测量的研究BLE iBeacon和几何调整方案室内定位的移动应用程序

文摘

蓝牙低能量(bie)和iBeacons最近获得大利益使各种附近应用程序服务。考虑到无所不在地部署性质的蓝牙设备,包括移动智能手机,用祝福和iBeacon技术似乎是一个有前途的未来。这项工作开始相信这是真的:iBeacons可以为我们提供在距离和距离估计精度并简化许多以前困难的应用程序的发展。然而,我们的实证研究有三个不同的iBeacon设备从不同的供应商和两种类型的智能手机平台证明事实并非如此。信号强度读数发生显著的变化在不同iBeacon供应商、移动平台、环境因素或部署和使用场景。这种可变性在信号强度自然复杂化的过程中提取一个精确的位置/距离估计在现实环境。上课上的局限性iBeacon技术让我们设计一个简单的上课检查应用程序通过执行一个简单的几何形式的调整来弥补自然信标信号强度读数的变化。我们相信负面观察这项工作可以在如何为未来的研究者提供一个参考的性能期望从iBeacon设备进入系统设计阶段。

1。介绍

蓝牙在今天的日常生活中无处不在,用于笔记本电脑、移动设备,键盘,耳机,和许多其他消费电子线更换。蓝牙低能量(bie)是一种扩展蓝牙标准的4.0版本中,使低功耗低成本短距离无线通信(1,2]。显著降低其功耗等扩展功能,古典蓝牙版本相比,现在可以运行BLE设备几个月甚至几年硬币电池。等方面使BLE适合应用程序的需要很少或定期转移少量的数据;因此,它可以应用于广泛的医疗、工业、和消费者应用程序。

iBeacon苹果提出的框架是一个BLE-based接近报警(3),它允许移动设备来检测其接近iBeacon站(也可能是它的位置)通过了解是多么密切(通常是固定在墙上的)低,低成本的BLE发射器,iBeacons。每个iBeacon定期传送短识别接收到的帧移动BLE设备估计移动设备之间的距离和iBeacon使用接收信号强度指示(RSSI)。基于这一检测距离,iBeacons提供自动和位置触发特定的服务在移动设备上,如广告、优惠券或路线指导。虽然iBeacon最初的规范提出的苹果(iOS7或更高),这只是一种利用BLE的距离特性,因此它是(可以)与其他设备兼容(例如,Android 4.3或更高版本),用祝福。更普遍的是,任何祝福设备可以使用相同的概念来提供类似的距离的功能。从技术上讲,iBeacon技术BLE信标的子集,但是iBeacon和BLE距离信标几乎成了同义词今天尽管谷歌最近发布自己的开放信标格式称为座埃迪斯通(座埃迪斯通是谷歌的协议规范,定义了一个蓝牙低能量距离信标消息的消息格式)(4]。

注意,祝福信标的最初目标是提供附近的应用程序服务,可能延长粗粒度定位应用程序的特性。鉴于BLE灯塔仅关注RSSI测量,结合经验教训RF-based定位研究的历史悠久,它有点期望能够实现室内定位服务的精度有限。众所周知,射频信号的可变性对室内环境复杂化的准确估计移动设备的位置或相对距离BLE报警传感器设备。然而,大多数之前工作BLE-based室内定位只是国家错误的可能性由于信号变化但不量化,和他们的报道结果只显示图片的积极的一面。例如,在[工作5)报告了一个0.53米的定位精度,但这项工作被9×10米有界²区域。工作(6与指纹)报告了一个1.2米的精度,但只有在47.4×15.9米²区域。最近工作(7]表明,距离估计误差可以显著增加距离较长的RSSI测量信号随着时间的不同而不同,但不显示其他维度可能的错误。

在这项工作中,我们执行一组广泛的实验,以量化的影响各种室内障碍BLE信号方差。具体来说,我们表明,来自不同供应商的不同iBeacon设备以及搭配移动设备平台(例如,iOS和Android)可以显著影响RSSI测量复杂设计的过程通常可接受的距离/位置估计模型。此外,实际部署高度等因素或环境因素也引入了大量的影响RSSI值引入一个额外的复杂程度在设计高精度位置使用iBeacons评估系统。教训这些实证研究使我们设计的应用程序“几乎可被识别的。“具体来说,我们设计和评估上课监视应用程序系统中,通过结合距离估计由本地访问iBeacon信号和估计调整方案设计从我们的经验教训信号测量。

本文的结构如下。部分2介绍了RSSI读数和估计的距离之间的关系,然后激励我们的实证研究的关系。部分3描述了我们的方法的实证研究和实验设置包括各种参数,我们改变在我们的研究。部分4是主要的部分,它描述了我们的测量数据和基于数据说明了我们的分析结果。部分5提出了一种应用案例研究中,出席一个自动监测系统,它是基于我们的实证研究。这个系统也提出了一个新颖的几何方法来克服的局限性实用iBeacon系统。部分6评论之前和相关工作和最后一节7总结了纸。

