蓝牙室内定位解决方案

发布时间:2016-12-12 来源: 解决方案 点击:

篇一:国外两种蓝牙室内定位方案

一.苹果室内定位 iBeacon是苹果公司开发的一种通过低功耗蓝牙技术进行一个十分精确的微定位技术。通过此技术设备可以接收一定范围由其他iBeacons发出来的信号,同时也可以把你的信息在一定范围内传给其他用户。

所有搭载有蓝牙4.0以上版本和iOS7的设备都可以作为iBeacons技术的发射器和接收器

技术特点 iBeacons是苹果在2013年WWDC上推出一项基于蓝牙4.0(Bluetooth LE | BLE | Bluetooth Smart)的精准微定位技术,当你的手持设备靠近一个Beacon基站时,设备就能够感应到Beacon信号,范围可以从几毫米到50米。iBeacons相比较于原来的蓝牙技术有几个特点:首先它不需要配对,苹果在之前对蓝牙设备的控制比较严格,所以只有通过MFI认证过的蓝牙设备才能与iDevice连接,而蓝牙4.0就没有这些限制了;准确与距离。普通的蓝牙(蓝牙4.0之前)一般的传输距离在0.1~10m,而iBeacons信号可以精确到毫米级别,并且最大可支持到50m的范围;功耗更低。其实蓝牙4.0又叫低功耗蓝牙,一个普通的纽扣电池可供一个Beacon基站硬件使用两年。

用一句话总结iBeacons那就是该技术就像是室内的GPS,iPhone可以接收iBeacons传输,并获得各种准确的定位信息。比如说当你驾驶到地下停车场,停车之后去购物。回来之后,iPhone应用可以指导你找到自己机车的精确位置。定位只是iBeacons技术的一部分而已,iBeacons还允许你的手机发出简单的“我在这”信号,这意味着iBeacons技术可以完成更多事情。

优缺点

优点

对比NFC,它最大的技术优势就是其传输的距离非常远,最高可达50m,当然,为了传输效果,推荐的最大距离是10m。即使是10m,这也比NFC的几厘米到20厘米的限制小得多了。而且,iBeacons是可以通过建立基站来传输数据的,比如 nfc的某个应用场景----读取商品信息。虽然nfc标签的价格很便宜,但如果在每种商品上都添加nfc标签,整个商场的成本也会比较高,更何况还要你把手机“touch”一下标签才行。但iBeacons可以通过建立数个基站覆盖整个商场,向你的手机发送商品信息,成本可以有效控制,使用起来也很方便,不需要”touch“就可以获得信息。

另一个技术优势是其传输数据的速度比nfc要快,更适合传输一些较大的数据。

缺点

iBeacons由于依赖于蓝牙技术,传输距离较大,而且通过基站传输数据,那么,如果基站被攻击,连接到基站的设备就很危险了。NFC的优点之一就是其创建连接的速度非常快,大概只有0.1s,两台设备碰一下立刻就已经创建好连接了。而iBeacons是通过蓝牙实现的,一般来说两个设备建立连接都需要几秒甚至十几秒吧,操作也比较繁琐,这个对于用户来说体验就远不如nfc了。

总结的来说:相对于NFC而言,iBeacons的

优势:传输距离较远,传输速率较快,支持的设备很多,推广较为容易。

劣势:安全性不如NFC,建立连接的速度较慢,应用范围不如NFC。[1]

应用前景编辑 比如当你逛街路过一家商店,这家商店可以发出iBeacons,这时你的手机就能获得当天可用的优惠券。当然,逛街的时候就收到各种优惠券也会非常闹心的,用户可以设定给予某些特定app权限。苹果有可能提供像Passbook这样的应用,让用户选择自己喜欢的公司,只从这些公司收取促销信息。[2]

例如,你带着一部iPhone 5s,走入一家购物中心的店铺,同时这也意味着你已经进入了这家店铺的iBeacon信号区域,iBeacon基站便可以向你的iPhone传输各种信 息,比如优惠券或者是店内导航信息。甚至当你走到某些柜台前面时,iBeacon还会提供个性化的商品推荐信息。也就是说,在iBeacon基站的信息区 域内,用户通过手中的智能手机便能够获取个性化的位置信息以及通知。和NFC技术一样,用户也能通过iBeacon来完成支付。除此之外,每个 iBeacon基站内置有加速度计、闪存、ARM架构的微处理器以及蓝牙模块,而一小块纽扣电池便能为一个iBeacon基站提供长达两年的续航时间。[1]

