一種基于iBeacon的室內定位系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于iBeacon的室內定位系統及方法，利用iBeacon基站組建無線傳感器網絡，每一個iBeacon基站作為一個信標節點，利用RSSI信息解算未知節點到多個信標節點的距離，利用自適應多邊定位和卡爾曼濾波算法確定未知節點的位置信息。本發明結構簡單、部署簡便、成本低廉，無需離線標定，定位穩定性好、精度高；解決了當前GPS技術無法提供室內定位服務的問題，為智能手機用戶提供室內定位導航服務。本發明根據iBeacon基站廣播的無線信號強度信息對路徑衰減模型參數進行在線估計，提高定位精度；解決RSSI路徑衰減模型參數隨環境變化的問題，進而增強室內定位算法的魯棒性并提高定位精度。
【專利說明】
-種基于i Beacon的室內定位系統及方法
技術領域
[0001] 本發明屬于室內定位技術領域，尤其設及一種基于iBeacon的室內定位系統及方 法。
【背景技術】
[0002] 目前，隨著智能移動設備(如智能手機、平板電腦及可穿戴設備等）的普及，人們對 室內位置信息的需求越來越迫切，對基于位置的服務需求也日益增加，比如在展館，需要快 速尋找感興趣的展位;在機場、火車站等場所等待時，可W進行好友互動;人們在商場內，找 商品，找優惠;再比如在醫院找指定科室，在停車場找空閑車位，都需要用戶的位置信息。由 于缺少專口的室內定位基礎設施，室內定位實現起來一直存在一定的困難。
[0003] 但是，最近幾年，無線技術發展迅速，出現了很多室內定位技術，如基于RFID、 Zigbee網絡、藍牙、WIFI、紅外或超聲波等的室內定位，由于部署不方便或者成本限制，均不 能提供較好的室內定位解決方案。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于提供一種基于iBeacon的室內定位系統及方法，旨在解決現有 的室內定位技術存在部署不方便，成本較高的問題。
[0005] 本發明是運樣實現的，一種基于iBeacon的室內定位方法，所述基于iBeacon的室 內定位方法利用iBeacon基站組建無線傳感器網絡，每一個iBeacon基站作為一個信標節 點，利用RSSI信息解算未知節點到多個信標節點的距離，利用自適應多邊定位和卡爾曼濾 波算法確定未知節點的位置信息。
[0006] 進一步，所述基于iBeacon的室內定位方法包括在線標定階段和實時定位估計階 段；
[0007] 所述在線標定階段為每個iBeacon基站構建當前室內環境下的路徑衰減模型，將 智能手機連接至定位服務器并依次靠近每個iBeacon基站，將采集的RSSI信息發送到定位 服務器，定位服務器在線估計出每個iBeacon基站的路徑衰減模型參數；
[0008] 所述定位估計階段是估計用戶的當前位置并在用戶攜帶的智能手機上可視化的 方式展示。
[0009] 進一步，所述基于iBeacon的室內定位方法包括W下步驟：
[0010] 步驟一，安裝iBeacon基站，并記錄基站所在位置的真實位置；
[0011] 步驟二，定位服務器完成初始化操作開啟定位服務，監聽客戶端的定位請求；
[0012] 步驟=，路徑衰減模型參數估計階段，在需要定位的室內空間使用智能手機與定 位服務器連接，將智能手機依次靠近iBeacon基站，采集iBeacon基站的RSSI信息并將該信 息發送給定位服務器，定位服務器根據iBeacon基站的位置信息和RSSI信息在線估計路徑 衰減模型參數；
[0013] 步驟四，實際定位階段，定位服務器端接收智能手機發送的RSSI并使用實時定位 算法估計用戶的當前位置；
[0014] 步驟五，定位服務器端將定位結果返回給客戶端，客戶端顯示位置信息。
[0015] 進一步，所述路徑衰減模型參數估計階段對于第i個iBeacon基站的路徑衰減模型 參數K，n，給出如下基于粒子濾波的在線估計算法步驟：
[0016] (1)初始化粒子 KjG [Kmin，Kmax] ,DjG [nmin，nmax]，j = l，2,L,M 表示第 j 個粒子，M 表示 粒子的總數；
[0017] (2)智能手機依次靠近采集的N( >3)個iBeacon基站，N表示iBeacon基站的總數 目，iBeacon基站的真實位置為（xi，yi)，（X2，y2)，L, (XN，yN);
[0020] 其中，t表示時間；[0021] MUv 估巧壟K.
