基于LED照明和iBeacon的室内定位导航系统的研究

饶怡欣

摘 要：为了满足当前大型建筑室内定位导航和商业应用的需求，在分析iBeacon室内定位技术的基础上，针对智能设备的取电问题提出了LED照明与iBeacon结合的基站实现方案，详细探讨了基于iBeacon的室内定位导航系统的系统架构、系统组成与部署和系统功能设计方案。通过运行效果分析，該系统具有施工简便、定位精度高、信号干扰小等优势。

关键词：LED；iBeacon；室内定位；室内导航

中图分类号：TN966 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.049

随着O2O业务以及LBS数据业务的迅速发展，人们对室内定位与导航的需求日益增加，尤其是在复杂的室内环境中，比如大型商场、机场、博物馆等环境中，用户常常需要获取自己的位置及周边信息。LBS系统的应用场景非常广阔，在定位和导航应用的基础上，根据不同的商业场景订制开发近场景O2O互动应用，提高商业的现场转化率。此外，为了响应国家节能减排的号召，当前对于大型商场、办公楼宇等室内照明系统工程，无论是新装还是改造，均普遍使用了LED照明系统，我们创新地将互联网技术与智能照明系统结合，使智慧科技融入了能源利用的每个细节，解决了室内照明问题的同时，还解决了物联网智能设备的取电问题。

因此，本文首先对当前流行的iBeacon室内定位技术进行了分析，然后提出了LED照明与iBeacon基站结合的实现方案，详细探讨了基于iBeacon的室内定位导航系统的设计方案，分别从系统架构、系统组成与部署、系统功能和系统运行效果4方面进行了阐述。

1 iBeacon定位概述

1.1 iBeacon简介

iBeacon是苹果公司于2013-09发布的一项用于室内定位的技术，该项技术与其他室内定位技术相比具有易部署、功耗低、成本低、定位精度高等优势，但是需要额外部署iBeacon基站和用户打开蓝牙。iBeacon设备具有低功耗蓝牙通信功能，以一定的周期向周围发送自己特有的ID，接收到该ID的智能终端上的APP会根据抓取的UUID和RSSI信息向系统反馈，并通过后台系统进行相应的信息处理，为用户提供各种位置感知、上下文感知服务等。

1.2 iBeacon定位原理

iBeacon室内定位系统主要由iBeacon基站和移动终端部分组成，基站与移动终端之间采用蓝牙4.0通信协议，在移动终端上配套使用应用软件以实现用户交互。

iBeacon基站的报文主要由以下4种资讯构成：①UUID为标准规定的128位标识符，是每个iBeacon节点的通用唯一标识符；②Major和Minor由iBeacon发布者自行设定，均为16位的标识符；③Measured Power是iBeacon模块与接收器之间相距1 m时的参考接收信号RSSI（Received Signal Strength Indicator）。

iBeacon室内定位系统的工作原理：用户随身携带的移动终端捕捉来自于布设在相应区域内的iBeacon基站周期性发送的包含UUID等特征值的报文信息，并过滤出信号最强的3个基站；移动终端先解算抓取的UUID和RSSI信息并传送至平台系统，平台系统通过精确定位算法确定出人员的精确位置后反馈到移动终端上。

2 基于LED照明的iBeacon基站设计

当前，对于大型商场、办公楼宇等的室内照明系统工程，无论是新装的，还是改造项目，均普遍使用了LED照明系统。为了解决室内照明和物联网智能设备取电的问题，我们进行了安装方式的创新，将iBeacon基站模块植入LED照明的电源中，将两者集成一体，电源同时为LED灯珠和iBeacon模块供电。

我们在设计过程中也遇到了诸多难点和问题，比如把LED灯珠和iBeacon的用同一套电源供电会带来温升过高、光效降低等问题，灯具的结构、材料、安装都会对蓝牙信号在传输过程中的衰减造成很大的影响。我们在设计过程中对上述问题均使用了有针对性的解决方案，从而保证系统定位精度的要求。