2。蓝牙低能源定位系统的局限性

蓝牙低能量(bie)和苹果的iBeacon协议开始看到广泛应用和部署,室内近距离和/或位置启用应用程序快速渗透到我们的日常生活和消费空间。iBeacon已经安装在苹果商店在美国提供产品信息以及客户服务,和美国国家橄榄球联盟(NFL)已经使用iBeacons在大都会球场向球迷提供个性化的广告在超级碗比赛(8]。此外,iBeacon可以用来追踪行李在机场(9),提供互动体验的游客在博物馆10),计划在应急疏散路径指导系统(11),追踪病人在急诊室12),指导室内/室外线路(13,14),和检测房间的入住率15,16]。iBeacons和BLE接近应用程序的应用程序空间可以非常大。这些应用程序都使用距离测量基于接收信号强度指示(RSSI)作为唯一的信息来源;因此,这些应用程序利用信息关闭一个移动设备是一个iBeacon而不是试图找到确切的和绝对位置的移动设备。

iBeacon技术的最初目的是提供附近应用程序服务和粗粒度的室内位置定位和导航完全基于距离。注意,邻近(接近一些对象)有关位置(你在哪里),但不一定是相同的。位置(或位置)不仅仅是距离,这是一个绝对的价值通常由一些坐标系统(GPS)例如,经度和纬度。然而,最近有几个建议使用BLE室内定位,扩展前几个作品使用其他技术,如超声波、红外线,无线,GSM, RFID, IEEE802.15.4,早期版本的蓝牙室内定位(17- - - - - -22](之前有很多相关工作室内定位,使用其他无线技术,但我们在这里只列出一个子集的简洁和保持参考列表只专注于祝福因为有太多的人)。室内定位和定位仍然是一个活跃的研究领域,文献和bie是延长使用其新的无线功能。

有几种方法(除了简单的是附近的人12),可以应用于BLE-based室内定位。在所有情况下,一个iBeacon将定期广播广告包包含一个惟一的ID和一个校准RSSI值()对应于一米距离()。这个值允许我们确定iBeacon和设备之间的距离使用模型(1),路径损耗指数是一个校准参数。基于RSSI或估计iBeacons和移动设备之间的距离,加权平均模型(5],trilateralization /三角模型[23),或指纹7,24)可以申请本地化过程。估计也可以结合行人航迹推算(PDR)或过滤技术来提高跟踪或减少定位错误6,25]。当然,所有这些方法都假定所有安装iBeacons具有预定义的位置信息包括他们的精确坐标。

如果距离是用来代替原始的RSSI值定位、射频等传播模型(1)用于RSSI读数转换成距离。这里的主要挑战是RSSI值等环境变化的敏感性对象运动或障碍,导致信号传播或电台地图的变化。很明显,这个距离估计的准确性和效率(因此位置估计)的准确性很大程度上取决于测量的RSSI值和模型用于推导和计算的距离也明显受到周边环境的影响。因此,在这项工作中,我们执行一个详细的实证测量位置/距离估计性能研究基于RSSI测量不同类型的iBeacon设备和移动设备平台。我们考虑各种环境因素收集性能的实用角度iBeacon技术的局限性。

3所示。方法和实验设置

我们在两个不同的环境中进行实验:一个开放的大学校园的足球场上没有任何障碍和办公楼的走廊畅通,确保视距(LOS)信号传播。在这些环境中,我们使用三种不同类型的iBeacons: Estimote [26],Wizturn卵石[27],GELO [28]iBeacons检查供应商之间的性能差异。此外,我们使用两个不同的移动设备:iPhone 5和iOS 7.1.2银河轮(SM-G910S)和Android 10/24/11,来验证任何现有的特性。移动应用程序用于数据收集应用程序提供的各自iBeacon供应商:“Estimote应用”Estimote iBeacons,“GELO工具箱应用”GELO iBeacons,和“Wizturn信标经理”应用Wizturn卵石iBeacons(图1)。

实验中使用的默认配置参数如下。iBeacon的传输(TX)力量将最多4 dBm除非另有声明验证最大距离,可以被任何iBeacon覆盖。我们也尝试最小发射功率(19 ~−−23 dBm这取决于设备)观察下界的连通性。iBeacons的广告时间间隔设置为950毫秒,所有三个设备的出厂默认值。设备放置的高度从地面被设置为1.2米iBeacons和手机除非另有规定。我们选择这个高度1.2米模仿的高度用户持有他们的移动设备在他们的手中。最后,iBeacon的方向是面对洛杉矶向移动设备的方向。使用这些配置,一个移动应用程序不断从iBeacons检测信号和记录他们的RSSI测量而iBeacon和移动设备之间的距离从1米提高到最大距离和手工记录,直到达到最大距离。在这里,我们注意到,最大距离最远的距离定义RSSI值可以检测到的设备。在每一个位置(例如,相对距离iBeacon)我们把20 RSSI测量每个配置。