如果你是某家商店的会员,iBeacons技术可以根据你的喜好提供促销。我们再来看一个更复杂的例子,当用户站在一家服装店门外,系统会侦测到用户站在哪里,用户看的是什么,这时候系统就会生成一个用户穿着这件衣服的照片,通过你对面的显示屏呈现出来。[2] 应用现状编辑

2013年11月21日上午,购物应用Shopkick将与美国梅西百货公司(Macy’s)合作在商场中布局iBeacons技术。将iBeacons这项苹果公司最新的无线数据交换技术用在实际生活中。[3]

纽约市海诺德广场和旧金山联合广场的梅西百货将开始测试iBeacons系统。这种技术以功耗蓝牙技术为载体进行数据传输或定位,在某一区域布局信号后,支持此技术的设备进入这个区域时,相应的应用程序便会提示用户是否需要接入这个信号网络。通过无线传感器

和低功耗蓝牙技术,用户能使用iPhone来传输数据。[3]在商场里,它最典型的应用便是允许顾客在访问梅西百货零售店时获得基于位置的商品推荐。安装Shopkick应用的用户走入梅西百货时就能获得问候提醒。走近某件商品收到产品介绍及优惠信息。[3]

Shopkick应用和梅西百货的全新shopBeacon技术经过几周内测后就会开放。据说苹果自家的零售店里也在布局iBeacon系统,以改善用户体验。[3]

已经有不少硬件厂商都在生产Beacon发射硬件。当然并不是非得购买这些Beacon硬件才能使用iBeacons技术,其实从iPhone 4S和iPad 3及后续设备都已经支持蓝牙4.0,所以这些设备升级到iOS7都能够支持iBeacons,同时也能作为Beacon发射基站使用。 苹果在全美254家Apple Store中部署iBeacons很多就是直接使用iDevice作为基站。[4]

所有搭载有蓝牙4.0以上版本和iOS7的设备都可以作为iBeacons技术的发射器和接收器,因此全球已经有超过2亿台设备可以作为信标或 信标的目标客户,从而为这项技术的推广奠定了坚实的基础。而且现在很多第三方厂商也已经加入了iBeacons硬件的制造领域。[1]

面临挑战编辑 消费者需要很多层许可才能够接收到iBeacons推送的信息。用户必须打开蓝牙,打开定位服务,打开相关程序的后台定位权限并允许应用接收室内信息通知。在研究中,大多数受访者表示如此繁琐的许可过程是他们可能会选择放弃信标技术的主要原因。[1]

PayPal和高通也已经开始了自家信标的生产和推广。另外一些小规模的创业公司例如Estimote,Swirl和GPShopper也已经进入了这一市场,他们的优势是可以同时向iOS和Android平台提供服务。[1]

相关评论编辑

iBeacons技术可能是苹果对NFC技术的回应,很多人都在想为什么苹果iPhone一直没有配备NFC芯片。原因很简单,苹果想要更好的技术作为移动支付系统,那就是低能耗蓝牙(Bluetooth LE),iBeacons技术正是基于低能耗蓝牙。低能耗蓝牙支持的距离要大于NFC,与iPhone配合使用,用户还有可能通过指纹或其他方式付款。[5]

苹果面临的挑战是NFC已经是无线支付的标注了,很多**的零售店已经部署了NFC架构。所以对于苹果来说,说服公司投资iBeacons技术很有难度。不过,苹果的现金储备很足,有足够的资源购买支付处理公司,并推出基于iBeacons技术的无线支付架构。

二.高通室内定位

高通发布Gimbal传感器:作为高通情景感知平台主打产品,Gimbal 采用 Bluetooth Smart 蓝牙定位技术(精确度可达 1 英尺,约合 30.5 厘米),能够让商家综合考虑顾客的包括位置、活动、时间、兴趣等信息,构建营销系统,比如查看顾客入店轨迹、推送促销活动、折扣等。 为此,高通还专门为开发者提供 SDK 和管理平台,方便开发者利用这款芯

