文献综述-基于iBeacons的室内定位IOS终端系统定位部分设计

基于iBeacons的室内定位IOS终端系统定位部分设计文献综述1一、课题国内外现状随着卫星定位系统的发展，室外定位已经非常成熟。无论是美国的GPS（全球定位系统）1还是中国的北斗定位系统，对于室外定位的精度非常准确，但是对于室内定位依然存在很大的问题。这是因为当卫星导航信号到达室内环境时，信号衰减幅度大，导致定位误差大，无法准确定位设备。因此为了解决室内定位的这个问题，国内外发明了多种室内定位技术,同时提出相应的室内定位解决方案，推出对应的室内定位系统，来提高室内定位的精度。室内定位2是指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。室内定位系统的特点是在恰当的时间提供准确的位置信息，从而提高效率，提供更好的服务。室内定位系统可广泛应用于多种领域，在定位技术方面能提供高精度，高稳定性的定位技术更受青睐3。当前的室内定位技术主要有蓝牙室内定位技术，超宽带定位技术，超声波定位技术，基于传感器的室内定位导航技术，LED定位技术，ZigBee室内定位技术，WIFI室内定位技术，POR行人航迹推算等4。而本课题研究的iBeacon室内定位是基于低功耗蓝牙技术的定位系统，该系统需要布局Beacon网络，每个Beacon基站创建一个信号区域，定位精度可以做到区域定位，也可以通过RSSI与距离的关系公式计算出设备与Beacon之间的距离，另外还可以利用三边测量定位、指纹算法等算法增加定位的精度5。多个Beacons，并且拓扑合理，可以达到良好的室内定位效果。随着苹果在2013年推出iBeacon系统到现在近三年的发展，已经形成了iBeacon应用商，APP开发商，iBeacon方案提供商，芯片厂商以及基站生成厂商的iBeacon生态链。众所周知，苹果的技术向来都是闭源的，但是iBeacon协议却是公开的，只要蓝牙4.0以上均支持，其支持的设备包括了iOS系统平台下的iPhone4S及其以上设备，也包括了Android系统平台下配备Android4.3及其以上的安卓设备。表明了苹果对于iBeacon的重视，对于iBeacon的大力支持，是希望其在物联网的室内定位领域占据重要席位，在室内定位、服务市场中拥有话语权。随着国内外公司发展iBeacon的推动，相关技术会有更大的发展和更广泛的应用空间。本课题研究的iBeacon室内定位iOS客户端也正是在国内外室内定位系统发展火热的大环境下，以及各类产品质量以及体验效果不一的情况下，希望给出iOS平台下的室内定位特定环境应用下的解决方案，提高定位精度。基于iBeacons的室内定位IOS终端系统定位部分设计文献综述2二、BLE技术BluetoothLowEnergy（BLE）6是2010年发布的蓝牙4.0技术规范的一部分。它起源于2006年Nokia的Wibree技术，但最终被整合进了蓝牙。这是一组与传统蓝牙不同的协议，并且使用的设备上也不会向后兼容。因此，现在市面上你可以看到三种类型的设备：（1）Bluetooth设备：只支持传统蓝牙的设备。（2）BluetoothSmartReady设备：同时支持传统蓝牙和LE模式的设备。（3）BluetoothSmart设备：只支持LE模式的设备。BLE的通信包括两个主要部分：advertising（广告）和connecting（连接）。广告（Advertising）是一种单向的发送机制。想要被搜索到的设备可以以20毫秒到10秒钟的时间间隔发送一段数据包。使用的时间间隔越短，电池消耗的越快，但设备被发现的速度也就会快。数据包长度最多47个字节，由以下部分组成：（1）bytepreamble（1字节做报头）（2）4byteaccessaddress（4字节做地址）（3）39bytesadvertisingchannelPDU（39个字节用于PDU数据包）（4）3bytesCRC（3个字节用于CRC数据校验）图1iBeacons数据包对于广告通信信道，地址部分永远都是0x8E89BED6。对于其它数据信道，地址部分由不同的连接决定。返回的PDU数据也拥有自己的数据报头（2个字节：声明有效载荷数据的长度和类型设备是否支持连接等等）和当前有效载荷数据（最多37个字节）。