4所示。测量数据分析

在本节中,我们专注于识别和量化的各种特性与性能iBeacons本地化应用程序通过仔细分析我们收集了大量的测量数据。

4.1。iOS和Android手机的区别

我们第一次开始通过比较之间的差异与iOS 7.1.2 iPhone 5,银河轮(SM-G910S)和Android 10/24/11接收iBeacon信号。实验是在户外进行的一个开放的足球场上使用Estimote信标4 dBm发射功率在洛杉矶的1.2米的高度。图2从这个实验提出了我们的研究结果,虚线代表平均RSSI阅读每一距离,和盒子代表25和75百分位值以及它们的最小和最大误差。

从这个结果,我们可以识别一些有趣的事实。首先,100米的Android平台相比,iOS显示明显短的最大距离85米。注意观察到100米的Android不是实际的最大距离,鉴于100是我们能达到的最大长度为洛杉矶链接在我们的环境中。因此,两个平台的最大距离之间的差异是非常大的。第二,RSSI读数Android手机更逐渐减少而iOS显示RSSI骤降后~ 10米。最后,RSSI读数在Android平台上有更多的时间比iOS变异。虽然很难得出结论是否硬件规范显示任何差异或这是一个软件平台的影响,众所周知,是有区别的iOS和Android在扫描和抽样iBeacon广告(16]。更重要的是,不同手机之间的RSSI读数不同(不管它是一个操作系统或硬件)的影响,我们应该指出,这种效果对距离估计和本地化本身会有重大影响,造成困难,推广信息的应用程序开发人员从收集到的RSSI值。

4.2。设备放置高度的影响

在这个实验中,我们审查的影响iBeacon RSSI安装高度从地面。为此,我们把一个Estimote灯塔在地面上(例如,0-meter高度)和测量使用Android手机的RSSI读数。我们比较此值时的情况相同的灯塔是安装在1.2米的高度。图3从这个实验显示了结果。我们可以先注意价值观是截然不同的两个实验案例。当iBeacon放置在地上,所有其他配置是相同的,最大的距离从100 +米降低到只有12米和重大RSSI的大幅下降。这个结果意味着iBeacon的位置是非常重要的在设计和部署一个iBeacon系统。距离估计,从而可以显著影响定位精度的精确位置iBeacons,仔细和计划安装的一部分网站调查将是非常重要的。基于我们的实验数据,乐观的广告,宣称“易于部署”和“地方节点在任何地方!“可能不是有效的精确定位精度在iBeacon系统。

4.3。来自不同制造商的iBeacons之间的区别

接下来,我们比较不同iBeacon RSSI阅读差异产品的三个不同的制造商:Estimote GELO, Wizturn卵石。iPhone5用作移动设备,灯塔和移动设备被安装在1.2米的高度在一个室外足球场。一个需要注意的重要的事情是,支持的最大传输功率GELO iBeacon是0 dBm而Estimote和Wizturn卵石允许配置4 dBm。我们对每个设备使用各自的最大权力检查最大距离覆盖。我们最初的直觉是,GELO iBeacon将展示4 dBm低RSSI值相比其他灯塔在相同的距离,因此将导致更短的最大传输距离。

令人惊讶的是,图4显示,与我们的期望,GELO连同Wizturn信号灯显示最大距离超过100米,远远超过Estimote的85米。此外,RSSI不同iBeacon类型之间的读数都是相似的,尽管4 dBm传动功率上的差异。这意味着几个有趣的点。首先,发射功率配置差异并不直接转化为收到RSSI阅读差异,这使得距离估计的校准过程(因此室内定位)时更具挑战性的传动功率必须调整为给定的环境。第二,iBeacons来自不同供应商的表现出不同的最大距离,和更高的最大发射功率配置不一定导致更长时间的最大传输距离。最后,由于上述原因,这将是非常具有挑战性的应用程序开发人员和服务提供商设计与异构iBeacons iBeacon-based系统自校准参数的多组需要对每一对iBeacon和移动设备类型。再一次,这些结果暗示,设计一个合理可靠的iBeacon-based定位系统可以极大的挑战。

4.4。减少到最小发射功率

我们现在关注这样一个事实,不是所有的系统完全受益最大传输功率的使用。例如,如果我们设计一个室内定位系统是基于trilateralization或指纹识别方法,我们希望更高的传动功率覆盖更大的区域和/或实现密集的部署,同时使用更少数量的iBeacons(例如,由于成本原因)。然而,当建立一个系统只基于距离函数,减少了传动功率最小足够覆盖目标区域(例如,在前面的商店或产品广告),同时保持低能源成本延长电池的寿命可以合理的系统设计选择。记住这个动机,我们做了一个实验使用各自的最低发射功率的三种类型的灯塔。的最小发射功率配置允许Estimote, GELO, Wizturn卵石灯塔是−20 dBm,−23 dBm,分别和−19 dBm。