片开发短距追踪应用程序。目前,iOS 版以上线,Android 版随后。 Gimbal 传感器目前有两种规格,分别是 28 x 40 x 5.6 mm 的 10 系列,以及 95 x 102 x 24mm 的 20 系列。

篇二:蓝牙室内定位技术发展现状

《基于蓝牙传感网络的室内定位研究及在行为识别中的应用_江德祥》

2.1 无线定位技术概述

利用无线技术实现定位已成为定位研究领域的发展趋势。

每种无线技术都有各自的优缺点和适用局限性,需要根据具体的应用场景,考虑系 统成本、定位精度、实时性要求、技术实现难度和算法复杂性等因素。下面主要从 应用场景上来介绍研究较为集中的几种无线定位技术,其中室外定位主要使用 GPS 和 GSM 无线技术,而室内主要利用各种无线传感器,包括红外、超声波、蓝牙、 Wi-Fi、ZigBee 和 RFID 等。

基于红外的定位系统一般只能实现“房间级”的定位精度,而基于超声波的定 位系统能实现“厘米级”的高精度定位,但是这两种定位系统需要特定的硬件设备,价格昂贵。这两种信号的穿透能力差,受墙壁和障碍物遮挡影响较大,并且信号的覆盖范围过小,不适合室内的大范围定位。基于 RFID 的定位技术是基于参考点的思想,在定位区域布置大量的 RFID 节点,再进行匹配查找,这样实现大范围和高精度的室内定位就取决于 RFID 参考点的布置密度。基于 ZigBee 的定位取决于 802.15.4无线技术的特点,其缺点是短距离和高延时,对利用信号强度 RSSI 来进行位置估计的应用存在一定局限。室内定位研究最集中的是基于 Wi-Fi 的定位技术,由于无线局域网已在城市各个角落大面积覆盖,完全可以利用现有的无线设备来实现室内定位,降低成本和提高定位精度。基于 Wi-Fi 的无线信号在室内可以达到 100-200 米的覆盖范围,能满足大范围的室内定位需求,其主要原理是利用无线接入点(Access Point,AP)的信号强度 RSS 值,定位设备通过与 AP 之间的信号测量关系来估计可能的坐标位置。

2.2.1 基于范围检测的定位方法

蓝牙定位研究中最先引入了范围检测的思想(文中也称为 Cell-ID 思想),原因是蓝牙无线信号具有有限的短距离范围特性。一类蓝牙设备的信号覆盖范围是 100m,2 类蓝牙设备是 10m,3 类是 4m。基于这种范围特性,当用户携带设备进入到信号覆盖范围之内时,就能感知用户的位置,达到对应 Rang

蓝牙室内定位解决方案

e 范围的精度。因此在早期的蓝牙定位研究中,大部分工作都是基于 Cell-ID 的应用原理。2003 年 Anastasi G 等人[26]提出使用蓝牙技术来实现一种定位框架和服务。基于Cell-ID 的方法实现了一个 BIPS 蓝牙定位系统。BIPS 系统是在一个建筑物内布置蓝牙接入点,使用以太网将各个接入点连接到定位服务器上,移动用户在他的手持终端上就可以看到到达同一建筑物内其他移动用户位置时他必须行进的路线。蓝牙接入点的任务是发现并登记进入它覆盖区域的用户,其位置信息注册在服务器上。BIPS可以追踪移动用户在一个建筑物内的走动和站立,实现“房间级”的定位精度。实验分析了蓝牙查询周期的影响,同时考虑一个移动用户在蓝牙接入点覆盖范围内的接入时间,比如查询周期为 3.84s 时,发现设备的概率在 95%以上,在 20 米的覆盖范围内以 1.3m/s 的速度移动则接入时间为 15.4s,剩下 11.56 秒可提供服务。

文献[27]中同样利用 Cell-ID 的思路,提出将蓝牙与 3G 网络结合,组成一个定位服务网络。文中指出 GPS 不适合室内定位,其他几种技术(2G 的

Cell-ID,TOA 方法)的定位精度过低,为了提高定位精度,可结合蓝牙技术实现 10 米的定位精度。

Raffaele Bruno 等人[28]考虑位置感知的需求以及已有的一些定位和追踪系统设备成本太高的问题,提出一种基于蓝牙的定位和追踪系统,实现低成本定位方案。该系统同样利用 Cell-ID 的方法,进入覆盖点的蓝牙设备与蓝牙接入点建立连接,重点分析了蓝牙的发现和连接建立过程,以及此过程的时间消耗和延迟。