最终，有效载荷数据中的头6个字节是设备的MAC地址，所以实际信息数据最高可占31个字节。BLE设备可以运行在单一的不可连接的广告模式中（在这种模式下所有的信息都包含在广告数据包中），然而设备也是允许运行在可被连接的模式下（通常情况下都是这种模式）。当设备被发现之后，一个连接就会被建立起来。之后就可以读取BLE设备提供的Service，以及每个Service的characteristic（属性，类似于GATTProfile实例）。每一个characteristic都会提供一些值，这些值可以被读取或者修改。基于iBeacons的室内定位IOS终端系统定位部分设计文献综述3三、iBeacon技术iBeacon7技术指的是通过使用低功耗蓝牙技术（BluetoothLowEnergy，也就是Bluetooth4.0或者BluetoothSmart），iBeacon基站便可以自动创建一个信号区域，当设备进入该区域时，相应的应用程序便会提示用户是否需要接入这个信号网络。通过能够放置在任何物体中的小型无线传感器和低功耗蓝牙技术，用户便能使用智能设备来传输数据。iBeacon利用的是BLE的广播帧“通告帧”（Advertising）。通告帧由配备BLE的设备定期发出，只要是支持BLE的终端，都可以接收到信号。通告帧的有效载荷部分，写入了由苹果定义的数据。iBeacon的数据大致由四部分信息组成：UUID（universallyuniqueidentifier）、Major、Minor，以及MeasuredPower。图2iBeacon帧结构UUID8是用来识别设置Beacon模块的企业的128位识别码。识别码并非由苹果定义，而是直接采用“ISO/IEC11578:1996”的标准。UUID包括Version15五种。Version1由MAC地址、UUID生成的日期等组成。因为MAC地址唯一，所以可以确保UUID的独特性。Version2是以MAC地址和生成时间为基础，利用POSIX*的UID*和GID*等生成的数据。*POSIX：portableoperatingsysteminterface（可移植操作系统接口）。为了在不同的OS上设置相同的API、方便开发可移植性强的App软件而制定的App接口标准。国际标准的名称为ISO/IEC9945。*GID：groupidentifier，组标识。用来区分用户群组的识别码。Version3的基础是通过MD5函数输出的哈希值，表示URL和邮件地址等唯一命名空间。Version4是随机数。Version5与Version3基本相同，使用的是SHA-1的散列函数。Major与Minor由iBeacon的发送者自由设置，均为16位识别码。MeasuredPower是iBeacon的发送模块与接收器之间距离为1米时信号强度RSSI：receivedsignalstrengthindicator）的参照值。接收器根据作为参照的RSSI和接收信号的强度，推测发送模块与接收器之间的距离。基于iBeacons的室内定位IOS终端系统定位部分设计文献综述4四、iOSCoreBluetoothCoreBluetooth的API是基于BLE4.0的标准的。这个框架涵盖了BLE标准的所有细节。仅仅只有新的iOS设备和Mac是和BLE标准兼容的：iPhone4S，iPhone5，MacMini，NewiPad,MacBookAir,MacBookPro。还有iPhoneiOS6的模拟器也支持。这是非常有用的，在你没有一个真正的iOS设备而用模拟器去调试你的程序。在CoreBluetooth框架中，有两个主要的角色：周边和中央（PeripheralandCentral)，整个框架都是围绕这两个主要角色设计的，他们之间有一系列的回调交换数据。图3展示了周边和中央（PeripheralandCentral)，还有他俩之间的关系。图3CoreBluetoothclient-servernaming周边（Peripheral）是生成或者保存了数据的设备，中央（Central）是使用这些数据的设备。所有可用的iOS设备可以作为周边（Peripheral）也可以作为中央（Central），但不可以同时既是周边也是中央。