图5描绘了这项研究结果。首先,我们观察大幅下跌的最大距离(注意不同设在值相比以前的数据)。Estimote−20 dBm显示8米的最大距离和Wizturn卵石−19 dBm给8米而GELO信标的RSSI−23 dBm TX电力检测只有0.3米以内。第二步是,尽管Estimote RSSI削减和Wizturn卵石近似匹配他们减少发射功率(24和23 dBm,职责。),这不是真的GELO信标。GELO信号灯显示RSSI减少44-58 dBm虽然只有23 dBm发射功率降低。正如我们之前的结果得出结论,这些差异可能会导致重大的并发症与多种类型的iBeacons当设计一个系统;不同TX权力,减少RSSI和不同的最大距离会使校准过程几乎不可能,除非只有一个发射功率配置和一个齐次iBeacon从特定供应商用于设计整个系统。这可能是一个合理的方法在初始系统设计阶段,但随着系统规模加班支持额外的地区或新的用例,考虑异构系统是必须的。

4.5。在室内和室外

iBeacon通常被称为和是众所周知的“室内距离/定位系统”,因为其发展的一个主要动力是提供室内位置识别已经广泛使用的全球定位系统(GPS)不可用。然而,身体上,没有理由iBeacon不能在户外使用。事实上,有制造商(如GELO)提供持久的防风雨的iBeacons户外使用。通过我们的下一个实验我们想比较的性能iBeacons在室内和室外环境。为此,我们执行额外的实验在一个畅通无阻的3米宽的走廊的一所大学的建筑。在这里,我们使用Estimote信号灯和Android手机,再次在1.2米高度和4 dBm发射功率,这样我们可以与我们的实验室外进行直接比较。

图6提出了我们的结果。令我们吃惊的是,在距离~ 25米之后,几乎RSSI读数保持稳定,甚至随着距离的增加略有增加。最大距离显示为50米,只是因为我们走廊建筑物内是50米长,实际最大距离将不再有更多的物理空间。来验证我们意想不到的结果,我们也进行了更多的试验Wizturn卵石和GELO信号灯和发现相似的结果(简洁的情节省略了)。这种行为的唯一合理的解释是多路径效应引起的从走廊的墙壁和天花板。更重要的是这一事实RSSI值没有衰减范围广泛的距离(25 - 50 m在我们的例子中)。这意味着模型的距离(1)是不再有效,任何室内定位方法,依赖于距离估计和trilateralization可能面临大数万米的顺序错误。大胆的话,它是不可以设计一个精确的室内定位系统iBeacons使用简单的距离估计。

4.6。WiFi iBeacon信号接收的效果

当使用iBeacons室内应用的另一个问题是无线信号的干扰效应,作用于相同的2.4 GHz ISM频段。BLE旨在使用频道37、38和39广告(40总渠道和剩下的37数据通信渠道),及其分配的频率是旨在避免最流行的无线通道1、6、11(由图7)。不幸的是,无线AP部署我们的大学校园使用通道1、5、9、WiFi第5频道干扰BLE通道38。通常这不是一个不寻常的情况下,可以发生在任何无线网络环境。因此,我们执行一个额外的实验量化WiFi-oriented碰撞的后果。

对于这个实验,我们放置一个直属Estimote信标无线AP和测量距离的RSSI读数Android手机5米(由图8)。我们在图显示观察的一个子集9在哪里设在代表序列的测量(例如,时间)设在再次RSSI。广场的虚线显示读数无线AP断电时,实线和圈显示了数据无线AP时在正常操作。阴影的矩形区域,以及在实线断开,代表情况没有iBeacon RSSI手机阅读,由于缺少数据包接收。

我们从这两个重要的观察实验。首先,无线AP处于活动状态时,信标接收率降至75%左右甚至在很短的距离5米,可以实现一个100%的信标信号的距离没有无线AP。第二,即使一个iBeacon广告成功收到,RSSI读数显示显著降低值(例如,减少超过10 dBm) ~ 53%的灯塔。注意,低功耗的包丢失BLE灯塔下大功率无线干扰有所预期,但一致的RSSI的减少是一个意想不到的现象,可以被看作是另一种类型的无线信号“灰色区域”(29日]。这些发现表明,广泛部署和无所不在地利用无线网络在当今的室内环境中,一个iBeacon系统可以显著影响降低可靠性和更高的估计错误。

4.7。障碍的影响

在这个实验中,我们审查的影响物理障碍iBeacon信号接收和比较《案例。具体地说,在这里,我们考虑六种不同的情况:三个案例与障碍的铁门,一个木制的门,一扇窗户,一个案例中对于使用一张铝箔的信号放大,和两个手机的情况下被手或纸覆盖。在这个实验中,我们使用了Estimote配上一个iPhone5,灯塔和iBeacon和手机之间的距离~ 3米。同样,身高是1.2米,发射功率4 dBm。