[0018] 疏,》l-
[0019]
[0022]
[0023] 其中，O是人為設定的常數，d為iBeacon基站之間的距離；
[0024] 化）叔估歸一化；
[0025]
[0026] (6)重采樣，根據粒子的權重進行重采樣，權重大的將得到更多的后代；
[0027] (7)化計參敬：
[002引
[0029] 得到實際環境的無線信號路徑衰減模型的參數。
[0030] 進一步，所述實際定位階段的定位算法如下：
[0031] (1)智能手機采集的N( >3)個iBeacon基站的RSSI信息表示為（RSSIi，RSSl2，L, RSSIn)，N表示iBeacon基站的總數目，iBeacon基站的真實位置為（XI,yi), (X2，y2)，L, (XN, Yn);
[0032] (2)利用路徑衰減模型估計用戶到N個iBeacon的距離(也，(12，1^，(^)，具體為，根據：
[0033] RSSI=K-IOn log d(1)
[0034] 根據式（1)得到：
.
[0035] (3)假設用戶位置為X=(x，y)，則：
[0036]
巧
[0037] 檐擊（2)中的前N-I個方浩化次減去笠 N個方浩，得宅Ih [00；3 引
[0039] 其中i表示第i個iBeacon基站，將上式表示成矩陣形式，有：[0040] AX = b；[0041 ]其中，
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] 所 W，義二從V" i/r'A。
[0046] 本發明的另一目的在于提供一種所述基于iBeacon的室內定位方法的室內定位系 統，所述室內定位系統包括：
[0047] 智能手機，用于采集iBeacon基站的無線信號強度并與定位服務器通過移動網絡 或者WIFI網絡通信，將采集的無線信號強度信息上傳至定位服務器，并負責顯示定位服務 器返回的位置信息；
[004引定位服務器，與智能手機通過移動網絡或者WIFI網絡進行通信，用于儲存iBeacon 基站標識信息和計算定位結果，并將定位結果反饋給用戶;接受智能手機的連接請求，在線 估計環境參數階段，根據智能手機發送的RSSI信息在線估計環境的路徑衰減參數模型參 數;實時定位階段，根據智能手機提供的RSSI信息，估計用戶的位置，并將定位結果發送給 智能手機；
[0049] iBeacon基站，用于定位iBeacon基站，W固定功率、固定頻率廣播信息，供智能手 機讀取。
[0050] 本發明的另一目的在于提供一種利用所述基于iBeacon的室內定位方法的平板電 腦。
[0051] 本發明的另一目的在于提供一種利用所述基于iBeacon的室內定位方法的可穿戴 設備。
[0052] 本發明提供的基于iBeacon的室內定位系統及方法，部署方便、成本低廉，并且能 夠根據iBeacon基站廣播的無線信號強度(RSSI)信息對路徑衰減模型參數進行在線估計， 提高定位精度可W達到2.5米W內；能夠解決RSSI路徑衰減模型參數隨環境變化的問題，進 而增強室內定位算法的魯棒性并提高定位精度。
[0053] 本發明的定位系統結構簡單、部署簡便、成本低廉，且無需離線標定，定位穩定性 好、精度高;解決了當前GPS技術無法提供室內定位服務的問題，為智能手機用戶提供室內 定位導航服務，W此為基礎有效地解決公共安全和應急響應問題。例如，在緊急情況下，每 一個人都想被救援人員精確定位到，大到建筑物的位置，小到樓層或者房間號；W室內定位 為契機提供基于位置的服務，挖掘室內商場潛在的商業價值。例如，可W應用于手機購物、 移動電子商務、個性化廣告/優惠信息推送等。
[0054] 本發明結構簡單、部署簡便、成本低廉，能夠為用戶提供室內導航服務，并協助處 理應急響應，還能為商場的商品推薦和廣告投放趨于精確化和有效化，產生可觀的經濟效 益。
【附圖說明】
[0055] 圖1是本發明實施例提供的基于iBeacon的室內定位方法流程圖。
[0056] 圖2是本發明實施例提供的實施例1的流程圖。
[0057] 圖3是本發明實施例提供的基于iBeacon的室內定位系統結構示意圖；
[0化引圖中：1、智能手機;2、定位服務器;3、iBeacon基站。
【具體實施方式】
[0059] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合實施例，對本發明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發明，并不用于 限定本發明。
[0060] 本發明是iBeacon的室內定位技術，利用iBeacon基站組建無線傳感器網絡，每一 個iBeacon基站作為一個信標節點，利用RSSI信息解算未知節點到多個信標節點的距離，利 用自適應多邊定位和卡爾曼濾波算法確定未知節點的位置信息。
[0061] 下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。
