基于低功耗蓝牙的室内定位系统

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 基于低功耗蓝牙的室内定位系统 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。 中国论文网 /8/view-12998347.htm 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- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 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舸蚩 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 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、