我们提出本研究的结果在图10。正如所料,铁门挡住了信号大大~ 20 dBm的RSSI下降,但木门窗也有一些(不可忽视的)~ 3到8 dBm的效果下降,同时覆盖手机用一堆纸~ 6 dBm下降造成的。更有趣的是,然而,覆盖移动电话用户的手导致明显减少~ 30 dBm。这表明,在室内定位系统,尽管经历仔细部署阶段和广泛的校准,和/或位置估计的距离可以产生重大的错误仅仅因为用户拿着电话紧在他/她的手中或自然环境的变化(如门状态)。这是另一个挑战在设计一个iBeacon-based系统自移动设备将不可避免地由用户的手和障碍状态将改变在一个室内环境中积极。

最后需要注意的一点是,我们可以放大信标信号通过使用一张铝箔iBeacon导致后面的RSSI增加6 dBm。虽然不太可能iBeacon部署故意将裹着一张铝箔,这个结果表明,一些环境工件或装饰也可以意外造成这样一种效果:这意味着障碍不仅减少RSSI的水平,而且还可以放大信号强度。

4.8。距离估计使用拟合模型

最后,我们现在把所有从四个iBeacon-mobile装置对测量数据,结合Estimote和Wizturn卵石灯塔与Android和iOS手机,和适合的数据模型(1)利用最小二乘法计算基于RSSI的估计距离。我们注意到所有的数据是为户外活动,洛杉矶,1.2米的身高,和4 dBm发射功率实验。然后我们使用这种派生模型比较实际距离估计的距离如图11。一点从这个情节是距离估计可以显示重大错误甚至在洛杉矶的条件下由于高信号强度变化。此外,随着距离的增加而增加的错误(例如,RSSI接近接收灵敏度)。虽然我们忽略额外的数据为简便起见,我们注意到,我们可以看到类似的情节即使数据从一个一双iBeacon-mobile设备。定量,错误可以增加从几十米甚至上百米。这意味着,当设计一个iBeacon-based系统,系统设计者应该应付大距离估计错误(因此定位错误)或密集部署大量iBeacons减少错误,从而威胁iBeacon系统的“低成本”的论点。不幸的是,根据我们的实验结果也令人满意。

5。应用案例研究:自动考勤检查系统

作为我们的实验结果表明,使用的主要挑战iBeacon信号精确的室内定位是RSSI读数的变化及其对环境变化的敏感性,导致信号传播翻天覆地的变化。我们的研究结果部分4表明RSSI值(和相应的信号传播模型来估测距离)之间有显著的差别iBeacons来自不同供应商的(例如,Estimote与Wizturn卵石和GELO),移动设备类型(iOS和Android),高度从地面设备的安装,室内或室外环境因素和物理障碍类型。总体而言,这些经验表明,如此iBeacon设备,我们应该考虑这些限制和性能特征在设计应用程序和应用改进方案对收集到的直觉从这些真实的试点部署经验。

在这个案例研究中,我们扩展的可能iBeacon应用提出了一个自动的出勤检查系统,自动检查一个大学生在大学上课。然而,简单的距离是不够准确判断一个学生是否在教室里自背后的信标信号能够被教室的墙壁。因此,我们使用trilateration-based位置估计来决定学生是否参加房间里的类。为了弥补RSSI阅读错误由于意想不到的障碍(例如,用户紧紧的抱住自己的手机,或者手机袋),我们做简单而新颖的几何调整在三边测量计算来提高检测精度。在系统级的角度来看,我们的系统是由不仅iBeacons和移动设备,但也是一个数据库服务器维护和处理学生的信息,课程,教室,时间表,和考勤信息。我们后来显示,完整的系统允许一个完全自动化的出勤检查机制发生有100%的准确度的情况下,学生在他们的智能手机使我们的应用程序。我们的系统不仅节省时间浪费在手工考勤检查类,但也防止考勤,学生作弊,因为它是非常不太可能给他/她的智能手机只是为了一个朋友参加检查。

5.1。系统架构

图12显示了我们的系统架构的概述。三个iBeacons部署在每个教室具有独特的识别号码为每个iBeacon(长短),和相对的x- - - - - -y协调的每个教室都是预先配置的。我们开发了一个Android应用程序系统在后台接收信标信号,与网络通信/ DB服务器在互联网上进行出勤检查无需用户干预。服务器维护所有必要的信息来计算并确认出席在数据库中。考勤记录的数据可以在我们的系统网站的教师和工作人员以及学生的移动设备。

具体来说,我们使用了一个Oracle数据库维护信息的学生,教授,课程,时间表格,,最重要的是,部署iBeacons包括他们x- - - - - -y坐标(相对的,在每个教室)和身份证号码。这个信息是相对静态的,学生信息的变化只有当他们加入,首次登录和类/时间表信息变化只在每学期的开始,我们使用网页自动填充大学网站。存储实际考勤信息(类、日期、时间和x- - - - - -y坐标为每个学生在课堂内),我们使用MongoDB处理频繁更新的数据。图13展示了我们的数据库结构。

