（2020年江蘇省通信學會“華蘇杯”論文征集一等獎）基于藍牙定位技術的會展中心導航解決方案

張興曄

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

隨著智能手機的普及，互聯網公司的飛速發展，基于GPS定位的室外位置服務已經深入人們的生活，使人們在陌生的環境下依然隨時可以快速精準地找到目的地。當人們處于大型商場、會展等場所時，面對并不熟悉的內部環境，同樣渴望位置服務來繼續提高其出行效率。因此，如何找到適用于室內的定位技術，是一件亟待解決的事情。

相較之下，會展中心是一個城市中人流量集中、業務量大，且地形多變的建筑體。尤其是會展中心在空間上有著“空”和“大”的顯著特點，展廳不但高、跨度也大，同時基礎服務設施、地下停車場等配套空間位置復雜，對于參展人員和觀眾等在如此復雜的空間中如何精確、高效地找到所需的目標地址，是本方案研究的重點，因此在該場景下研究及實現智能室內導航技術具有重大意義。

1 室內定位技術簡介

當前常用的室內導航定位技術有四種：

（1）WIFI定位：WIFI定位依靠AP與手機的通信來實現，雖然目前公共場所的WIFI已普及，但單個AP的設備成本依然不便宜，AP部署更多的是考慮WIFI的信號覆蓋面，遠達不到三角定位算法要求的部署規范。要獲得較精準的定位，需大量采集點位信號建立數據庫，通過信號點的強度與數據庫的匹配度來確定手機的位置。由于WIFI信號極易受環境的影響，且需要大量的人工進行定期維護，導致該技術難以發展，且精度只能達到5-10米。

（2）藍牙定位：藍牙定位主要依靠藍牙信標與智能手機的通信。藍牙信標不停的對外廣播自己的ID，終端獲得附近信標的ID后會從云端后臺拉取ID對應的位置信息，并估算與各信標之間的距離。因此，只需要終端附近有三個或以上信標，就可以計算出終端的具體位置。

（3）慣性定位：這是一種純客戶端的技術，主要利用移動終端慣性傳感器采集的運動數據，如加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等信息，基于航位推測法，經過各種運算得到終端的位置信息。但終端難以保證時刻處于勻速運動的狀態，隨著距離和時間的增加，定位的誤差會不斷累積。

（4）地磁定位：地磁定位技術通過捕捉“室內地球磁場”的特征來實現定位。通過手機端的地磁傳感器采集室內不同位置的磁場數據，從而匹配出手機在空間中的相對位置。但地磁信號本身易受室內環境變化的影響，從而對位置的獲取產生較大影響。

以上四種定位技術的特點從經濟性、精準性、穩定性幾個方面來比較的結果如表1所示。

表1 定位技術對比

目前主流的藍牙室內定位技術可以簡單分為兩大類：基于指紋匹配的定位技術和基于測距的三角定位技術。

（1）指紋定位技術：基于指紋匹配的定位技術由離線與在線兩個階段構成。離線階段即指紋庫采集階段，首先進行定位區域的網格劃分，然后采集不同網格的信號特征值，將采集得到的信號建立定位指紋庫，特征值可為RSSI或者距離等信息。在線階段即指紋定位階段，測量信號特征值，將測量的信號特征值與指紋庫中的預存信息進行指紋匹配，根據匹配算法得到終端坐標位置。

特點：需在前期采集指紋數據，建立指紋數據庫。指紋數據易受環境變化影響，若場內進行了現場改造，原始的指紋數據庫將不再適用，將會造成定位結果的混亂。

適用場景：小體量、層高偏高、室內環境穩定的場景。

（2）三角定位技術：基于測距的定位算法，主要是根據場內設備所發射的RSSI建立距離轉化模型。在實時定位的過程中，當手機終端進入藍牙設備覆蓋的范圍時，可以接收到周邊無數個設備的RSSI，通過手機終端內置的藍牙掃描算法多次篩選出RSSI值最大的三個設備，并獲取其對應的坐標點，再通過其他的一些輔助方法來計算出終端的當前位置。

特點：室內環境復雜，而藍牙作為2.4GHZ高頻信號，會受到較大的干擾，為獲得很高的定位精度，算法需對手機實時獲取到的RSSI值進行多次獲取來平滑結果，造成定位計算時長的增加。優點是在室內環境發生變化時，定位結果的精準性受到的影響非常小。