Chawathe. S. S 等人[29]描述了一种新的方法来决定移动终端的位置,使用基于Cell-ID 的方法来确定蓝牙锚节点(beacon)交集覆盖区域的位置。根据蓝牙 Range的特点,在室内环境下覆盖的区域是不规则的,利用最大分离子超图的方法来确定锚节点的布置位置。主要利用蓝牙的短距离接收范围优点,以及蓝牙设备低成本和易布置的优势。该方法的另一个优点是让移动设备来决定它自己的位置,而蓝牙锚节点和其他用户都是匿名不确定的。

根据以上的研究工作,基于范围检测的定位方法只能实现“房间级”的定位精度,对于构建大范围的定位追踪服务网络是一种可取的方案,但是对于室内的高精度定位需求基于范围检测的方法只能达到“房间级”的定位精度,不能够满足要求。蓝牙定位研究中开始探索利用蓝牙信号强度 RSSI 来提高定位精度,根据信号传播的空间关系来确定设备的坐标位置。

2.2.2 基于信号强度的定位方法

蓝牙技术中提供了基于连接的 RSSI 和基于查询的 RSSI 两个可供定位技术实现的参数。在早期的蓝牙规范中只提供基于连接的 RSSI,这就意味着定位接入点设备和用户蓝牙设备必须在定位阶段一直建立连接。应用基于连接的 RSSI 时遇到了一个GRPR 问题,即在信号强度的定义中存在一个黄金分割区,处于这个分割区的 RSSI值总为 0,表示在合适的信号接收范围,对于要将实时 RSSI 值与距离映射成对应关系的定位方法,GRPR 问题是一个限制点。在以后的

蓝牙规范当中,提供了基于查询的 RSSI,该方法的优点是不需要建立连接,只需基本的查询过程就可以获取目标蓝牙设备的信号强度值。

Kotanen. A 等人[30]引入了基于信号传播模型的方法,通过读取连接 RSSI 值来构建信号强度与距离的映射关系。实验结果达到了 3.76m 的定位精度,实验中也使用了扩展的卡漫滤波来实现 3D 位置的估计。但是基于连接的 RSSI 值存在 GRPR 的问题,使得定位参数并不可靠,小范围取得 3.76m 的定位精度并不是一个理想的结果。

文献[31]中也实现一种基于蓝牙信号强度的定位系统,利用蓝牙发送者和接收者之间距离与 RSSI 值的相关性,采用三角定位来估计位置,在 PDA 上进行了实现。该系统提出了三角定位的公式(LSE),在地图上采集标定数据,最后用三角定位方法求出位置,定位误差为 2.06m。系统同样遇到了 GRPR 的问题,采用了多项式近似转换的方法。

Bandara U 等人[32]提出蓝牙定位系统中使用 RSSI 的三个问题:一是室内环境下信号强度受到多径衰退,干挠等影响;二是信号强度定义中的 GRPR 问题;三是蓝牙的连接建立时间过长。提出了一种多天线的接入 AP 的方法,每个天线都连到 AP上,定位服务器分别记录各个天线上的 RSSI 值。使用一种可变衰减器来解决建立RSSI 映射的问题,使用采集标定数据的方法来解决干挠和多径衰退的问题,实验获得了 92% 2m 的定位精度。该方法采用的仍然是基于连接的 RSSI,不过提供了新的蓝牙定位思路。

Sheng Zhou 等人[33]提出用一个简单的 cell 和信号传输模型来测量具体的 RSSI值与距离的关系,系统表明距离误差为 1.2m。该文献中同样遇到了 GRPR 的问题,只是单纯的利用信号传播模型来测量距离与 RSSI 的关系。

文献[34]中提出了利用贝叶斯滤波进行蓝牙定位和用户轨迹估计的方法,该方法同样基于信号强度RSSI与距离的相关性,利用一个简单的信号传播模型来计算距离,再用贝叶斯滤波来估计静态用户和移动用户的位置。

