节点接收信息，包括蓝牙发送设备的ID号、接收信号强度指示和发射功率，结合三角定位算法，对蓝牙手机进行实时定位和定位信息显示。
2.1 三角定位算法
现在目前的主流室内定位技术大部分都基于RSSI定位算法进行开发[8]。由于受运动中环境的影响，RSSI偶尔会产生较大的跳跃，为减少由于测距偏差造成的实际定位错误，本文使用三角定位算法[9，10]。
三角定位算法指通过两台或两台以上的探测器在不同位置探测目标的方位，然后利用三角几何计算法确定目标的位置和距离。
三角定位原理图如图3所示。已知3个蓝牙信标节点B1、B2、B3的位置，其中已知各点坐标B1（x1，y1）、B2（x2，y2）、B3（x3，y3），用户位置tag到各个信标节点的距离分别为d1、d2、d3。以蓝牙节点的坐标为圆心，三个圆唯一的交点就是用户位置tag（x，y）。信标节点和用户位置的关系见式（1）：
2.2 软件设计整体流程
本系统的开发基于Eclipse+Android Development Toolkit（ADT）开发环境，可为用户提供蓝牙定位功能。应用程序流程设计如图4所示。
（1）蓝牙提醒
在程序开始运行时，检测用户的Android设备是否支持低功耗蓝牙、检测用户设备是否打开蓝牙功能以及在用户未打开蓝牙时提醒用戶打开此功能，操作方便，节省时间。
（2）信标节点列表
通过扫描周围的蓝牙信标节点，并将节点信息包括UUID、Major、Minor、距离、RSSI值等实时显示在UI上。
（3）定位
通过Android设备和信标节点之间的通信，经计算获得用户位置，并显示在应用程序界面上。
（4）信息显示
对程序中显示的一些数值的含义进行解释。
（5）单次测量
通过扫描和计算获得当前节点的Minor和平均距离，以列表的方式显示在应用程序界面上。
3 实验结果及分析
实验测量时，将蓝牙信标节点粘贴在教室的角落，打开手机上的应用程序。若此时手机尚未打开蓝牙功能，程序会提醒用户打开，界面如图5所示。若已打开蓝牙功能，则直接进入应用程序的主界面，如图6所示。
单击“信标节点列表”按钮时，弹出图7所示界面，显示所有当前扫描到的蓝牙信标节点的个数和信息，包括UUID号、Major编号、Minor编号，与手机的距离、位置等。
存在两个及以上节点时，应用程序可以通过三角定位算法，点击“定位”按钮进行定位，界面显示当前位置信息，如图8所示。该页面显示了所有当前扫描到的蓝牙信标节点个数、地图尺寸、扫描测量倒计时、重置、更改地图尺寸。“重置”按钮可对用户位置进行刷新，点击“更改地图尺寸设置”，利用按钮可改变地图大小，如图9所示。
返回应用程序的主界面，点击“信息”按钮，可显示与应用程序相关的术语解释信息，如图10所示。点击“单次测量”按钮，界面显示当前扫描到的蓝牙节点的部分信息，包括节点的Minor编号、平均距离，如图11所示。
4 结 语
蓝牙信标节点Estimote中集成了低功耗蓝牙、加速度传感器、温度传感器、纽扣电池等多种部件，为室内定位提供了一个良好的信息采集平台，降低了室内定位开发的复杂程度。本文基于Estemote信标节点和Android系统，实现了对信标节点和用户信息采集，包括信标节点的UUID、RSSI值、Major、Minor等数值的采集，可通过定位算法计算得出用户位置，并在应用程序界面进行显示。解决了以往定位系统精确度低、响应时间过长、可靠性低等诸多问题，并且本设计所用的蓝牙功耗低、成本低，符合国家节能减排的发展要求。实验表明，所测试的数据均在误差范围内，为今后室内定位及相关应用奠定了良好的基础。
参考文献
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