適用場景：超大體量、室內環境變化大的場景。

由于會展的建筑體量大，且因展館內的地面隨時布展，環境變化大且頻繁，綜合考慮人力成本、時間成本、定位延時等因素，三角定位技術較適用于會展中心的室內定位。

綜上所述，藍牙具有功耗低、安全性高、抗干擾能力強的特點，現在的智能手機都帶有藍牙模塊，加上大的廠商如蘋果、騰訊對基于藍牙的Ibeacon（蘋果公司提出的低功耗藍牙技術）定位技術的支持，設計一套基于低功耗藍牙室內定位導航系統是個很好的選擇。

2 系統簡介

本案例以深圳國際會展中心為試點，深圳國際會展中心位于深圳市寶安區福海街道，建筑面積160萬平方米，展廳面積40萬平方米，是集展覽、會議、活動（賽事、演藝等）、餐飲、商業等于一體的超大型會展綜合體。通過在展廳、廊道、登錄廳、地下停車場部署藍牙設備，構建藍牙通信網絡，搭建云服務平臺和智能終端，實現會展中心智能室內定位導航系統的建設。

3 系統架構

3.1 系統架構

系統整體架構由藍牙信標、云服務平臺（電子地圖數據及定位算法）、智能終端三個重要部分組成。

（1）藍牙信標：部署在室內，做為定位基礎網絡設施，向外發送自己的MAC（Media Access Control Address，媒體存取控制位址）地址等ID信息及RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信號強度指示）等信號特征。

（2）云服務：存儲定位算法及電子地圖數據，負責為應用提供地圖數據、藍牙信標點位數據等服務。

（3）智能終端：通過獲取到的定位數據以及用戶應用操作提供停、尋車等基于位置的服務。

3.2 硬件選型

實現室內定位的前提是在整個建筑的全部室內區域實現藍牙信號覆蓋。考慮到會展中心的室內環境及對美觀的要求，在硬件的采用上，選擇了具有一定防水性能的室內信標，信標信息如表2所示。

表2 硬件技術參數

4 系統實施

考慮到微信的普及性及用戶使用導航的便利性，本次導航應用的研究決定搭載微信小程序。

4.1 藍牙信標部署

4.1.1 點位設計

（1）展館內

綜合考慮展館內的環境，展館中間區域的點位需沿著地溝設計。鑒于地溝蓋板的密封性，按點位間隔5米的標準呈直線型設計。同時，考慮到密閉空間的防潮，溝內藍牙點位需考慮防水性能好的設備。展館靠近各進出門的點位沿著門墻，按間隔6米一個點位的標準呈直線型設計，無須特別考慮防水。

圖1 展廳點位設計圖

（2）展館外步行區域

展館外的連廊等步行區域，寬度約為30米以上。6米以內的過道單條線性部署，大于6米的過道采用交叉部署的原則，該區域的點位最終按6米的線性點位間隔，9米的交叉點位設計。如圖2所示。

圖2 展館連廊區域點位設計圖

（3）停車場

因停車場存在開車及步行兩種導航需求，而開車的速度較步行快很多，因此在停車場的點位設計上，需要做加密處理。經反復測試，最終將藍牙點位的間隔設為4米，點位沿著車道呈直線型設計。

4.1.2 設備安裝

根據藍牙信標的信號發射特點，最好的安裝方式是吸頂式安裝在5米以內的天花板上。但現實往往難以達到理想的條件，需要因地制宜，參照點位設計在天花板、墻壁、立柱、扶梯或地上尋找合適的安裝位置。現選取幾處典型說明針對性的處理方式。

（1）7米高的吊頂

會展中心一樓的走廊為典型的超高吊頂，層高約7米，超出藍牙信標覆蓋的最佳距離不多。該區域依然采用天花板吸頂式安裝，安裝前將對應的天花板區域用抹布除塵，用3M強力膠將藍牙信標固定。

（2）10米以上空高的區域

會展中心二樓的連廊區域為典型的空高吊頂，整個層高在20米以上，完全超出藍牙信標吸頂部署的操作范疇，該區域便在地面處尋找安裝點。直接安裝于地面會影響用戶行走，存在安全隱患，若安裝于兩側圍欄面，則會影響美觀。最終選擇在步梯外側及欄桿底部安裝，設備與地面保持平行，同樣采用3M膠粘的方式。

