（2020年江苏省通信学会“华苏杯”论文征集一等奖）基于蓝牙定位技术的会展中心导航解决方案

张兴晔

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

随着智能手机的普及，互联网公司的飞速发展，基于GPS定位的室外位置服务已经深入人们的生活，使人们在陌生的环境下依然随时可以快速精准地找到目的地。当人们处于大型商场、会展等场所时，面对并不熟悉的内部环境，同样渴望位置服务来继续提高其出行效率。因此，如何找到适用于室内的定位技术，是一件亟待解决的事情。

相较之下，会展中心是一个城市中人流量集中、业务量大，且地形多变的建筑体。尤其是会展中心在空间上有着“空”和“大”的显著特点，展厅不但高、跨度也大，同时基础服务设施、地下停车场等配套空间位置复杂，对于参展人员和观众等在如此复杂的空间中如何精确、高效地找到所需的目标地址，是本方案研究的重点，因此在该场景下研究及实现智能室内导航技术具有重大意义。

1 室内定位技术简介

当前常用的室内导航定位技术有四种：

（1）WIFI定位：WIFI定位依靠AP与手机的通信来实现，虽然目前公共场所的WIFI已普及，但单个AP的设备成本依然不便宜，AP部署更多的是考虑WIFI的信号覆盖面，远达不到三角定位算法要求的部署规范。要获得较精准的定位，需大量采集点位信号建立数据库，通过信号点的强度与数据库的匹配度来确定手机的位置。由于WIFI信号极易受环境的影响，且需要大量的人工进行定期维护，导致该技术难以发展，且精度只能达到5-10米。

（2）蓝牙定位：蓝牙定位主要依靠蓝牙信标与智能手机的通信。蓝牙信标不停的对外广播自己的ID，终端获得附近信标的ID后会从云端后台拉取ID对应的位置信息，并估算与各信标之间的距离。因此，只需要终端附近有三个或以上信标，就可以计算出终端的具体位置。

（3）惯性定位：这是一种纯客户端的技术，主要利用移动终端惯性传感器采集的运动数据，如加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息，基于航位推测法，经过各种运算得到终端的位置信息。但终端难以保证时刻处于匀速运动的状态，随着距离和时间的增加，定位的误差会不断累积。

（4）地磁定位：地磁定位技术通过捕捉“室内地球磁场”的特征来实现定位。通过手机端的地磁传感器采集室内不同位置的磁场数据，从而匹配出手机在空间中的相对位置。但地磁信号本身易受室内环境变化的影响，从而对位置的获取产生较大影响。

以上四种定位技术的特点从经济性、精准性、稳定性几个方面来比较的结果如表1所示。

表1 定位技术对比

目前主流的蓝牙室内定位技术可以简单分为两大类：基于指纹匹配的定位技术和基于测距的三角定位技术。

（1）指纹定位技术：基于指纹匹配的定位技术由离线与在线两个阶段构成。离线阶段即指纹库采集阶段，首先进行定位区域的网格划分，然后采集不同网格的信号特征值，将采集得到的信号建立定位指纹库，特征值可为RSSI或者距离等信息。在线阶段即指纹定位阶段，测量信号特征值，将测量的信号特征值与指纹库中的预存信息进行指纹匹配，根据匹配算法得到终端坐标位置。

特点：需在前期采集指纹数据，建立指纹数据库。指纹数据易受环境变化影响，若场内进行了现场改造，原始的指纹数据库将不再适用，将会造成定位结果的混乱。

适用场景：小体量、层高偏高、室内环境稳定的场景。

（2）三角定位技术：基于测距的定位算法，主要是根据场内设备所发射的RSSI建立距离转化模型。在实时定位的过程中，当手机终端进入蓝牙设备覆盖的范围时，可以接收到周边无数个设备的RSSI，通过手机终端内置的蓝牙扫描算法多次筛选出RSSI值最大的三个设备，并获取其对应的坐标点，再通过其他的一些辅助方法来计算出终端的当前位置。

特点：室内环境复杂，而蓝牙作为2.4GHZ高频信号，会受到较大的干扰，为获得很高的定位精度，算法需对手机实时获取到的RSSI值进行多次获取来平滑结果，造成定位计算时长的增加。优点是在室内环境发生变化时，定位结果的精准性受到的影响非常小。

