基于Beacon與微信的室內定位導航系統的研究

引 言

近年來，隨著情景感知和環(huán)境智能應用的發(fā)展，人們在生活中對定位的需求越來越迫切。基于位置服務（LBS）的研究與應用在國內外掀起了熱潮。根據定位環(huán)境的不同，定位可分為室外定位和室內定位。室外定位主要采用兩種方式，即基于人造衛(wèi)星的定位與基于移動運營網絡的基站的定位。室外定位技術已非常成熟。由于人造衛(wèi)星 GPS 定位系統在室內環(huán)境或高層建筑密集的地區(qū)無法偵測到衛(wèi)星信號，故無法滿足人們對室內定位的要求。相較室外定位技術，室內定位的發(fā)展還處在初始階段。但隨著人民生活水平的提高，機動車數量迅速增長，越來越多的大型停車場相繼建立，停車場的結構也越來越復雜。由于停車場空間大、環(huán)境及標志物類似、方向不易辨別等原因，用戶在停車場易迷失方向，既不易尋找車位返回時也不易尋找車輛。鑒于此，本文提出了基于Beacon 技術和微信相結合的室內定位導航系統，其主要功能包括空余停車位查詢、車位精準導航、停車場內導航及反向尋車等

目前智能停車場大多實現了出入口車輛識別和停車繳費的智能化，但車位引導大多靠人工完成?；谑覂榷ㄎ粚崿F移動終端的導航停車應用系統相對較少。常見的室內無線定位技術主要包括室內 GPS 定位技術、紅外線室內定位技術、藍牙技術、射頻識別技術、WiFi 技術、ZigBee 技術[1]。受定位精度、定位成本和室內環(huán)境復雜性的限制，各種室內定位技術有各自不同的應用場景。Beacon 技術和WiFi 技術更適合對用戶設備位置的感知，用戶利用智能手機可實現位置的感知WiFi室內定位技術最大的問題在于無線信號受環(huán)境的影響較大，樓層之間的信號干擾較大，一旦環(huán)境發(fā)生變化，WiFi 定位算法所采用的指紋算法需要重新調整，工作量較大 [2]。早期的藍牙室內定位技術最大的優(yōu)點是設備體積小、易于集成在PDA，PC 以及手機中，但最大的不足是藍牙器件和設備的價格較高，且功耗大。藍牙技術 4.0 標準支持新藍牙低功耗連接，Beacon 設備成本低，且此設備僅憑一顆紐扣電池供電就能運行數年。因此 Beacon 技術因其部署簡單、成本低、定位精度高等特性，為停車場內定位服務提供了可能

1 基于Beacon與微信相結合的室內定位模式

1.1 Beacon 技術原理

Beacon 利用低功耗藍牙技術向周圍發(fā)送自己的廣播數據，所有接收范圍內支持低功耗藍牙的設備均可收到信息Beacon 協議的廣播數據結構如圖 1 所示 [3]

UUID 是唯一的標識符，用128 bit 表示，應用程序通過UUID 判斷此 Beacon 設備是否合法，是否推送消息。Major 是一組相關的Beacon 設備的主設備號，占用16 bit，通過該字段應用程序可知道感知者屬于哪一個特點的組，Minor 為每個 Beacon 的次設備號，占用16 bit。通過Major 和 Minor 的組合，應用程序可大致感知用戶的位置。Transmitter Power 是Beacon 發(fā)射模塊與接收器距離 1 m 時參考接收信號的強度占用 8 bit。通過接收強度距離估計算法，可計算出 Beacon 設備與感知用戶的距離，實現用戶定位。支持低功耗藍牙技術的終端設備包括 iPhone 4s 及以上蘋果設備，安卓 4.3 及以上設備等[4]。目前大多智能手機都支持藍牙 4.0 標準。這為智能手機作為室內定位導航系統的終端接收設備提供了可行性

1.2 微 信

根據騰訊公司發(fā)布的統計數據，截至 2017 年 12 月微信全球共計 8.89 億活動用戶，新興的公眾號平臺有 1 000 萬個微信在我國移動應用市場上具有越來越高的市場占有率。微信公眾平臺是騰訊公司 2012 年 8 月在微信的基礎上構建的自媒體平臺，通過這一平臺，機構和個人都可通過公眾賬號的形式向訂閱用戶推送信息及提供交互服務。微信為公眾號使用者提供了眾多開發(fā)接口，接口中有 H5 頁面，H5 頁面制作簡捷，可通過微信 JS-SDK 獲取周邊設備信息接口，微信 JS-SDK 是微信公眾平臺面向網頁開發(fā)者提供的基于微信內的網頁開發(fā)工具包。通過使用微信 JS-SDK，網頁開發(fā)者可借助微信 APP 高效使用拍照、選圖、語音、位置等手機功能，同時可以直接使用微信分享、掃一掃等微信特有的能力，為微信用戶提供更優(yōu)質的網頁體驗。這些都為采用第三方微信 APP 實現室內定位導航系統人機交互提供了可能

對于Beacon 設備在市場上已有不少成熟的產品，微信開通的搖周邊功能插件 [5] 介紹了很多與微信相配合使用的Beacon 設備，這些設備價格低廉，安裝方便。同時還提供了設備的詳細配置說明和開發(fā)接口介紹。使用微信 APP 來采集Beacon 信號，實現對停車場的智能化管理，節(jié)省了APP 開發(fā)成本。以微信瀏覽器為前端開發(fā)展示平臺，克服了不同瀏覽器的兼容問題，同時也避免在 Android，iOS 不同手機操作系統下操作產生的不一致性