使用上述系统,自动考勤流程操作如下。当一个学生走进一个教室,智能手机应用程序将收到三个或更多iBeacons beacon广告(可能有信号从附近的教室)。此时,应用程序发送的列表识别号码(UUID,主要/次要值[3)和RSSI读数从iBeacons服务器和查询服务器的验证。鉴于这种信息,服务器将首先检查每个iBeacon并验证它的课堂信息的课堂学生应该参加在给定时间的实例。如果教室信息表明,学生在教室里一个错误的或者只有两个或更少的信标检测目标的教室,然后为考勤服务器返回FALSE。如果没有检测到灯塔,出席在默认情况下是假的。对于所有其他情况下,服务器使用相对的x- - - - - -y坐标(目标教室内)iBeacons估计位置的移动设备,检查设备是否在教室的界限。如果是这样的话,服务器返回数据库中对出勤和记录它。定期重复这个过程,这样可以在检查考勤类。这是考虑到学生迟到几分钟,以及那些学生上课早退。然而,减少不必要的能耗使用的祝福期间当一个学生不上课去,她的时间表可以移动设备上的本地缓存启用出勤检查只在需要的时候。

请注意,x- - - - - -y数据库中存储坐标只是相对的,当地的到目标的教室。这与全球其他的室内定位系统x- - - - - -y协调在整个目标区域(例如,整个建筑物的地板地图)是必需的,而且是可能的,因为我们保持preknowledge教室的学生应在给定的时间。这不仅大大简化了系统架构的评估移动设备的位置,而且iBeacon部署而言,更换和重新配置。换句话说,如果系统大多是有关一个小的地理区域,iBeacon配售可以独立(更好的)定制和优化。我们提供详细描述在以下部分这样的校准程序。

5.2。几何校正精度提高

的主要挑战使用iBeacon信号进行精确的室内定位是RSSI读数的变化及其对环境变化的敏感性等障碍或用户移动设备的处理。我们的研究结果表明,RSSI值可以大幅下降早些时候收到信标信号背后的一个障碍,和信号衰减变化取决于障碍类型(例如,窗口,木/金属门,墙,等等)。此外,移动设备的高度从地面也影响RSSI (iBeacon也引入了一个很高的高度影响,但iBeacons通常安装在墙上的,它的高度是固定在典型场景)。更重要的是,信号衰减由于用户的移动设备紧紧握在手中(经常发生)可高达30 dBm。如此高的变化是一个重大的挑战在使用三边测量位置估计。然而,我们从上述情况下看到一个共性;信号变弱(RSSI低于模型对于一个给定的距离),而且很少看到RSSI高于(最好的)视距环境。使用这种直觉,我们使用一个简单而新颖的几何调整计划,以提高精确度,而不是试图校准模型基于高度不同的RSSI值。

例如,图14显示异常情况的一个例子从三个iBeacons距离估计结果在三个RSSI-coverage距离圆(圆的估计距离为半径为三边测量)没有任何交集;最大一个圆是完全封闭的圈子,和第三个圆是完全以外的最大的一个。在这种情况下,标准的三边测量计算是不可能的。然而,我们的直觉是,大圆的距离(距离RSSI值更高)是接近估计模型,和两个小圆圈的信号衰减由于某种原因等障碍。基于这种直觉,我们的方法如下。对于每一对圆(三对三个iBeacons),我们首先检查是否(案例1)两个圆没有交集点(上层图的图15)还是(例2)一个圆是完全封闭的被另一个圆(左图的图16)。如果都是真的,那么没有什么其他考虑,具体对RSSI-coverage圈的距离。

如果一对圆圈(即没有交集点。,[Case  1]), we first increase the size of the smaller circle with an increment of 1 meter until there are two intersection points or up to the point where the two circles become the same sizes. If no intersection points are created even after two circles are of the same sizes, then we increase the size of这两个圈的增加1米,直到有两个交点(由图15)。再次,这种调整来自假定室内RSSI水平受到障碍,使更快RSSI水平降低。

在第二种情况下,一双圆,一个圆是完全封闭的被另一个圆(即。,[Case  2]), we increase the size of the smaller circle with an increment of 1 meter until there are two intersection points (c.f. Figure16)。调整后产生的圆圈代表“调整距离”从每个iBeacon。现在,由于所有成对的“调整圈”每个有两个交点,我们可以使用这六个相交点应用三边测量和估计的近似位置移动设备。

