一种基于iBeacon的优选信标节点的室内定位方法与流程

本发明涉及一种利用ibeacon设备和智能手机实现的室内定位方法，是一种通过在室内部署位置信息已知的ibeacon设备以及利用智能手机实现室内定位的方法。

背景技术：

gps全球定位系统提供了完善的室外定位导航服务，但是由于信号遮挡问题，导致这一定位方式并不适用于室内。因此，作为室外定位导航技术的拓展和补充，室内定位导航技术发展迅速，成为近年来研究的重点和热点。同时，通讯技术的发展以及智能手机的普遍应用，使得将智能手机的应用于定位成为可能。

目前主流的且相对成熟的室内定位技术如wi-fi定位技术、超声波定位技术、红外线定位技术存在定位精度不足或者由于部署成本高昂等缺点无法得到大规模的推广应用。

而随着无线传感器成本的降低及应用的普及，利用无线传感器网络进行室内定位的技术得到了广泛研究，特别是基于蓝牙信标的室内定位技术已经成为室内定位的研究热点。蓝牙(bluetooth)是一种短距离无线通信技术规范，可实现固定设备、移动设备之间的短距离数据交换。在室内安装适当的蓝牙局域网接入点之后，将网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是在一个微网络的主设备，这样通过检测信号强度就可以获得用户的位置信息。目前几乎所有的智能手机终端都有内置了蓝牙模块。蓝牙4.0是2012年采用了蓝牙低功耗技术(ble)的最新蓝牙版本，传输距离最远可达100米(可依据不同应用功能进行距离调节)，且蓝牙4.0模块价格低廉，能够作为无线传感器节点使用，其应用前景非常好。智能移动终端基本都内置了蓝牙4.0模块，应用ble技术实现室内定位具有低成本、应用广泛的优点。

ibeacon技术是在2013年9月苹果公司在苹果开发者大会上提出的一项主要用于现代网络服务连接以及区域定位的技术，它在ble技术的基础上进行了扩展，因此继承了ble技术的低功耗及传输距离远等优点。如同近场通信技术(nfc)一样应用ibeacon技术也可以实现身份识别，ibeacon主要通过使用ble技术向周围区域发送带有身份识别的广播帧，该广播帧数据中包括该ibeacon信标的major、minor以及uuid等信息，其中uuid是以iso/iec11578:1996标准为依据的128位标识符，major和minor可以自行设置，例如在博物馆通过major来标识展厅，minor来标识展厅中的展品等。

基于ibeacon技术的室内定位方法主要有基于测距的和与距离无关的定位方法。基于测距的方法有三边测量法、三角测量法等，其中常用的测距技术有信号强度指示rssi、toa、tdoa等。与距离无关的定位方法有质心算法、dv-hop等。基于测距的方法定位精度高但是对硬件要求高且环境因素对定位结果干扰大，与距离无关的方法对硬件要求不高但是定位精度低。传统的加权质心定位算法是基于测距的和距离无关的定位算法的结合。利用节点之间的距离信息(根据接收到的信号强度指示(rssi)，再结合信号传输模型计算得到距离)，可获得定位信标节点的偏移权值，从而可以提高质心定位算法的精度。但是在信标节点部署密度低的时候，该方法的定位精度仍然较低。同时在室内移动定位过程中，定位结果往往存在较大的跳动，传统的采用单一的滤波算法对定位结果进行优化时，优化效果不明显，不能保证定位结果的稳定性。

技术实现要素：

本发明针对现有室内定位技术的不足，提出一种基于ibeacon的融合多滤波器的优选信标节点的室内定位方法。本发明通过布置廉价的ibeacon设备以及利用智能手机即可实现室内定位，同时利用卡尔曼滤波算法和均值滤波算法对定位结果进行两次优化。具有定位精度高、实施简单、可推广性强的优点，并且可通过改变设备部署密度，在最低的部署成本下满足不同的定位精度需求。

一种基于ibeacon的融合多滤波器的优选信标节点的室内定位方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：首先将全部ibeacon设备各自的minor号设置成唯一的编号。然后根据室内平面地图把待定位区域划分成合适大小的网格，在每个网格的顶点处部署一个ibeacon设备。

步骤二：根据待定位区域实际情况选定平面地图的坐标原点，并以此坐标原点为基准测量在网格顶点处的ibeacon设备坐标数据并记录。该位置坐标已知的设备即为信标节点。

步骤三：将记录的坐标数据上传到定位数据库中存储，既将该坐标数据通过minor号与ibeacon设备一一对应存入数据库中的一张表中，等待客户端发送定位请求之后参与计算。

步骤四：用户进入待定位区域，智能手机将接收到各个ibeacon设备发送的带有身份标识的广播帧。首先筛选出广播帧中的信号强度数据并进行排序，选取信号最强的4个ibeacon设备参与定位，同时根据经验模型将信号强度转换成待定位点与对应信标节点的距离d。将这4个ibeacon的设备信息以及距离d发送至定位服务器端。

步骤五：服务器端接受到4个ibeacon设备信息及对应距离信息之后，首先通过设备的minor号去数据库中找到对应设备的位置坐标，每次选取其中的三个位置坐标进行加权质心定位，权重是待定位点到对应信标节点的距离d的倒数。这样能到到4组定位结果，最后将这4组定位结果再进行加权质心处理得到待定位点的最终定位坐标。

步骤六：对定位结果进行滤波优化：首先使用卡尔曼滤波算法对定位结果进行第一次优化，减小结果跳变对定位精度的影响；然后再使用均值滤波算法对第一次优化后的定位结果进行二次滤波，提高定位稳定性。最后将定位结果返回至移动端地图中进行显示。