适用场景：超大体量、室内环境变化大的场景。

由于会展的建筑体量大，且因展馆内的地面随时布展，环境变化大且频繁，综合考虑人力成本、时间成本、定位延时等因素，三角定位技术较适用于会展中心的室内定位。

综上所述，蓝牙具有功耗低、安全性高、抗干扰能力强的特点，现在的智能手机都带有蓝牙模块，加上大的厂商如苹果、腾讯对基于蓝牙的Ibeacon（苹果公司提出的低功耗蓝牙技术）定位技术的支持，设计一套基于低功耗蓝牙室内定位导航系统是个很好的选择。

2 系统简介

本案例以深圳国际会展中心为试点，深圳国际会展中心位于深圳市宝安区福海街道，建筑面积160万平方米，展厅面积40万平方米，是集展览、会议、活动（赛事、演艺等）、餐饮、商业等于一体的超大型会展综合体。通过在展厅、廊道、登录厅、地下停车场部署蓝牙设备，构建蓝牙通信网络，搭建云服务平台和智能终端，实现会展中心智能室内定位导航系统的建设。

3 系统架构

3.1 系统架构

系统整体架构由蓝牙信标、云服务平台（电子地图数据及定位算法）、智能终端三个重要部分组成。

（1）蓝牙信标：部署在室内，做为定位基础网络设施，向外发送自己的MAC（Media Access Control Address，媒体存取控制位址）地址等ID信息及RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示）等信号特征。

（2）云服务：存储定位算法及电子地图数据，负责为应用提供地图数据、蓝牙信标点位数据等服务。

（3）智能终端：通过获取到的定位数据以及用户应用操作提供停、寻车等基于位置的服务。

3.2 硬件选型

实现室内定位的前提是在整个建筑的全部室内区域实现蓝牙信号覆盖。考虑到会展中心的室内环境及对美观的要求，在硬件的采用上，选择了具有一定防水性能的室内信标，信标信息如表2所示。

表2 硬件技术参数

4 系统实施

考虑到微信的普及性及用户使用导航的便利性，本次导航应用的研究决定搭载微信小程序。

4.1 蓝牙信标部署

4.1.1 点位设计

（1）展馆内

综合考虑展馆内的环境，展馆中间区域的点位需沿着地沟设计。鉴于地沟盖板的密封性，按点位间隔5米的标准呈直线型设计。同时，考虑到密闭空间的防潮，沟内蓝牙点位需考虑防水性能好的设备。展馆靠近各进出门的点位沿着门墙，按间隔6米一个点位的标准呈直线型设计，无须特别考虑防水。

图1 展厅点位设计图

（2）展馆外步行区域

展馆外的连廊等步行区域，宽度约为30米以上。6米以内的过道单条线性部署，大于6米的过道采用交叉部署的原则，该区域的点位最终按6米的线性点位间隔，9米的交叉点位设计。如图2所示。

图2 展馆连廊区域点位设计图

（3）停车场

因停车场存在开车及步行两种导航需求，而开车的速度较步行快很多，因此在停车场的点位设计上，需要做加密处理。经反复测试，最终将蓝牙点位的间隔设为4米，点位沿着车道呈直线型设计。

4.1.2 设备安装

根据蓝牙信标的信号发射特点，最好的安装方式是吸顶式安装在5米以内的天花板上。但现实往往难以达到理想的条件，需要因地制宜，参照点位设计在天花板、墙壁、立柱、扶梯或地上寻找合适的安装位置。现选取几处典型说明针对性的处理方式。

（1）7米高的吊顶

会展中心一楼的走廊为典型的超高吊顶，层高约7米，超出蓝牙信标覆盖的最佳距离不多。该区域依然采用天花板吸顶式安装，安装前将对应的天花板区域用抹布除尘，用3M强力胶将蓝牙信标固定。

（2）10米以上空高的区域

会展中心二楼的连廊区域为典型的空高吊顶，整个层高在20米以上，完全超出蓝牙信标吸顶部署的操作范畴，该区域便在地面处寻找安装点。直接安装于地面会影响用户行走，存在安全隐患，若安装于两侧围栏面，则会影响美观。最终选择在步梯外侧及栏杆底部安装，设备与地面保持平行，同样采用3M胶粘的方式。