数据17和18显示位置估计的结果两个例外的情况下估计距离三iBeacons没有提供足够的覆盖三边测量。几何调整后根据我们之前的观察,结果发现了估计非常接近实际的位置。最后需要注意的一点是,整个位置估计过程,包括几何调整和三边测量,发生在服务器上。移动设备简单检测iBeacon信号类学生,期间发送的列表iBeacon广告数据到服务器,并为考勤查询。因此,几乎没有移动设备计算负担,这导致减少能源使用。

5.3。评价

我们评估自动考勤检查系统的帮助下四个本科生在三教室上课。虽然这个案例研究在有限范围内由于挑战个人同意访问学生的个人信息,系统报告没有错误报告(出席假阳性和假阴性)为我们的学生志愿者过程中1个月。我们计划规模实验更多的学生在未来和类。

6。相关工作

之前有几件工作,提出了应用程序和服务使用iBeacon设备。工作(9)使用iBeacons追踪行李在机场,和工作在10提供互动体验博物馆的游客。iBeacon一直用于路径规划紧急指导系统(11)和跟踪病人在急诊室12]。此外,在工作13)提出了一种室内路径诱导系统,和工作在15,16建筑物内)使用iBeacons占用检测。这些应用程序都使用附近在RSSI的信息来源而不是试图找到确切的和绝对的位置移动设备。之前也有很多作品关注使用iBeacon设备精确的室内定位(6,7,12,23,24]。然而,这些努力提供一个深入和广泛的测量研究iBeacon RSSI测量及其与不同环境因素的可变性。

工作(30.)实现一个Android应用程序收集统计的RSSI值附近iBeacons并提供一些测量结果,但只在一个固定的距离。工作(5)提供了一些关于传动功率测量数据和接收率估计的距离,和工作在31日]试图校准距离估计模型使用测量数据,并进行误差分析。然而,这些作品提供广泛而全面的测量数据维度的几种不同类型的iBeacons,移动设备软件平台,传动功率配置,室内/室外比较,WiFi和几个不同类型的干扰影响和控制的实际障碍。此外,我们结合RSSI测量设计一个适合的经验和实践适用体系,提出一个案例研究申请自动考勤检查,它使用本地化的三边测量技术以及几何调整限制误差的范围由于RSSI可变性和满足目标的准确性。

7所示。结论

这个研究的最初目标是开发一种改进的室内定位系统使用iBeacon技术。然而,在众多的和广泛的实验中,我们意识到信号变化太高了检索的准确距离估计设计一个可靠和健壮的定位系统。相反,我们决定报告这个变异和准确澄清误解造成的无数糖衣新闻文章iBeacon技术可以如何准确。我们的发现表明,iBeacon RSSI值(和相应的信号传播模型来估计距离)跨iBeacon供应商的显著不同,移动设备平台,部署的设备,室内/室外环境因素和障碍。很明显,位置估计的精度和效率很大程度上取决于测量的准确性RSSI测量和模型用于估算距离,更不用说周围的环境因素。我们相信我们的工作提供了证据的挑战对于设计一个室内定位系统使用商用现货(COTS) iBeacons设备和放弃的误解高估了准确性。此外,基于这项工作的观察,我们的未来的工作是找到一种方法以不同的方式接近这些错误并开发一个iBeacon-based系统弹性和健壮的RSSI动力学。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究部分支持基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由教育部(NRF - 2014 r1a1a2056626)。Hyungsik Shin,这项工作得到了Hongik大学新教师研究基金的支持。

