基于LED照明和iBeacon的室內定位導航系統的研究

饒怡欣

摘 要：為了滿足當前大型建筑室內定位導航和商業應用的需求，在分析iBeacon室內定位技術的基礎上，針對智能設備的取電問題提出了LED照明與iBeacon結合的基站實現方案，詳細探討了基于iBeacon的室內定位導航系統的系統架構、系統組成與部署和系統功能設計方案。通過運行效果分析，該系統具有施工簡便、定位精度高、信號干擾小等優勢。

關鍵詞：LED；iBeacon；室內定位；室內導航

中圖分類號：TN966 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.049

隨著O2O業務以及LBS數據業務的迅速發展，人們對室內定位與導航的需求日益增加，尤其是在復雜的室內環境中，比如大型商場、機場、博物館等環境中，用戶常常需要獲取自己的位置及周邊信息。LBS系統的應用場景非常廣闊，在定位和導航應用的基礎上，根據不同的商業場景訂制開發近場景O2O互動應用，提高商業的現場轉化率。此外，為了響應國家節能減排的號召，當前對于大型商場、辦公樓宇等室內照明系統工程，無論是新裝還是改造，均普遍使用了LED照明系統，我們創新地將互聯網技術與智能照明系統結合，使智慧科技融入了能源利用的每個細節，解決了室內照明問題的同時，還解決了物聯網智能設備的取電問題。

因此，本文首先對當前流行的iBeacon室內定位技術進行了分析，然后提出了LED照明與iBeacon基站結合的實現方案，詳細探討了基于iBeacon的室內定位導航系統的設計方案，分別從系統架構、系統組成與部署、系統功能和系統運行效果4方面進行了闡述。

1 iBeacon定位概述

1.1 iBeacon簡介

iBeacon是蘋果公司于2013-09發布的一項用于室內定位的技術，該項技術與其他室內定位技術相比具有易部署、功耗低、成本低、定位精度高等優勢，但是需要額外部署iBeacon基站和用戶打開藍牙。iBeacon設備具有低功耗藍牙通信功能，以一定的周期向周圍發送自己特有的ID，接收到該ID的智能終端上的APP會根據抓取的UUID和RSSI信息向系統反饋，并通過后臺系統進行相應的信息處理，為用戶提供各種位置感知、上下文感知服務等。

1.2 iBeacon定位原理

iBeacon室內定位系統主要由iBeacon基站和移動終端部分組成，基站與移動終端之間采用藍牙4.0通信協議，在移動終端上配套使用應用軟件以實現用戶交互。

iBeacon基站的報文主要由以下4種資訊構成：①UUID為標準規定的128位標識符，是每個iBeacon節點的通用唯一標識符；②Major和Minor由iBeacon發布者自行設定，均為16位的標識符；③Measured Power是iBeacon模塊與接收器之間相距1 m時的參考接收信號RSSI（Received Signal Strength Indicator）。

iBeacon室內定位系統的工作原理：用戶隨身攜帶的移動終端捕捉來自于布設在相應區域內的iBeacon基站周期性發送的包含UUID等特征值的報文信息，并過濾出信號最強的3個基站；移動終端先解算抓取的UUID和RSSI信息并傳送至平臺系統，平臺系統通過精確定位算法確定出人員的精確位置后反饋到移動終端上。

2 基于LED照明的iBeacon基站設計

當前，對于大型商場、辦公樓宇等的室內照明系統工程，無論是新裝的，還是改造項目，均普遍使用了LED照明系統。為了解決室內照明和物聯網智能設備取電的問題，我們進行了安裝方式的創新，將iBeacon基站模塊植入LED照明的電源中，將兩者集成一體，電源同時為LED燈珠和iBeacon模塊供電。

我們在設計過程中也遇到了諸多難點和問題，比如把LED燈珠和iBeacon的用同一套電源供電會帶來溫升過高、光效降低等問題，燈具的結構、材料、安裝都會對藍牙信號在傳輸過程中的衰減造成很大的影響。我們在設計過程中對上述問題均使用了有針對性的解決方案，從而保證系統定位精度的要求。

3 基于iBeacon的室內定位導航系統設計

3.1 系統架構

本系統根據物聯網M2M的應用要求，利用iBeacon室內定位技術，基于SOA軟件架構，采用J2EE技術框架，支持多種設備的接入，通過SaaS模式對外提供服務。

根據系統需求分析，本系統分層架構設計包含設備接入層、數據層、應用層和表現層。設備接入層主要負責iBeacon基站與智能終端之間的設備感知和接入；數據層主要負責數據采集、數據處理和數據存儲，建立系統大數據中心和標準化數據接口；應用層主要負責建立各種業務處理引擎，比如定位導航引擎、廣告推送引擎、用戶動態分析引擎等；表現層主要負責提供與不同使用者交互的各種應用，交互方式主要包括Web、APP和微信端應用3種。