文献[35, 36]中采用了基于指纹标定 Fingerprinting 的定位方法。其中

[35]中结合了蓝牙和 Wi-Fi 两种无线信号,分别在实验地图上采集标定数据,不仅直接利用信号强度 RSSI 来进行定位,同时文中提出了利用信号差值来解决设备无关性的问题,消除硬件设备 RSSI 标准不统一的差异。实验结果表明结合蓝牙和 Wi-Fi 这两种无线信号能取得更高的定位精度。文献[36]同样利用 Fingerprinting 定位方法,在办公室环境下采集了蓝牙 RSSI 标定数据,系统能够取得平均 2.5 米的定位精度。系统同时比较了不同蓝牙锚节点个数、采集训练样本和定位样本个数对定位精度的影响。

从以上基于信号强度的蓝牙定位研究工作来看,基于信号传播模型的方法应用广泛。一般认为,距离和信号强度 RSSI 之间存在一种基于 LOG 形式的线性关系。根据信号的衰减特性,结合其他因素的影响提出了多种信号传播模型,如弗里斯公式模型,加入隔墙因子 WAF,加入地面反射因子 FAF,以及根据实际采集数据集训练出传播模型等。这些信号传播模型的方法在实际应用环境中仍然不可取,很难找到一个准确的模型来计算 RSSI 与距离的对应关系。

2.2.3 其他定位方法

其他基于蓝牙技术的定位方法主要是利用链路质量 LQ、蓝牙的功率伸缩、信号到达时间差以及查询反馈速率等方法。

文献[37, 38]都采用了基于链路质量 LQ 的定位方法,其中[37]主要利用标定方法采集 LQ 值和 802.11 无线信号的 RSS 值,结合这两种无线技术实现定位。实验结果表明在定位评估中利用多个无线信号的一个主要优点是某种无线信号不能用时利用其他的无线信号也能实现定位,提高定位系统鲁棒性,实验证明用蓝牙信号结合802.11 信号有时并不能提高定位精度。文献[38]提出了基于链路质量 LQ 的三步定位方法,使用低成本的蓝牙设备来实现高精度的定位过程,其中三步定位过程分别为LQ 采样、蓝牙基站调度和实时定位。该方法假定每个作为 CELL 的蓝牙 LQ 是特定的,最后用神经网络模型来估计位置。

Forno F 等人[39]提出构建一个低成本定位系统架构,提出用不同功率级来查询周围的蓝牙设备,利用一个简单的、可伸缩的方法进行过滤测量和计算移动位置,同时采用了基于类比的理想功率伸缩状态,最后建立了蓝牙 Ad hoc 传感器网络。实验取得了 1.88m 的定位精度。

Le Thanh Son 等人[40]针对当前的蓝牙定位系统在定位延迟、精度和可行性上的问题,提出一种新的定位方案,通过修改现有的蓝牙规范,利用蓝牙在无线信道上传播的信号时间偏移来估算位置,仿真实验能够达到 1.5m 的定位精度。修改蓝牙规范不是一种实际可行的方法,而且仅靠模拟的实验结果无法提供足够的说服力。

Barahim, M.Z 等人[41]提出一种低成本,易布置,可升级定位框架。系统由蓝牙传感器网络和中心控制系统构成,移动用户能够接收与位置相关的信息,如房间标志等。系统能利用 OBEX 对象交换协议来推送定位信息,利用三角定位原理可以实现高精度定位。

文献[42]中分析了同一个频段的 Wi-Fi 和蓝牙两种技术在同时工作时的干挠情况。实验结果表明在同一无线信道上连接的 AP 越多,Wi-Fi 之间的干挠越大,蓝牙与 Wi-Fi 之间的干挠也非常明显,而蓝牙设备之间的干挠非常小。这样用蓝牙设备来构建定位网络能满足要求。根据蓝牙设备的稳定性,提出了布置蓝牙 tag 参考点的定位方法,再通过比较地图上参考点的方法来确定目标用户的位置,在有 RSSI 信息的情况下,能够更精确地估计坐标位置。但是布置大量蓝牙参考点增加了定位系统的成本。

文献[43]中提出一种 CMF 定位架构,利用蓝牙锚节点的查询反馈速率 IRR 作为定位参数,采用基于 Fingerprinting 的方法采集 IRR 数据,对定位区域的静态用户进行定位。实验结果表明在蓝牙传感器较好覆盖的情况下,只用在静态位置停留 3 分钟就能取得 98%“房间级”的定位精度。