3 基于iBeacon的室内定位导航系统设计

3.1 系统架构

本系统根据物联网M2M的应用要求，利用iBeacon室内定位技术，基于SOA软件架构，采用J2EE技术框架，支持多种设备的接入，通过SaaS模式对外提供服务。

根据系统需求分析，本系统分层架构设计包含设备接入层、数据层、应用层和表现层。设备接入层主要负责iBeacon基站与智能终端之间的设备感知和接入；数据层主要负责数据采集、数据处理和数据存储，建立系统大数据中心和标准化数据接口；应用层主要负责建立各种业务处理引擎，比如定位导航引擎、广告推送引擎、用户动态分析引擎等；表现层主要负责提供与不同使用者交互的各种应用，交互方式主要包括Web、APP和微信端应用3种。

3.2 系统组成与部署

搭建基于iBeacon技术的LBS系统主要由一定数量的分布在室内各个区域的iBeacon基站、用户随身携带的智能移动终端、云服务器和监控终端组成，如图1所示。

本研究使用的iBeacon基站采用与iBeacon模块集成一体设计的LED灯具，按照单个基站的信号覆盖范围、系统定位精度和建筑物的特点进行基站安装的部署设计。iBeacon基站预先绑定了设计好的地图位置信息，以设定的频率广播iBeacon信号，以便于进入覆盖范围内的智能移动终端接收。根据相关工程试验证明，基站部署间隔在15 m以内能够保证较好的定位精度。如果LED灯具的分布不符合精度要求，则应补充部署使用蓄电池供电的iBeacon基站。智能移动终端须具有蓝牙4.0功能和安装专有APP或微信，终端应用接收到基站的信息并将该信息发送至云服务器，通过交互获得基于位置的活动通知、广告信息、定位导航等服务。云服务器运行室内定位导航系统软件，实时处理各种业务应用，包括定位导航、广告信息推送、找朋友、找车、商户管理、广告管理等业务应用。监控终端包括PC、Pad和手机等终端设备，管理员使用监控终端通过Web或APP方式登录云服务器对系统的各种应用、数据、参数进行管理。

3.3 系统功能

本系统的功能按照普通用户、商户管理者和运营管理者三类使用者的应用场景进行设计，统一的云平台系统为这三类使用者提供各种服务及功能。

系统为普通用户提供的功能主要是基于位置的服务功能，主要包含室内地图的智能定位导航、找朋友、找车、找优惠、找Wi-Fi和根据用户位置适时推送各种广告信息等服务功能。用户与系统的交互方式可采用专有APP或微信“摇一摇”周边的公众号应用。

系统为商户管理者提供的功能主要用于对商户信息、活动、宣传等进行管理，以及商场内大型活动或优惠的通知，包含商户信息、优惠活动信息、宣传广告、互动信息管理等服务功能。商户管理者与系统的交互方式可采用专有APP或Web网页应用登录。

系统为运营管理者提供的功能主要用于对商铺发布的信息进行审核和监管，对运营规则进行设置，对运营数据进行分析，以及iBeacon基站的管理和日常维护，包含地图管理、设备管理、用户管理、数据统计、广告管理和系统管理等服务功能。运营管理者与系统的交互方式可采用专有APP或Web网页应用登录。

3.4 系统运行效果

为了验证系统的定位导航功能和分析系统的运行效果，我们将本研究设计的系统应用在某一大型办公楼宇中，在楼宇某一层中部署基于LED照明的iBeacon基站，手持移动手机，使用微信“摇一摇”周边的公众号应用，主要验证和分析了系统的找车功能。

打开应用的找车功能，系统会显示当前所处位置的地图并根据记录的车辆停放的位置自动生成导航路径，找车过程中实施跟踪路径，直到用户按照路径找到车辆。通过多次验证测试发现，定位的精度可达到3～5 m之内，而在基站部署更密的地方定位精度可达1 m以内，系统的其他各项功能均能正常使用。

4 结束语

基于iBeacon的室内定位导航系统不仅具有施工简便、定位精度高、基站成本低和信号干扰小等优势，而且可以根据更多的商业需求实现丰富的拓展功能。本文创新地实现了LED照明与iBeacon基站结合的解决方案，在完成室内照明建设的同时，解决了设备的取电问题，并通过搭建的室内定位导航系统平台，实现了智能定位导航服务、设备管理、用户管理、LBS信息推送等功能，为不同的使用者提供了丰富的应用功能和交互方式。

参考文献

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〔編辑：张思楠〕