4.2 地圖服務搭建

定位導航系統的呈現需要精準的地圖進行支撐，而制作精準的地圖則需要準確、完善的現場資料信息。參照CAD圖紙對現場進行核實比對，然后采用wgs84坐標系進行地圖的繪制工作。地圖的基礎數據處理完成后，再進行引擎調用及處理，生成輕量的2D、3D矢量地圖，供前端程序調用。

4.3 終端功能實現

實時計算智能終端精準位置的最終目的是為了實現用戶從A點到達B點的路徑指引。本次研究主要圍繞地圖展示、實時導航、位置分享等核心的位置服務功能，結合用戶在場景內差異化的需求，實現人性化的智能導航服務。

4.3.1 地圖展示

用戶可通過小程序掃碼的形式進入導航地圖。定位完成后，用戶在可進行場館地圖查看，POI信息查詢等功能，并支持手動對地圖進行360度的旋轉、平移、任意比例的放大、縮小等操作。

4.3.2 便捷檢索

為滿足用戶找得到的基本訴求，本文設計并實現了以下幾種便捷檢索方式，如周邊查詢、POI查詢、關鍵字查詢、歷史搜索等。用戶可結合個人的使用習慣和偏好進行信息檢索，以滿足不同使用場景的需要。

4.3.3 實時導航

選定目的地后，可進入實時導航。整個導航過程中，在關鍵節點特別是需要轉彎的地方，伴隨語音提示轉向信息。同時，在場內定位成功后，用戶可將自己當前定位或某個POI的位置，通過微信發送給朋友。

4.3.4 尋車導航

針對會展中心尋車難的問題，將藍牙定位導航系統與車位引導系統打通，為用戶提供自助便捷的尋車服務。用戶可隨時隨地通過微信小程序實現查詢附近空車位、找車、找最近客梯最近出口等服務。主要實現了號牌尋車和找空車位功能。

5 實施難點及解決方案

深圳國際會展中心的室內導航實施難點在于整個項目的面積非常龐大，場景復雜多變，層高過高且整體空曠，導致無法按常規標準來部署設備，容易出現跳點、卡頓等現象，影響整體的定位導航體驗。通過程序優化、硬件部署等進行了優化，避免跳點、卡頓等現象。

（1）設備部署難點及解決方案

難點：會展中心的行業特性注定了其展館區域存在展臺不固定、可變動性大的特點，并且展館內的天花板與地面的高度差在12米以上。藍牙設備無法部署于展館內的天花板上。若采用在開展前將設備側貼于展臺上的部署方式，則存在臨時布展設備壓力大，反復拆裝人力成本高，且設備可能會大量遺失的問題。

解決方案：將藍牙信標部署于館內的分布均勻的地溝內。

考慮到地溝內的環境及蓋板材質對信號的阻隔，設計將藍牙信標鋪在覆蓋地溝的蓋板反面。設備間隔5米布設一個，信號值調高一個級別，且所有信標采用天線方向為平行的防水設備，最大限度減少藍牙信號的衰減。如圖3所示。

圖3 展館內設備部署圖

（2）定位點飄移及解決方案

難點：由于藍牙信標的信號是周期性廣播的，當同一封閉空間內的信標數量較多時，極其造成相互間的干擾，使得定位計算獲取到的位置信息變化較多，所以在測試中發現手機靜止不動時，定位點一直在地圖上跳動，跳動范圍在3-10米。

解決方案：在定位算法中融入慣性定位算法，并優選更多信號點來參與計算，判斷手機是否進行了移動等，迅速解決了定位點飄移的現象。

6 結束語

結合深圳國際會展中心復雜多變的室內環境，反復分析用戶在室內的實際需求，基于藍牙定位技術實現了智能化的室內導航系統建設。經實際測試使用，該系統在90%以上的區域實現了1-2米的定位精準度，在部分安裝設備不理想的區域實現了3-5米的定位精準度，且展館在布展后無須任何信號調整、設備補點等維護性工作，亦可達到2米左右的定位精度。大大滿足了為布展、開展、逛展等群體提供目的地指引的室內定位導航需求。

該室內定位導航系統的獨立性及高兼容性，使得其可以輕松接入會展運營方、展會主辦方的宣傳窗口，從而為自己的宣傳平臺賦能。進而提高了會展運營方及展會主辦方信息化系統建設的能力、提升自己的品牌形象。