蓝牙iBeacon的低功耗室内人员定位系统的设计

张秋平 赵婧雯 杨妍 盛麦

摘要：根据室内人员定位的需求，设计了本系统，系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分实现人员位置信号的采集和传递，软件部分实现人员定位信息的显示。硬件部分由蓝牙标签、人员定位基站、LoRaWAN网关组成;通过接收的信号强度指示RSSI进行计算判断人员;软件部分指客户端通过APP扫描周围蓝牙设备显示人员定位信息。经测试，该系统实现了低功耗、低成本的人员定位功能。

关键词：蓝牙;iBeacon;低功耗;人员定位;LPWAN网关

中图分类号：TP319        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）24-0103-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 概述

室内定位技术，指的是在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。GPS定位主要是针对室外定位，但是由于建筑物遮挡，使GPS定位技术难以在室内定位展开实际应用;随着科技的进步和人们生活水平的逐步提高，精确定位的需求越来越迫切，急需另一种方案来补充室内定位，蓝牙iBeacon硬件具有成本低、功耗小、工作时间长、易部署等特点，适用于低功耗室内人员定位系统设计。

2 工作原理

低功耗蓝牙iBeacon技术则更适用于室内定位系统，在室内定位人员和物体，iBeacon技术可以很好的判断具体方位，实现接收、传输、存储、上传信息甚至扫描、定位用户等多种功能。iBeacon一项低耗能蓝牙技术，工作原理类似之前的蓝牙技术，由Beacon发射信号，蓝牙设备定位接受，反馈信号。当用户进入、退出或者在区域内徘徊时，Beacon的广播有能力进行传播，可通过接收的信号强度指示RSSI计算用户和Beacon的距离，由此可知，只要有三个Beacon设备即可定位，本系统采用Trilateration三边测量定位。三边测量是无线传感器网络节点自定位的重要方法，是一种易于实现、开销较小的定位算法。三边测量定位算法是通过三个锚节点坐标信息和待定位节点到锚节点距离信息来计算待定位的坐标。

本系统是低功耗室内定位系统，设计能够在室内人员定位，采用基于蓝牙的iBeacon技术通过LPWAN网关低功耗远距离传输，具有定位精度高、功耗低距离远。系统总体功能有四个，对施工场地工作人员是否按时到岗的监测;对施工人员和巡视员工作情况数据上传;对人员数据保存及查询;对用户管理。

3 硬件设计

该系统由如下几个设备组成： BeaconSense蓝牙标签以相同的发送功率发送ibeacon格式广播信息，当工作人员移动时，人员标签的运动检测功能将检测到该移动状态，并通过广播信号向外广播该工作人员移动状态;BeaconSense人员定位基站接收BeaconSense人员标签发送的ibeacon格式广播信息，记录人员的UUID、RSSI和状态等ID信息，BeaconSense人员定位基站向LoRaWAN网关发送人员状态消息; loraWAN网关是高度集成低功耗无线控制模块，主要采用LoRa专利远程调制解调技术，起到网关的作用。系统将这些数据发送到云平台，云管理平台可以用过这些信标找到相对应工作人员所在的位置。硬件设备如图1所示。

本项目主要主要涉及到的硬件设备有：BeaconSense蓝牙标签、BeaconSense人员定位基站、loraWAN网关、通信模式、客户端开发软件。对应模块及功能如下：

1）BeaconSense蓝牙标签：BeaconSense蓝牙标签在静止状态下自动进入低功耗状态，周期性地以相同的发送功率发送ibeacon格式广播信息，人员定位基站周期性采集其信号覆盖范围内的人员广播信息。当工作人员移动时，人员标签的运动检测功能将检测到该移动状态，并通过广播信号向外广播该工作人员移动状态。

2）BeaconSense人员定位基站：BeaconSense人员定位基站接收BeaconSense人员标签发送的ibeacon格式广播信息，记录人员的UUID、RSSI和状态等ID信息，通过内置的滤波算法和门限判断算法确定标签是否处于人员定位基站信号覆盖范围内，当发现有人员移动/离开该范围时，BeaconSense人员定位基站向Easylinkin LoRaWAN网关发送人员状态消息。人员定位基站会定期发送处于监测范围内的人员标签状态信息及人员定位基站工作/休眠时间统计等信息。

3）loraWAN网关：LoRaWANModule（以下称LWM）是高度集成低功耗无线控制模块，主要采用LoRa专利远程调制解调技术，内置STM32L系列CPU，用于超长距离扩频通信，其在最大限度地降低电流消耗的同时，又大幅提高 了抗干扰性和灵敏度。此外，其高灵敏度与功率放大器的集成使这些器件的链路预算达到了行业领先水平，成为远距离传输和对可靠性要求极高的 应用的最佳选择。

4 软件设计

4.1 网络实现

BeaconSense人员定位标签周期性发送iBeacon协议的广播信号，信号包含人员ID等各种信息，BeaconSense人员定位基站中内置蓝牙信号接收器和LoRaWAN模块，人员定位基站采集人员标签发送的广播信号，通过对接收RSSI进行计算判断人员标签是否处于人员定位基站的信号覆盖范围内，通过LoRaWAN向Easylinkin LoRaWAN網关发送人员标签的广播信息， Easylinkin LoRaWAN网关将信息转发给Easylinkin云平台， Easylinkin云平台进行后续的数据分发和应用层处理本系统的拓扑图如2所示。

4.2 解析数据，进行应用开发

系统通过函数private boolean fromScanData（byte[] scanData， IBeaconRecord record）监听回调，，解析蓝牙数据流。扫描结果放在mapBltScanResult里，该HashMap的key由设备Mac地址和名称组成（address_name），value是个ArrayList，记录着该蓝牙设备多次扫描得到的信息（IBeaconRecord）序列，请求定位服务或本地计算定位之前，这些序列要进行平均处理（其实只是平均rssi值）。经过RSSI值多次平均处理后，一定程度上减小蓝牙设备不稳定因素。

客户端App开发，客户端App主要功能就是扫描周围蓝牙设备，将设备列表信息上传定位服务器，从而获得定位效果，并展现给终端用户。 使用Android 4.3系统Jelly Bean中支持BLE，从此后可以运用BLE为相互连接的设备开发App。先要确定App所需权限（AndroidManifest.xml文件），创建beacon数据项类，接着通过创建扫描工具类，对蓝牙节点进行扫描，搜索蓝牙节点的设备信息，然后请求定位服务，最后监听回调，解析蓝牙数据流，定位信息显示在APP界面上。

5 系统测试

在该系统的硬件搭建和软件调试后，设计并实现了基于蓝牙的iBeacon技术的大型会议室人员定位跟踪系统，显示巡视人员和工作人员在大型会议室的位置，操作人员工作区域设置为001，085号，室内放置iBeacon基站，红色部分为监督员巡视路线。会议通过LPWAN网关低功耗远距离传输，具有定位精度高、功耗低距离远等优势，工作界面如图1所示。

由于此定位系统采用的是蓝牙+iBeacon，其功耗非常低，这让室内定位系统续航能力非常强，在对于许多方面的应用非常好，在对人或物定位时不必担心系统没电，也不用经常性的去更换硬件，相比人工监控成本更低，更加实用，因此其有一定的应用价值。

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【通联编辑：朱宝贵】