周边和中央这两个角色在CoreBluetooth框架中是用两个类来表示的，CBPeripheralManager这个类代表周边，CBCentralManager这个类代表中央。在中央这边，一个CBPeripheral对象代表着相应的和中央连接着的周边；同样的，在周边这边，一个CBCentral对象代表着相应的和周边连接着的中央。你可以认为周边是一个广播数据的设备，他广播到外部世界说他这儿有数据，并且也说明了能提供的服务。另一边，中央开始扫描附近有没有服务，如果中央发现了想要的服务，然后中央就会请求连接周边，一旦连接建立成功，两个设备之间就开始交换传输数据了。除了中央和周边，我们还要考虑他俩交换的数据结构。这些数据在服务中被结构化，每个服务由不同的特征（Characteristics）组成，特征是包含一个单一逻辑值的属性类型。在中央这边，CBService类代表服务，CBCharacteristic类代表特征。在周边这边，CBMutableService类代表服务，CBMutableCharacteristic类代表特征。下图2展示了到目前为止我们所讲的所有类。基于iBeacons的室内定位IOS终端系统定位部分设计文献综述5CBUUID和CBATTRequest是两个苹果公司给我们提供的帮助类，以便于开发者更简单地操作数据。图4ObjectsinvolvedinCoreBluetooth五、室内定位方法室内无线定位常用的三种方法：接收信号强度定位法、到达时间定位法、接收信号角度定位法。（1）接收信号强度定位法9接收信号强度定位法是通过信号强度和已知信号衰弱模型来估计接收点与待测点的距离，根据多个接收点距离待测点的距离值画出圆，多个圆的重叠部分就是待测物体。在移动装置中，接收信号强度常用接收信号强度指标RSSI来表示，在理想环境中这种方式可以获得较为精确的定位。然而RSSI受信号反射、散射、绕射等多重路径衰减与遮挡影响非常严重，实际上存在较大误差。（2）到达时间定位法10到达时间定位法和接收信号强度定位法类似，只不过计算接收点和测量点之间的距离是采用无线信号传播时间乘以无线信号传输速度。由于无线信号传播速度是30Wkm/S。这就要求待测点和多个接收点之间要有非常精确的时间同步。然后高精度时间获取成本非常昂贵，即使微秒级的时间误差也会造成数百米的距离误差。因此在短距离定位上误差较大。（3）接收信号角度定位法11基于iBeacons的室内定位IOS终端系统定位部分设计文献综述6接收信号角度定位法的工作原理是利用定向天线量测出信号来源方向，多个接收点同时按照接收角度画出直线，直线的交点就是目标位置。信号角度定位法的优点是不需要每一个接收天线都做时间同步，误差来源主要是角度解析的误差。在距离越远的时候角度解析的误差影响越大，同时由于信号反射和折射可能造成最终计算出来的被测点是发射点而不是被测物体本身。另外由于定向天线的制作对测量角度的计算影响较大在实际应用中会比较麻烦。六、存在问题（1）iBeacon无法支持传输少量定制数据：iBeacon协议并不用于传输定制化数据。如果改变协议就不是标准协议，也会失去iOS对iBeacon节点的基本支持。（2）iBeacon测距不准确：iBeacon是一个基于BLE(低功耗蓝牙技术)的2.4G射频技术，根据射频场强随距离衰减的模型计算距离。因为射频信号传播本身就受环境干扰大不稳定，所以基于这个原理的测距也不会精确。（3）iBeacon安装部署难：部署iBeacon需要记录该iBeacon的部署位置，在地图上的坐标，还要确保设备的信号尽量不被遮挡。（4）iBeacon安全性问题：通过iBeacon的工作原理可以看出，iBeacon其实并未考虑安全性。iBeacon的规格很容易被人知道，实际发送的iBeacon中包含的数据也很容易获取。也就是说，能够轻松编写假iBeacon数据发送。并且，没办法辨别从iOS收到的iBeacon是真是假。因此iBeacon的安全问题需要重视！七、参考文献1Herring,AT.THEGLOBALPOSITIONINGSYSTEMJ.ScientificAmerican,1996,274(2):44-50.2OzsoyK,BozkurtA,TekinI.Indoorpositioningbasedonglobalpositioningsys