[0062 ]如圖1所示，本發明實施例的基于iBeacon的室內定位方法包括W下步驟：
[0063] SlOl:安裝iBeacon基站，并記錄基站所在位置的真實位置；
[0064] S102:定位服務器完成初始化操作開啟定位服務，監聽客戶端的定位請求；
[0065] S103:路徑衰減模型參數估計階段，在需要定位的室內空間使用智能手機與服務 器連接，然后將智能手機依次靠近iBeacon基站，采集iBeacon基站的RSSI信息并將該信息 發送給定位服務器，定位服務器根據iBeacon基站的位置信息和RSSI信息在線估計路徑衰 減模型參數；
[0066] S104:實際定位階段，服務器端接收智能手機發送的RSSI并使用實時定位算法估 計用戶的當前位置；
[0067] S105:服務器端將定位結果返回給客戶端，客戶端顯示位置信息。
[0068] 本發明實施例的基于iBeacon的室內定位方法包括在線估計環境的路徑衰模型減 參數(稱為在線標定)和實時定位估計兩個階段。在線標定階段的目標是為每個iBeacon構 建當前室內環境下的路徑衰減模型，系統部署人員需要將智能手機連接至定位服務器并依 次靠近每個iBeacon基站，將采集的RSSI信息發送到定位服務器，定位服務器就可W在線估 計出每個iBeacon基站的路徑衰減模型參數;定位階段的目標是估計用戶的當前位置并在 用戶攜帶的智能手機上可視化的方式展示。
[0069] 如圖2所示，本發明實施例的基于iBeacon的室內定位方法分為在線估計路徑衰減 模型參數和實時定位兩個階段，并不需要離線的標定過程。
[0070] 對于第i個iBeacon基站的路徑衰減模型參數K，n，給出如下基于粒子濾波的在線 估計算法步驟：
[007"1] (1)初始化粒子町￡比1111。，1(1113、]，^￡[]11111。，11麗]〇 = 1,2心]/[表示第^'個粒子，]/[表示 粒子的總數；
[0072] (2)智能手機依次靠近采集的N( >3)個iBeacon基站，N表示iBeacon基站的總數 目，iBeacon基站的真實位置為（xi，yi)，（X2，y2)，L, (XN，yN);
[0073] (3)粒子預測：
[0074]
[00對其中，t表示時間；
[0076] M)權估巧就.
[0077]
[0078] 其中，O是人為設定的常數，d為iBeacon基站之間的距離；
[0079] (5)權值歸一化：
[0080]
[0081] (6)重采樣，根據粒子的權重進行重采樣，權重大的將得到更多的后代；
[0082] ^7'|化^^愛撒.
[0083]
[0084] 就得到了實際環境的無線信號路徑衰減模型的參數。
[0085] 定位算法步驟如下：
[0086] (1)智能手機采集的N( >3)個iBeacon基站的RSSI信息可W表示為(RSSIi，RSSl2, LRSSIn)，N表示iBeacon基站的總數目，iBeacon基站的真實位置為（XI,yi), (X2，y2)，L, (XN, Yn);
[0087] (2)利用路徑衰減模型估計用戶到N個iBeacon基站的距離(di，d2，L，dN)，具體為， 根據：
[008引 RSSI=K-IOn log d (I)
[0089] 根據式(I)得到：
.
[0090] (3)假設用戶位置為X=(x，y)，則：
[0091]
(2)
[0092] 悠古由的前N-I個節趙化歡減去笛N個節趙.而W浩丕Il-[0093]
[0094] 其中i表示第i個iBeacon基站，將上式表示成矩陣形式，有：[0095] AX = b；[0096] 其中，
[0097]
[009引
[0099]
[0100]
[0101 ]如圖3所示，本發明實施例的基于iBeacon的室內定位的系統包括：智能手機1、定 位服務器2和iBeacon基站3。
[0102] 智能手機1，定位時，用于采集iBeacon基站的無線信號強度并與定位服務器2通過 移動網絡或者WIFI網絡通信，將采集的無線信號強度信息上傳至定位服務器2,并負責顯示 定位服務器2返回的位置信息。
[0103] 定位服務器2(簡稱服務器端），與智能手機1通過移動網絡或者WIFI網絡進行通 信，負責儲存iBeacon基站標識信息和計算定位結果，并將定位結果反饋給用戶。定位服務 器2-般由性能較好的計算機擔任，負責接受智能手機1的連接請求，在線估計環境參數階 段，根據智能手機1發送的RSSI信息在線估計環境的路徑衰減參數模型參數;實時定位階 段，根據智能手機1提供的RSSI信息，估計用戶的位置，并將定位結果發送給智能手機1。
[0104] iBeacon基站3，用于定位之前需要部署iBeacon基站，一般部署在房間角落墻壁的 較高位置，防止信號被遮擋，每個基站有自己特定的MAC標識信息，并W固定功率、固定頻率 廣播信息，W供智能手機讀取。