1.3 室內定位導航系統前期準備階段

(1) 停車場經營人員需申請微信公眾號，并向騰訊申請獲取微信公眾平臺的開發(fā)權限

(2) 繪制出停車場的平面結構圖，構造室內定位算法模型根據室內環(huán)境和障礙物的分布，依據定位精度級別進行室內算法模型的訓練。根據Beacon技術資料反饋，在理想環(huán)境下利用 Beacon基站發(fā)射信號，移動終端接收信號并反饋信息實現定位，精度可達厘米級 [6]。對于文中室內定位導航系統定位精度可設置為 3～5m。根據定位精度確定某一停車場的室內定位算法模型，確定需要安裝藍牙設備的數目及安裝位置

(3) 安裝Beacon設備后，通過公眾平臺添加設備，每添加一個設備即生成一組設備號。微信后臺會將設備號與真實的設備建立一一映射關系，完成 Beacon設備和微信公眾號綁定的操作。打開手機藍牙，進入微信搖一搖界面，出現“周邊即代表手機微信能收到此 Beacon設備廣播的信息

2 系統設計

2.1 系統功能設計

此系統包括公眾號后臺管理系統、Beacon 技術定位系統、拍照上傳系統、數據分析系統。具體系統功能如圖 2 所示

Beacon 技術定位系統通過構造定位模型，采用三點定位法 [7] 或根據 RSSI 信號強度選用 K 近鄰算法[8]，實現移動終端用戶的定位。拍照上傳子系統檢測車位是否有車輛，若有車輛停放則拍照上傳圖像。數據分析子系統主要根據移動端用戶位置信息完成目的路徑規(guī)劃，并生成應用地圖，完成停車場內的導航。根據上傳的車輛圖片完成車牌識別，建立車牌和車位映射關系。根據映射信息統計停車場空余車位的信息。數據分析子系統功能主要在云服務器端完成

2.2 系統硬件部署

基于Beacon 與微信結合的停車場智能導航系統硬件包括若干Beacon 設備、移動終端設備（智能手機和 PAD）、智能拍照設備，云服務器。其中 Beacon 設備是整個系統的核心應用程序通過微信接口請求藍牙信號時，每隔一秒請求一次距離信息，直到距離數據穩(wěn)定后再調用停止定位接口，并通過PHP 將數據發(fā)送至云服務器。拍照上傳子系統應包括感應裝置和攝像頭，由應用程序對其進行設置，車輛進入車位，感應裝置觸發(fā)攝像頭拍照并上傳至云服務器。通過調整攝像頭角度完成車位的覆蓋。為保證拍照上傳子系統的穩(wěn)定性，這部分大多采用有線傳輸。云服務器可租用百度云、阿里云或騰訊云，他們能提供良好的 PaaS 服務，且無需專人維護

2.3 系統的操作流程

系統操作流程如圖 3 所示。使用系統的前提條件是用戶需關注停車場公眾號，并打開手機藍牙

3 結 語

本系統能較好地解決當今社會面臨的用戶停車難、車位使用率卻不高的問題，幫助用戶在停車場實現空余車位精準導航以及提供反向尋車服務。本系統采用第三方微信 APP 完成信息交互，減少了用戶下載安裝 APP 的麻煩，同時節(jié)省了軟件的開發(fā)成本。本系統的室內導航地圖生成僅依據平面結構圖完成基本路徑導航，若地圖導航完善為三維實景，可為用戶帶來更好的體驗。但系統在實際建設過程中也存在定位精度如實時性、信息安全性兩方面問題

(1) 定位精度和定位實時性的問題對于非精準感知位置服務（本系統室內定位精度＜ 5 m

即能滿足用戶需求），定位實時性要求不高（重點區(qū)域達到定位精度即可，比如停車入口處，用戶返回時尋車入口屬于重點區(qū)域），定位算法相對簡單?？梢赃m量減少 Beacon 設備數量若要精準定位（達到 1 m 之內），同時實現室內的定位實時性，則需加大 Beacon 設備數量的部署密度，但存在信號間干擾問題，需采用更復雜的定位算法?，F今大型室內停車場有的為多層結構，地理環(huán)境復雜，為達到精度要求需構造更復雜的定位算法模型，反復測試完善模型。

（2）信息的安全性問題

由于 Beacon 協議開放，其通信存在一定的安全隱患，任何人都可偽造相同 ID 的 Beacon 基站與應用程序交互。因此保障通信安全尤為重要。

本系統采用微信 APP 完成信息交互，具有一定程度的局限性。可開發(fā)專用 APP 來完成室內定位導航系統客戶端的應用軟件。目前本系統只實現了某停車場的智能導航。隨著“互聯網 +”技術的廣泛應用，智慧城市、智慧交通已走進我們的生活，如果集中管理整個城市的公共停車位，且各停車場的內部結構圖可如百度地圖般可視化，則我們可通過 APP 隨時定位查詢各停車場的信息，并實現指定停車位的精準導航。但此舉會涉及物管權及建筑內部結構信息能否公開的問題。隨著我國法制化建設越來越完善，這些問題一定會得到妥善解決，為智能停車場的建立營造良好的環(huán)境。