4.2 地图服务搭建

定位导航系统的呈现需要精准的地图进行支撑，而制作精准的地图则需要准确、完善的现场资料信息。参照CAD图纸对现场进行核实比对，然后采用wgs84坐标系进行地图的绘制工作。地图的基础数据处理完成后，再进行引擎调用及处理，生成轻量的2D、3D矢量地图，供前端程序调用。

4.3 终端功能实现

实时计算智能终端精准位置的最终目的是为了实现用户从A点到达B点的路径指引。本次研究主要围绕地图展示、实时导航、位置分享等核心的位置服务功能，结合用户在场景内差异化的需求，实现人性化的智能导航服务。

4.3.1 地图展示

用户可通过小程序扫码的形式进入导航地图。定位完成后，用户在可进行场馆地图查看，POI信息查询等功能，并支持手动对地图进行360度的旋转、平移、任意比例的放大、缩小等操作。

4.3.2 便捷检索

为满足用户找得到的基本诉求，本文设计并实现了以下几种便捷检索方式，如周边查询、POI查询、关键字查询、历史搜索等。用户可结合个人的使用习惯和偏好进行信息检索，以满足不同使用场景的需要。

4.3.3 实时导航

选定目的地后，可进入实时导航。整个导航过程中，在关键节点特别是需要转弯的地方，伴随语音提示转向信息。同时，在场内定位成功后，用户可将自己当前定位或某个POI的位置，通过微信发送给朋友。

4.3.4 寻车导航

针对会展中心寻车难的问题，将蓝牙定位导航系统与车位引导系统打通，为用户提供自助便捷的寻车服务。用户可随时随地通过微信小程序实现查询附近空车位、找车、找最近客梯最近出口等服务。主要实现了号牌寻车和找空车位功能。

5 实施难点及解决方案

深圳国际会展中心的室内导航实施难点在于整个项目的面积非常庞大，场景复杂多变，层高过高且整体空旷，导致无法按常规标准来部署设备，容易出现跳点、卡顿等现象，影响整体的定位导航体验。通过程序优化、硬件部署等进行了优化，避免跳点、卡顿等现象。

（1）设备部署难点及解决方案

难点：会展中心的行业特性注定了其展馆区域存在展台不固定、可变动性大的特点，并且展馆内的天花板与地面的高度差在12米以上。蓝牙设备无法部署于展馆内的天花板上。若采用在开展前将设备侧贴于展台上的部署方式，则存在临时布展设备压力大，反复拆装人力成本高，且设备可能会大量遗失的问题。

解决方案：将蓝牙信标部署于馆内的分布均匀的地沟内。

考虑到地沟内的环境及盖板材质对信号的阻隔，设计将蓝牙信标铺在覆盖地沟的盖板反面。设备间隔5米布设一个，信号值调高一个级别，且所有信标采用天线方向为平行的防水设备，最大限度减少蓝牙信号的衰减。如图3所示。

图3 展馆内设备部署图

（2）定位点飘移及解决方案

难点：由于蓝牙信标的信号是周期性广播的，当同一封闭空间内的信标数量较多时，极其造成相互间的干扰，使得定位计算获取到的位置信息变化较多，所以在测试中发现手机静止不动时，定位点一直在地图上跳动，跳动范围在3-10米。

解决方案：在定位算法中融入惯性定位算法，并优选更多信号点来参与计算，判断手机是否进行了移动等，迅速解决了定位点飘移的现象。

6 结束语

结合深圳国际会展中心复杂多变的室内环境，反复分析用户在室内的实际需求，基于蓝牙定位技术实现了智能化的室内导航系统建设。经实际测试使用，该系统在90%以上的区域实现了1-2米的定位精准度，在部分安装设备不理想的区域实现了3-5米的定位精准度，且展馆在布展后无须任何信号调整、设备补点等维护性工作，亦可达到2米左右的定位精度。大大满足了为布展、开展、逛展等群体提供目的地指引的室内定位导航需求。

该室内定位导航系统的独立性及高兼容性，使得其可以轻松接入会展运营方、展会主办方的宣传窗口，从而为自己的宣传平台赋能。进而提高了会展运营方及展会主办方信息化系统建设的能力、提升自己的品牌形象。