BLE iBeacon和基于室內(nèi)定位移動(dòng)應(yīng)用的幾何調(diào)整方案的測量研究

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1、BLEiBeacon和基于室內(nèi)定位移動(dòng)應(yīng)用的幾何調(diào)整方案的測量研究摘要藍(lán)牙低功耗（BLE）和iBeacons最近以來，對(duì)于實(shí)現(xiàn)各種基于近距離的應(yīng)用服務(wù)引發(fā)了人們極大的興趣?？紤]到包括移動(dòng)智能手機(jī)在內(nèi)的藍(lán)牙設(shè)備的無處不在的部署性，使用BLE和iBeacon技術(shù)似乎是一個(gè)有前景的未來。這項(xiàng)工作首先是要確定：iBeacons可以為我們提供接近度和距離估計(jì)的準(zhǔn)確性，以實(shí)現(xiàn)和簡化許多以前困難的應(yīng)用程序的開發(fā)。然而，我們對(duì)來自不同供應(yīng)商的三種不同iBeacon設(shè)備和兩種智能手機(jī)平臺(tái)的實(shí)證研究證明，情況并非如此。不同的iBeacon供應(yīng)商，移動(dòng)平臺(tái)，環(huán)境或部署因素以及使用場景下，信

2、號(hào)強(qiáng)度讀數(shù)差異很大。信號(hào)強(qiáng)度的這種變化使得在真實(shí)環(huán)境中提取準(zhǔn)確位置/鄰近度估計(jì)的過程復(fù)雜化。我們關(guān)于iBeacon技術(shù)限制的課程使我們通過執(zhí)行簡單形式的幾何調(diào)整來補(bǔ)償信標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度讀數(shù)的自然變化來設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的班級(jí)考勤應(yīng)用程序。我們認(rèn)為，這項(xiàng)工作的負(fù)面觀察可以為未來的研究人員提供參考，了解iBeacon設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的期望值。1．介紹藍(lán)牙在今天的日常生活中無處不在，用于筆記本電腦，移動(dòng)設(shè)備，鍵盤，耳機(jī)和許多其他消費(fèi)電子產(chǎn)品中替代有線的鏈接。藍(lán)牙低功耗（BLE）是藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)版本4.0的擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)低功耗低成本短距離無線通信[1,2]。與傳統(tǒng)的藍(lán)牙版本相比，它顯著降低了

3、功耗以及其他擴(kuò)展功能，如今可以在紐扣電池上運(yùn)行BLE設(shè)備幾個(gè)月甚至幾年。這些方面使BLE成為需要少量或周期性傳輸少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序的理想選擇;因此，它可以應(yīng)用于廣泛的醫(yī)療，工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用。iBeacon是由Apple[3]提出的一種基于BLE的接近感測框架，它使得移動(dòng)設(shè)備通過測量它與低復(fù)雜度、低成本的BLE發(fā)射器的距離（通常是壁掛式），來獲得iBeacon基站之間的距離（甚至可能是位置）。每個(gè)iBeacon周期性地發(fā)送由移動(dòng)BLE設(shè)備接收的短標(biāo)識(shí)幀，以使用接收信號(hào)強(qiáng)度指示符（RSSI）來估計(jì)移動(dòng)設(shè)備和iBeacon之間的距離?；趯?duì)近距離的這種檢測，iBeacons在

4、移動(dòng)設(shè)備上提供自動(dòng)和位置特定的服務(wù)觸發(fā)，例如廣告，優(yōu)惠券或路線指導(dǎo)。雖然iBeacon的規(guī)格最初由蘋果（iOS7或更高版本）提出，但它只是利用BLE的接近功能的一種方式，因此它（可以被定制）與其他設(shè)備（例如，Android4.3或更高版本）兼容，使用BLE。更通常地，任何BLE設(shè)備都可以使用相同的概念來提供類似的接近功能。在技術(shù)上，iBeacon技術(shù)是BLE第23頁信標(biāo)的一個(gè)子集，但iBeacon和BLE接近信標(biāo)現(xiàn)在幾乎成為同義詞，盡管Google最近發(fā)布了自己的開放信標(biāo)格式，稱為Eddystone（Eddystone是由Google定義的藍(lán)牙低能量消息格式鄰近信標(biāo)消

5、息）[4]。請(qǐng)注意，BLE信標(biāo)的最初目標(biāo)是提供基于鄰近的應(yīng)用程序服務(wù)，可能將功能擴(kuò)展到基于位置的粗粒度應(yīng)用程序。鑒于BLE信標(biāo)僅專注于RSSI測量，結(jié)合從基于RF的本地化研究的悠久歷史中汲取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，有望預(yù)期在室內(nèi)本地化服務(wù)中只能實(shí)現(xiàn)有限的準(zhǔn)確性。眾所周知，相對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的RF信號(hào)的可變性使得移動(dòng)設(shè)備的位置的準(zhǔn)確估計(jì)或其與BLE信標(biāo)發(fā)射機(jī)設(shè)備的相對(duì)距離變得復(fù)雜。然而，基于BLE的室內(nèi)定位的大多數(shù)以前的工作只是說明由信號(hào)變化引起的誤差的可能性，但是它們沒有量化它們，并且它們報(bào)告的結(jié)果僅顯示圖像的正面。例如，[5]的工作報(bào)告了0.53米的定位精度，但這項(xiàng)工作受到9×10

6、平方米的面積的限制。[6]的工作報(bào)告了1.2米的指紋精度，但只有47.4×15.9平方米的面積。最近在[7]中的工作表明，當(dāng)測量的信號(hào)RSSI隨時(shí)間而變化但不顯示可能的誤差的其他尺寸時(shí)，距離估計(jì)誤差可以隨著距離的增加而顯著增加。在這項(xiàng)工作中，我們進(jìn)行了一系列廣泛的實(shí)驗(yàn)來量化各種室內(nèi)障礙物對(duì)BLE信號(hào)差異的影響。具體來說，我們顯示來自不同供應(yīng)商的不同iBeacon設(shè)備以及配對(duì)的移動(dòng)設(shè)備平臺(tái)（例如iOS或Android）可以對(duì)RSSI測量產(chǎn)生重大影響，從而使設(shè)計(jì)普遍可接受的距離/位置估計(jì)模型的過程復(fù)雜化。此外，諸如部署高度或環(huán)境因素等實(shí)際因素也對(duì)RSSI值引起了顯著的影響

7、，從而在使用iBeacons設(shè)計(jì)高精度位置估計(jì)系統(tǒng)時(shí)引入了額外的復(fù)雜程度。這些實(shí)證研究的教訓(xùn)使我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)“實(shí)際可設(shè)計(jì)的”應(yīng)用程序。具體來說，我們將通過組合從本地可訪問的iBeacon信號(hào)，以及為本課題所估計(jì)并調(diào)整的信號(hào)強(qiáng)度測量的情境設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)并評(píng)估一個(gè)用于班級(jí)考勤監(jiān)控的應(yīng)用系統(tǒng)。本文的結(jié)構(gòu)如下。第2節(jié)介紹了RSSI讀數(shù)與估計(jì)距離之間的關(guān)系，然后鼓勵(lì)了我們對(duì)關(guān)系的實(shí)證研究。第3節(jié)描述了我們對(duì)實(shí)證研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)置的方法，包括我們?cè)谘芯科陂g改變的各種參數(shù)。第4節(jié)是主要部分，它描述了我們的測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)說明了我們的分析結(jié)果。第5節(jié)介紹了一個(gè)應(yīng)用案例研