[0105] W上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用W限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于iBeacon的室內定位方法，其特征在于，所述基于iBeacon的室內定位方法 利用iBeacon基站組建無線傳感器網絡，每一個iBeacon基站作為一個信標節點，利用RSSI 信息解算未知節點到多個信標節點的距離，利用自適應多邊定位和卡爾曼濾波算法確定未 知節點的位置信息； 所述基于iBeacon的室內定位方法包括在線標定階段和實時定位估計階段； 所述在線標定階段為每個iBeacon構建當前室內環境下的路徑衰減模型，將智能手機 連接至定位服務器并依次靠近每個iBeacon基站，將采集的RSSI信息發送到定位服務器，定 位服務器在線估計出每個iBeacon基站的路徑衰減模型參數； 所述定位估計階段是估計用戶的當前位置并在用戶攜帶的智能手機上可視化的方式 展示。2. 如權利要求1所述的基于iBeacon的室內定位方法，其特征在于，所述基于iBeacon的 室內定位方法包括以下步驟： 步驟一，安裝iBeacon基站，并記錄基站所在位置的真實位置； 步驟二，定位服務器完成初始化操作開啟定位服務，監聽客戶端的定位請求； 步驟三，路徑衰減模型參數估計階段，在需要定位的室內空間使用智能手機與定位服 務器連接，將智能手機依次靠近iBeacon基站，采集iBeacon基站的RSSI信息并將該信息發 送給定位服務器，定位服務器根據iBeacon基站的位置信息和RSSI信息在線估計路徑衰減 模型參數； 步驟四，實際定位階段，定位服務器端接收智能手機發送的RSSI并使用實時定位算法 估計用戶的當前位置； 步驟五，定位服務器端將定位結果返回給客戶端，客戶端顯示位置信息。3. 如權利要求2所述的基于iBeacon的室內定位方法，其特征在于，所述路徑衰減模型 參數估計階段對于第i個iBeacon基站的路徑衰減模型參數K，n，給出如下基于粒子濾波的 在線估計算法步驟： (1) 初始化粒子KjG [Kmin，Kmax]，nje [nmin，nmax]，j = l，2，L，M表示第j個粒子，Μ表示粒子 的總數； (2) 智能手機依次靠近采集的Ν(彡3)個iBeacon基站，Ν表示iBeacon基站的總數目， iBeacon基站的真實位置為（xi，yi)，（X2，y2)，L, (XN，yN); (3) 粒子預測：其中，t表示時間； (4) 權值更新：其中，〇是常數，d為iBeacon基站之間的距尚； (5) 權值歸一化：(6) 重采樣，根據粒子的權重進行重采樣，權重大的將得到更多的后代； (7) 估計參數：得到實際環境的無線信號路徑衰減模型的參數。4.如權利要求2所述的基于iBeacon的室內定位方法，其特征在于，所述實際定位階段 的定位算法如下： (1) 智能手機采集的N(彡3)個iBeacon基站的RSSI信息表示為(RSSIiRSSIlI^RSSIn)， N表示iBeacon基站的總數目，iBeacon基站的真實位置為(xi，yi)，（X2，y2)，L, (χν,υν); (2) 利用路徑衰減模型估計用戶到N個iBeacon基站的距離((^，^^，如^具體為^艮據： RSSI=K-10n log d (1) 根據式(1)得到:j = 1_0 ??2 . (3) 假設用戶位置為X=(x，y)，則：將式(2)中的前N-1個方程依次減去第N個方程，得到：其中i表示第i個iBeacon基站，將上式表示成矩陣形式，有： AX = b； 其中，所以，夕=(/^4) !.47，?5. -種如權利要求1所述基于iBeacon的室內定位方法的室內定位系統，其特征在于， 所述室內定位系統包括： 智能手機，用于采集iBeacon基站的無線信號強度并與定位服務器通過移動網絡或者 WIFI網絡通信，將采集的無線信號強度信息上傳至定位服務器，并負責顯示定位服務器返 回的位置信息； 定位服務器，與智能手機通過移動網絡或者WIFI網絡進行通信，用于儲存iBeacon基站 標識信息和計算定位結果，并將定位結果反饋給用戶;接受智能手機的連接請求，在線估計 環境參數階段，根據智能手機發送的RSSI信息在線估計環境的路徑衰減參數模型參數;實 時定位階段，根據智能手機提供的RSSI信息，估計用戶的位置，并將定位結果發送給智能手 機； iBeacon基站，用于定位iBeacon基站，以固定功率、固定頻率廣播信息，供智能手機讀 取。6. -種利用如權利要求1 -4任意一項所述基于i Beacon的室內定位方法的平板電腦。7. -種利用如權利要求1-4任意一項所述基于iBeacon的室內定位方法的可穿戴設備。
【文檔編號】G01C21/20GK105953802SQ201610587299
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月22日
【發明人】馬宏賓, 王冬, 周浩, 陳孫杰
【申請人】馬宏賓