3.2 系統組成與部署

搭建基于iBeacon技術的LBS系統主要由一定數量的分布在室內各個區域的iBeacon基站、用戶隨身攜帶的智能移動終端、云服務器和監控終端組成，如圖1所示。

本研究使用的iBeacon基站采用與iBeacon模塊集成一體設計的LED燈具，按照單個基站的信號覆蓋范圍、系統定位精度和建筑物的特點進行基站安裝的部署設計。iBeacon基站預先綁定了設計好的地圖位置信息，以設定的頻率廣播iBeacon信號，以便于進入覆蓋范圍內的智能移動終端接收。根據相關工程試驗證明，基站部署間隔在15 m以內能夠保證較好的定位精度。如果LED燈具的分布不符合精度要求，則應補充部署使用蓄電池供電的iBeacon基站。智能移動終端須具有藍牙4.0功能和安裝專有APP或微信，終端應用接收到基站的信息并將該信息發送至云服務器，通過交互獲得基于位置的活動通知、廣告信息、定位導航等服務。云服務器運行室內定位導航系統軟件，實時處理各種業務應用，包括定位導航、廣告信息推送、找朋友、找車、商戶管理、廣告管理等業務應用。監控終端包括PC、Pad和手機等終端設備，管理員使用監控終端通過Web或APP方式登錄云服務器對系統的各種應用、數據、參數進行管理。

3.3 系統功能

本系統的功能按照普通用戶、商戶管理者和運營管理者三類使用者的應用場景進行設計，統一的云平臺系統為這三類使用者提供各種服務及功能。

系統為普通用戶提供的功能主要是基于位置的服務功能，主要包含室內地圖的智能定位導航、找朋友、找車、找優惠、找Wi-Fi和根據用戶位置適時推送各種廣告信息等服務功能。用戶與系統的交互方式可采用專有APP或微信“搖一搖”周邊的公眾號應用。

系統為商戶管理者提供的功能主要用于對商戶信息、活動、宣傳等進行管理，以及商場內大型活動或優惠的通知，包含商戶信息、優惠活動信息、宣傳廣告、互動信息管理等服務功能。商戶管理者與系統的交互方式可采用專有APP或Web網頁應用登錄。

系統為運營管理者提供的功能主要用于對商鋪發布的信息進行審核和監管，對運營規則進行設置，對運營數據進行分析，以及iBeacon基站的管理和日常維護，包含地圖管理、設備管理、用戶管理、數據統計、廣告管理和系統管理等服務功能。運營管理者與系統的交互方式可采用專有APP或Web網頁應用登錄。

3.4 系統運行效果

為了驗證系統的定位導航功能和分析系統的運行效果，我們將本研究設計的系統應用在某一大型辦公樓宇中，在樓宇某一層中部署基于LED照明的iBeacon基站，手持移動手機，使用微信“搖一搖”周邊的公眾號應用，主要驗證和分析了系統的找車功能。

打開應用的找車功能，系統會顯示當前所處位置的地圖并根據記錄的車輛停放的位置自動生成導航路徑，找車過程中實施跟蹤路徑，直到用戶按照路徑找到車輛。通過多次驗證測試發現，定位的精度可達到3～5 m之內，而在基站部署更密的地方定位精度可達1 m以內，系統的其他各項功能均能正常使用。

4 結束語

基于iBeacon的室內定位導航系統不僅具有施工簡便、定位精度高、基站成本低和信號干擾小等優勢，而且可以根據更多的商業需求實現豐富的拓展功能。本文創新地實現了LED照明與iBeacon基站結合的解決方案，在完成室內照明建設的同時，解決了設備的取電問題，并通過搭建的室內定位導航系統平臺，實現了智能定位導航服務、設備管理、用戶管理、LBS信息推送等功能，為不同的使用者提供了豐富的應用功能和交互方式。

參考文獻

[1]張航，孫效玉，田鳳亮.基于iBeacon技術的井下人員設備定位系統[J].工礦自動化，2016，42（11）.

[2]張倬勝，馬方方，薛靜遠，等.基于iBeacon的精細室內定位方法研究[J].地理信息世界，2015，22（02）.

[3]邵波，連朝曦，劉嘯.基于iBeacon的圖書館智能定位系統構建[J].圖書館學研究，2016（09）.

[4]張倬勝，艾浩軍，馬方方，等.基于iBeacon定位技術的智慧圖書館[J].電子產品世界，2015（01）.

[5]張斌，宋英杰.基于iBeacon的室內路徑引導系統研究[J].軟件工程師，2016，19（07）.

〔編輯：張思楠〕