综上所述,蓝牙定位的研究一直探索利用更好的方法来解决室内定位的问题,可以将这些方法归纳为基于 Cell-ID 的方法、基于信号时间偏移的方法、基于信号传播模型的方法、基于 Fingerprinting 的方法、基于参考点的方法和其他方法等。尽管蓝牙定位开展了大量的研究工作,但是暴露出的首要问题是室内定位精度不高,其次是查询周期过长、提供训练样本的采样率过低,这些因素导致利用蓝牙技术实现定位过程中没有取得理想的定位效果。本文的首要目的就是要提高蓝牙定位的精度,提高蓝牙技术在室内定位中的实际应用意义。

可以改进的不足

虽然室内定位技术和行为识别技术已经开展了大量的研究工作,仍然存在许多关键的问题没有解决,如利用信号强度实现室内定位一直面临信号强度 RSSI 受

环境因素影响动态变化的问题[44];信号强度依然不是一个可信的定位参数,基于信号强度的蓝牙定位研究工作未能取得理想的定位精度。

《基于低功耗蓝牙的室内定位技术研究_石志京》

蓝牙简介

蓝牙是一种支持设备间进行短距离无线通信的技术,传统蓝牙通信距离为 10 米左右,而 BLE4.0 版本的蓝牙通信距离能达到 100 米。蓝牙技术能将各种使用蓝牙技术的电子设备(包括蓝牙音箱、蓝牙耳机、蓝牙笔记本等)连接起来进行无线通信,无需再部署大量的线缆,从而能简化设备间的连接。蓝牙采用分布式网络结构,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的2.4GHz ISM[10]频段。

蓝牙 4.0[11]技术集传统蓝牙技术、高速技术和低功耗技术于一体,优势显著。在速度上,蓝牙 4.0 支持 1Mbps 数据传输速度下的超短数据包传输,如此在传输小数据量时可以缩短传输时间;在连接延迟上,蓝牙 4.0 可以在最短 3 毫秒内完成设备连接并开始数据传输,延迟极短;在通信范围上,蓝牙 4.0 最大通信距离可以达到 100 米,远远超过同类产品传输距离;在功耗上,蓝牙 4.0 支持设备不工作时进入休眠状态,从而降低设备功耗,延长设备使用时间;在使用安全性上,蓝牙 4.0 使用 AES-128 加密算法对数据包进行加密和认证,足够保证数据传输的安全性。

室内定位技术发展

随着当今科技的迅猛发展,尤其是计算机技术、无线通信技术和半导体技术的飞速发展,大力的推动了当今室内定位技术的发展。当前,主流的室内定位技术主要包括:红外定位技术、RFID 定位技术、蓝牙定位技术、超声波定位技术、ZigBee 定位技术等。其中定位的原理包括:基于测距的定位算法和与距离无关的定位算法。其中与距离无关的定位算法包括质心算法、近似三角形内点测试法和DV_Hop 算法等,基于测距的算法包括TOA 算法、TDOA 算法、AOA 算法、RSSI 算法等。

无线定位技术起源于上世纪八九十年代,当时,英国剑桥大学研发的 Active Badge[6]系统属于研制室内无线技术的领跑者,这项技术使用了非测距的红外线定位技术,优点是功耗低、体积小、携带方便,但缺点是定位算法复杂、延时高,大概十几秒才能完成一次定位过程,这样对于室内静止的物体来说可以接受,但对于移动的物体来说,其实时性太低,效率不高。而且在室内部署的各传感器都是通过有线方式连接起来的,布线复杂且增加设备成本,因此没有得到大规模使用。

2000 年,微软公司提出了基于射频技术 Radar[7]的室内定位系统,该系统实现室内定位需要在离线阶段采集大量的 RSSI 值数据记录在数据库里,然后在在线阶段根据现场采集到的 RSSI 值以及一定的定位算法最终确定目标的位置,该系统定位精度能达到6 米以内,算法实时性也较高,但缺点是在离线数据采集阶段需要测量大量数据,这增加了定位所需的工作量,而且换了工作环境,就又需要重新进行数据采集,工作量比较大,因此,该技术有待改进。