本发明的有益效果：

1.成本低，本发明采用ibeacon设备以及智能手机即可实现室内车辆定位，ibeacon设备成本低，部署简单，使用寿命长，后期维护成本同样很低。

2.针对传统的定位方法在信标节点部署密度低的时候定位精度不足的缺点，本发明中的优选信标节点的方法提高了关键节点在定位过程中的作用，提高了定位精度和定位稳定性。

3.本发明提出的定位方法，对定位结果进行两次滤波，能更好的抑制定位结果的跳变，从而大大提高定位精度和定位稳定性，实用性、可靠性大大增强。

4.应用广泛，本发明可以用于室内空间的行人、车辆等有定位需求的目标的定位。

本发明提出的室内定位方法具有定位精度高、受环境因素影响小、实施简单、可推广性强的优点。

附图说明

图1为本发明中ibeacon设备部署方案示意图。

图2为本发明中不同部署方案定位精度误差统计图。

图3为本发明中加权质心定位方法原理图。

图4为本发明中数据库部分表的设计示意图。

图5为传统采用单一滤波器对移动移动定位结果优化效果图。

图6为本发明中融合卡尔曼滤波器和均值滤波器对移动移动定位结果优化效果图。

图7为本发明中均值滤波器原理图。

图8为本发明利用ibeacon设备和智能手机实现的室内定位方法的整体步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1为本发明中ibeacon设备部署方案示意图,部署环境为学校小型室内停车场，本实验实例中采取了三种不同的部署方案，分别是：

(一)横向、纵向均每隔3m部署一个设备；

(二)横向每隔3m部署一个设备、纵向每隔4m部署一个设备；

(三)横向每隔3m部署一个设备、纵向每隔5m部署一个设备；

实例中设备部署高度为固定值，即停车场天花板的高度。实际应用时，ibeacon的部署可根据待定位区域具体环境及不同定位精度需求灵活进行：

(1)部署密度：一般来说，部署密度越大，定位精度越高，但此时定位成本也会增加。如图2所示，在采用部署方案一时，定位误差在1m以内的概率达到89％，定位误差在1m以内的概率达到100％，基本达到室内定位精度需求，因此再增加部署设备数量不但定位精度提升不明显，而且定位成本会相应增加。

(2)部署高度：一般可将设备部署在室内天花板上，这样可以减少遮挡物对信号的干扰。如果天花板高度超过了5m，为了保证蓝牙信号传输质量，可以考虑将设备部署在立柱上。

(3)部署间隔：设备的横向、纵向部署间隔不要求完全一致。例如横向每隔3m部署一个设备的时候，纵向间隔可以选择3m、4m、5m等。可根据室内环境和定位精度需求选择。

如图3为加权质心定位方法原理图。本发明中使用的定位算法思想是将测得的ibeacon信号强度值从大到小排序，取信号最强的前四个信标节点进行定位，定位过程分为两步：

(1)首先，对这四个信标节点进行组合即每次取3个信标节点进行定位，定位方法采用加权质心定位算法。加权质心算法计算公式为：

其中，wi表示每个固定信标节点的权值，本发明中该权值是待定位点到固定信标节点距离的倒数。本发明中距离的计算在手机端完成，主要的计算距离代码：

doublepower＝(absrssi-txpower)/(10*2.0)；

doubledis＝math.pow(10,power)；

其中dis即为待定位点与某个信标节点的距离，txpower是手机在距ibeacon设备距离为1m时的rssi，absrssi为手机位于待定位点实时接收到的ibeacon设备的rssi。

(2)对步骤一中得到的四组定位结果再采用加权质心定位算法计算得到最终定位结果。若参与定位的信标节点为a(xa,ya),b(xb,yb),c(xc,yc),e(xd,yd)，待测节点m(x，y)到各信标节点的距离分别为d1,d2,d3,d4，通过a,b,c点得到m点的坐标估计m1(x1,y1)，通过a,b,e点得到m点的坐标估计m2(x2,y2)，通过a,c,e点得到m点的坐标估计m3(x3,y3)，通过b,c,e点得到m点的坐标估计m4(x4,y4)，则通过加权质心算法可得到m的坐标为：

如图4所示，在离线建立数据库时，需要将设备的真实坐标通过minor号与ibeacon设备一一对应存入数据库中的一张表中，minor号的设置可以使用官方的app设置。同时ibeacon设备发送的广播帧中的major信息可以用来区分设备所在不同区域。例如，在进行多层建筑中的定位功能实现时，可以使用major号来对设备进行分组，不同楼层中的设备属于不同的分组，系统根据major号判定用户所在楼层。

如图5所示，为传统采用单一滤波器对移动移动定位结果优化效果图。

如图6所示，本发明中融合卡尔曼滤波器和均值滤波器对移动移动定位结果优化效果图；可以看出本发明的定位精度高、受环境因素影响小。

如图7为本发明中均值滤波器原理图，其基本工作原理如下：

首先定义一个长度为n的观察窗，当新采集到一个样本时，去除观察窗中最后一位样本，观察窗中其余样本后移，同时将新样本排入队首，最后求取队列的平均值作为滤波后的结果。本发明实例中n取值为10，示意图中新的样本点在本发明实例中体现为经过卡尔曼滤波器滤波之后的定位坐标。

如图8所示，获取手机蓝牙控制权限需要在androidmanifest.xml文件中添加如下内容：

<uses-permissionandroid:name＝"android.permission.bluetooth"/>

<uses-permission

android:name＝"android.permission.bluetooth_admin"/>

<uses-permission

android:name＝"android.permission.access_coarse_location"/>

这样在程序中就可以使用蓝牙功能。注意android6.0之后需要获取定位权限才能使用蓝牙功能。