引用

1. “蓝牙智能”,https://www.bluetooth.com/what-is-bluetooth-technology/bluetooth-technology-basics/low-energy视图:谷歌学术搜索
2. c·戈麦斯,j .轮胎式压路机,j . Paradells“蓝牙低能量的概述和评价:一个新兴的低功耗无线技术,”传感器,12卷,不。9日,第11753 - 11734页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 苹果,“iBeacon对于开发人员来说,“https://developer.apple.com/ibeacon/视图:谷歌学术搜索
4. 谷歌,“Eddystone-open信标格式”,https://developers.google.com/beacons/视图:谷歌学术搜索
5. p·马丁,B.-J。Ho n . Grupen s穆尼奥斯,m·斯利瓦斯塔瓦”ibeacon底漆的室内定位:演示抽象,”学报的ACM嵌入式系统大会节能建筑(BuildSys 14),2014年。视图:谷歌学术搜索
6. z . Chen问:朱、江h . y . c . Soh“室内使用智能手机的传感器和iBeacons本地化,”《IEEE 10日会议上工业电子产品和应用(ICIEA 15)IEEE,页1723 - 1728年,奥克兰,新西兰,2015年6月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. h . k .胭脂、陈y和k . k .儿子,“室内定位的移动设备和敏捷iBeacon部署”《IEEE 28日加拿大电气和计算机工程会议(CCECE 15)加拿大哈利法克斯,页275 - 279,,2015年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. mlb.com,“MLBAM初始iBeacon安装完成,”http://m.mlb.com/news/article/67782508/mlb-advanced-media-completes-initial-ibeacon-installations视图:谷歌学术搜索
9. m . Kouhne和j .丢掉“与ibeacon技术,基于位置的服务”第二届IEEE国际会议上人工智能,造型,与仿真(目的是“14)IEEE,页315 - 321年,马德里,西班牙,2014年11月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 崔z, b、w·周和美国提价”之间的交互系统的建议游客在博物馆大厅和收集iBeacon,”学报第十届国际会议上计算机科学和教育(ICCSE 15)剑桥大学,页427 - 430年,英国,2015年7月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. L.-W。陈,j j。钟,J.-X。刘,“GoFAST:一组的应急指导系统专用路径规划为移动用户使用智能手机,”《IEEE国际会议12日在移动Ad Hoc质量和传感器系统(15)IEEE,页467 - 468年,达拉斯德克萨斯州,美国,2015年10月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. X.-Y。林,t.w。Ho c c。方,Z.-S。日圆,B.-J。杨,f .赖“移动室内定位系统基于iBeacon技术,”学报》第37届国际会议的IEEE在医学和生物工程协会(EMBC 15)IEEE,页4970 - 4973年,米兰,意大利,2015年8月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. a .藤和t . Yanagizawa提议延长ibeacon系统室内路线指引,”学报》国际会议智能网络和协作系统(inco的15),页31-37,台北,台湾,2015年9月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. R.-S。程,W.-J。在香港,js。王,和k·w·林,“无缝导航系统结合GPS、祝福信标和NFC技术,”移动信息系统卷,2016篇文章ID 5032365, 12页,2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. g .孔蒂m·德·马奇a . a . Nacci诉Rana和d .化工”Bluesentinel:第一种方法使用ibeacon节能占用检测系统,”学报第一ACM会议对嵌入式系统的节能建筑(BuildSys 14)美国,页11-19,孟菲斯,田纳西州,2014年11月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. a . Corna l·丰塔纳,a . Nacci, d .化工”占用检测通过ibeacon android设备智能建筑管理”程序的设计、自动化测试在欧洲会议展览(日期的15),2015年3月。视图:谷歌学术搜索
17. a . LaMarca y Chawathe, s Consolvo et al .,“实验室:设备在野外定位使用无线电信标,”学报》第三届国际会议上普适计算(无处不在' 05),2005年。视图:谷歌学术搜索
18. p·巴尔和v . n . Padmanabhan”雷达:在建RF-based用户位置和跟踪系统,”《信息通信,775 - 784页。视图:谷歌学术搜索
19. d . y . Chen Lymberopoulos, j·刘,b .标“FM-based室内定位,”学报第十届国际会议在移动系统中,应用程序和服务(MobiSys 12),2012年。视图:谷歌学术搜索
20. j .黄铁矿、c·皮尔森和l .富勒”室内定位与企业无线接入网络,”Procedia计算机科学34卷,第322 - 313页,2014年。视图:谷歌学术搜索
21. a . Varshavsky e . de劳拉,j . Hightower, a . LaMarca诉Otsason, GSM室内定位,“普及和移动计算,3卷,不。6,698 - 720年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. j . Paek K.-H。金、j·p·辛格和r . Govindan”节能智能手机定位使用蜂窝基站id序列匹配,”学报》第九届ACM国际会议在移动系统(MobiSys 11),页293 - 306,华盛顿特区,2011年6月美国。视图:谷歌学术搜索
23. 赵y, x, y, y . Liu和l·卡斯伯特“蓝牙使用RSSI定位和三角测量方法,”《IEEE 10日消费者通讯和网络会议(CCNC 13)IEEE,页837 - 842年,拉斯维加斯,内华达州,美国2013年1月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. p . Kriz f·马利,t . Kozel”提高室内定位使用蓝牙低能量的灯塔,”移动信息系统卷,2016篇文章ID 2083094, 11页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. 工程学系。李,I.-K。Lim, j。李,”方法对提高室内定位精度使用扩展卡尔曼滤波,”移动信息系统卷,2016篇文章ID 2369103, 15页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. Estimote灯塔,http://www.estimote.com
27. Wizturn灯塔,http://www.lime-i.com/beacon/pebble/en/
28. “GELO灯塔。”http://www.getgelo.com/视图:谷歌学术搜索
29. j .赵和r . Govindan理解数据包交付性能在密集的无线传感器网络,”学报ACM国际会议1嵌入式网络化传感器系统(SenSys ' 03)美国,洛杉矶,加州,2003年11月。视图:谷歌学术搜索
30. m . Varsamou和t . Antonakopoulos“蓝牙智能分析仪iBeacon网络”第四届IEEE国际会议消费电子学报》(ICCE 14)IEEE,页288 - 292年,柏林,德国,2014年9月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. t·m·Ng”,从“我”到“我在这里”:准确性与iBeacon技术,研究基于位置的服务”香港规划师学会交易机构的工程师,22卷,不。1,23-31,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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