篇三:蓝牙室内定位开题报告

杭州电子科技大学

毕业设计(论文)开题报告

题 目 基于BLE4.0的室内定位技术

学 院 计算机学院

专 业 网络工程

姓 名 吴唯

班 级 11052413

学 号 11054326

指导教师 楼斌

一、技术背景和国内外研究动态

无线定位是物联网中的一项重要技术,基于位置的服务拥有着非常可观的应用前景。随着手机和智能终端的普及,人们对于室内定位的需求也越来越大。商场,景区,博物馆,图书馆等公共场合需要精确的室内定位来实现基于室内位置服务ILBS(IndoorLocation-Based-Services)的相关功能,以便为用户自动提供其所在位置,周边信息,消息推送,路线导航等。若要实现室内定位,WI-FI也是个不错的选择,但WI-FI较为耗电,手机电力吃紧下也是很合适;3g/4g的基地台太远,误差较大,难以精确定位,若作为室内的卖架、展品导览侦测,无法给予更精准的资讯;而GPS虽然功能强大到被各行各业使用,而且定位精确,但是这只是限于在室外环境。一旦到了室内,信号衰减的太快,室内效果往往很差。在不替手机加装新读取,感应装置下,又能实现精确定位,省点定位,一般多指向Bluetooth,特别是Bluetooth4.0后的BLE技术。

蓝牙技术联盟( Bluttooth SIG2010)年正式采纳蓝牙4.0核心规范(Bluetooth Core Specifiation Version 4.0)。蓝牙4.0是集“低功耗”、“长距离”、以及“高速启动”的三位一体的蓝牙技术。使用蓝牙4.0的信标点(AccessPoint,AP)只需要一颗纽扣电池就可以工作一年之久,并拥有超低功耗、70m左右的信号范围、毫秒级低延迟、AES-128加密等诸多特性。而且,近几年几乎全部的智能手机及平板电脑都搭载了蓝牙4.0的硬件模块。IOS,Android,Windows Phone 等主流移动操作系统也都支持蓝牙4.0技术。这些都确保蓝牙4.0技术实现室内定位的可行性与实用性。可以想见。将来一个商业单位内可能部署一家公司的或多家公司的多个iBeacon基站。是否会产生类似wifi热点互相影响的情况。理论上可以肯定这些基 站是会互相干扰的,但是因为蓝牙信多信道广播(3个广播信道),并且实际使用中Beacon传输周期占空比小(0.04或更小)等原因,所以干扰也不会很 严重。实际使用场景中蓝牙信号会迅速衰减,所以问题会很小。苹果对于iBeacon的支持很有力。Android4.3以后也增加了支持,市面上也有很多开源的SDK可以直接用。原先流行于Android平台的NFC由于作用距离短等原因基本上没有流行起来。看起来iBeacon有取而代之的趋势。 室内定位系统最早源于1992年英国剑桥大学幵发的Active Badge系统。它是利用红外线传感技术来进行定位,由于红外线容易受光线的干扰,所以该系统也主要用于室内的定位。2013年百度世界大会上,百度成立不久的LBS事业部所展示的一套基于Wifi定位以及惯性导航的定位产品,但是这一产品并没有正式商用,仍在百度内部研发中。同年,同年苹果在WWDC(苹果电脑全球研发者大会)上推出一项基于蓝牙4.0的精准定位技术,当你的手持设备靠近一个beacon基站时,设备就能够感应到beacon信号,范围可以从几毫米到50米。iBeacons相对于原来的蓝牙技术有不需要配对,准确了距离,功耗更低等优点。

任意一个蓝牙设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备,马上就可以建立连接,而无需用户进行任何设置,在无线电环境非常嘈杂的情况下,其优势更加明显。室内对蓝牙手机进行定位的物联网应用平台具有方便已用、成本较低、易于拓展等有点。在过去较长的时间内由于传统蓝牙功耗较高的原因一度使得基于WLAN的定位方式成为室内定位的研究热点。现在随着蓝牙4.0的推出,低功耗技术被融入了蓝牙4.0中,同时增强了蓝牙信号的稳定性以及覆盖范围,使

得基于低功耗蓝牙的定位方式相比于WLAN具有了更多的优势。蓝牙室内定位技术从实验室走向市场的实际愈加成熟,其应用平台也愈加广阔。

二、研究的基本内容,拟解决的主要问题:

2.1研究的基本内容

Android手机与BLE终端的通信,而最常见的BLE终端应该是苹果公司所提倡的iBeacon基站。比如一台有BLE4.0配置的并且android4.3以上的手机,装上ibeacon相关应用后,靠近三个蓝牙基站的搜索范围内,手机可以通过选择其中近一点基站发出的信息提示得到自己所在的位置。我们可以通过下面的图大致了解三点一面定位的情形。

2.2拟解决的主要问题

2.2.1 iBeacon技术基于BLE,它的特点是通过广播对外发送消息,手机不需要连上iBeacon基站也能获取它的消息。在ios里面使用ibeacon要经过passbook注册iBeacon的UUID和对应的文字简介,而在Android上则无此类似passbokk这种系统级的后台蓝牙搜索服务,这类服务需要开发者自己搞定。

2.2.2 布设的基站信号点越多,就越容易出现重复覆盖的情况,很可能在一个位置能收到几个不同强弱的信号。解决这个问题,需要采用基于检测发送端发送的信号的强度来实现定位的。

2.2.3 起码要准备三个基站,根据手机与基站的相对位置,与基站坐标图,算出手机具体位置,然后手机通过3G/4G信号可以到一个服务器获得该地图。

2.2.4 iBeacon的信号强度采用RSSI值表示。与其他无线信号一样,随着距离的远近,RSSI值会产生变化。我们要通过RSSI值的变化来判断用户距离iBeacon设备的远近。

2.2.5 各个android厂商的定制五花八门,各个系统版本上也有差异,屏幕大小也差别也非常大,兼容性很难保证,开发广泛使用的应用在兼容性上很有难度。并且国内关于android开发BLE的资料有限,国外的也大都仅限于Android官方的demo。

三、研究步骤、方法及措施:

3.1开发工具及其环境

操作系统:Windows 7

开发工具:JDK1.6.0_10、Eclipse Indigo, 辅助javaAPI,安卓系统android4.3以上,ibeacon基站

研究步骤及方法

基于BLE4.0室内定位的主要任务是利用iBeacon技术,开发一个用于移动设备端的应用,进行近距离的数据通信,当用户的移动互联网设备靠近iBeacon时可以感觉到信号并进行相应的操作。

? 理论准备

此步骤是一切开发的基础。此步骤主要是针对于系统所用的技术和现状进行文献

? 系统需求分析

此步骤根据系统的目的,确定使用人员涉及的范围(包括使用的计算机操作系统、期待的功能等等),由于android平台上现有的android开发BLE4.0d的框架并不是很多,所以可以参考ibeacon官网上的一些android Demo,整合不同使用者的需求分析,完成需求报告。

? 系统功能架构的规划

根据需求报告,明确所需完成的系统功能,绘制此款应用的功能架构图以及各功

? 代码编写

该系统使用JAVA语言在安卓平台上进行编写,利用一些JAVA包进行应用开发。 ? 系统测试及优化 根据系统的模块图,对系统进行分模块的测试,做到不遗漏功能,测试用例尽可能涉及范围广,对错误能进行反馈。除功能测试之外,还可以进行安全性和性能的测试。 能的大致流程图,一边更直观、更清晰地描述个功能间的联系。 收集、阅读、整理和分析。

四、研究工作进度:

序号

1

2

3 时间 2015.2.8-2015.3.7 2015.3.8-2015.3.12 2015.3.12-2015.4.4 内容 确定论文选题,进行针对性的文献搜索 完成开题报告、文献翻译、文献综述的撰写 熟悉开发工具、开发包的使用

4

5

6

7

8 2015.4.5-2015.4.12 2015.4.13-2015.4.20 2015.4.21-2015.5.10 2015.5.11-2015.5.29 2015.5.30-2015.6.13 熟悉基站的定位算法以及基站的放置 系统初步实现、系统测试及修改 论文初稿撰写及修改确认 准备论文答辩 论文修改装订

五、主要参考文献:

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[2]罗玮 一种新兴的蓝牙技术——超低功耗蓝牙技术[J].现代电信科技,2010(010):31-34.

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