基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统

大学生创新训练计划项目申报书项目名称：BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统项目类别：大学生创新实验计划项目负责人：所在学院：软件学院专业年级：2010级学号：手机：电子邮箱：指导教师：项目起止年月：2012.4—2013.4项目参与学生人数：4四川大学教务处制二〇一二年三月BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统填写说明一、凡申报四川大学“大学生创新训练计划”（包括“大学生科学探索实验计划”、“大学生创新性实验计划”、“大学生科研训练计划”）必须填写本申报书。创新训练计划项目是本科生个人或团队，在导师指导下，自主完成创新性研究项目设计、研究条件准备和项目实施、研究报告撰写、成果（学术）交流等工作。二、封面“项目类别”处只能填写“大学生科学探索实验计划”、“大学生创新性实验计划”、“大学生科研训练计划”其中之一。三、“项目所属一级学科”是指教育部1998年颁布的“普通高等学校本科专业目录”中的哲学、经济学、法学、教育学、文学、历史学、理学、工学、农学、医学和管理学11个一级学科门类中的一种或多种(跨学科)。四、“项目开展支撑平台“指支撑本项目开展的校、院级教学实验中心、科研实验室等，表中填写有关实验室名称，可以多个。五、“项目组成员”人数原则上不超过五人。六、报送本申报书时，一式2份，并报送申报书电子文档。七、本书应该填写完整、内容详实、表达准确，数字一律填写阿拉伯数字。八、打印格式与装订（1）纸张为A4大小，双面打印；（2）文中小标题为四号、仿宋、加黑；（3）栏内正文为小四号、仿宋；（4）左侧距边界1厘米装订。BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统项目名称基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统申请经费15000元起止时间2012年4月至2013年4月项目所属一级学科工学项目开展支撑平台学校创新实验室项目负责人基本信息姓名学号专业年级所在学院性别手机电子邮箱身份证号项目组成员基本信息序号1234姓名/性别学号专业年级所在学院手机电子邮箱身份证号签名指导教师基本信息姓名所在学院或单位研究方向职称/职务性别/年龄手机电子邮箱签名BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统项目内容概述(限200字以内)室内精确定位是物联网行业急需解决的问题，然而目前该领域的研究却并不成熟。本项目研究的基于蓝牙4.0技术的室内精确定位系统，以能满足100米以上信号传输要求的蓝牙4.0技术为基础，依靠蓝牙信号接收锚点收集蓝牙RSSI（接收的信号强度指示）衰减数据，结合先进的滤波去噪技术和精确定位算法，精确定位室内蓝牙4.0信号发射源位置，将定位结果用于实现室内物品在局域和互联网的监控以及室内导航，推动物联网在室内的发展。项目特色创新点概述（限50字以内）本项目旨在开发基于蓝牙4.0的全新室内定位系统，通过结合滤波、定位等算法实现精准的定位，为室内定位翻开了崭新的一页。项目组成员分工姓名主要研究工作张宇光蓝牙网络搭建，蓝牙定位算法研究，系统测试杜日鹏滤波算法研究，客户端程序设计编写李广坡蓝牙定位算法研究及改进，服务器端数据处理程序设计设计胡麦芳蓝牙定位算法研究和改进，数据库构建，文档书写BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统一、项目简介（研究内容、目的意义、具体目标、国内外研究现状分析及评价等）【研究内容】：本项目主要研究基于蓝牙4.0的室内定位系统及其在物联网上的应用，主要实现室内导航和物品监控的功能，成果可以广泛应用于地下室，矿井，车库等室内环境下，人员和物品在局域网和互联网的监控，以及大型商场内的导购，博物馆导游，室内紧急状况下的救援路线的提供等方面。1、光跟踪技术光跟踪室内定位系统种类繁多，但都要求所跟踪目标和探测器之间线性可视，这就把它的应用局限到了仅室内的范围且须保证所监控的目标是不透明的。光跟踪定位技术通过固定的红外线摄像机和很多红外线发光二极管协同配合，达到定位的目的。缺点：由于其本身的特点，要实现高精度的光定位技术，其配备要求比较复杂。2、室内GPS定位技术当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减到十分微弱的地步。为了得到较高的信号灵敏度，就需要延长每个码延迟上的停留时间，尽管A-GPS技术为这个问题的解决提供了可能性，但结果不尽如人意。缺点：这种室内GPS定位技术由于需要在手机内集成GPS接收器，决定了它的应用受限性；A-GPS定位实现必须通过多次网络传输，定位结果不精确，占用了大量的空中资源；耗电上有一定的额外负担，间接的减断了手机的待机时间。3、基于WI-FI的定位技术无线局域网络(WLAN)是一种常用的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监控和追踪任务，而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。缺点：很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也比较高。4、红外线室内定位技术红外线室内定位技术定位的原理是，红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。红外线具有较高的室内定位精度。缺点：光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播；直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差；红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。5、射频识别技术BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。缺点：这种技术作用距离短，一般最长为几十米；需要特定设备和配套设备；不便于整合到其他系统之中。二、蓝牙4.0的介绍蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。蓝牙4.0是蓝牙3.0+HS规范的补充，完全向下兼容，可广泛用于诸多领域。现在的蓝牙4.0已经走向了商用，在最新款的newipad、MacBookAir、MotoDroidRazr以及台商ACERAS3951系列/GetwayNV57系列,ASUSUX21/31系列，iPhone4S上都已应用了蓝牙4.0技术，具有很好的发展趋势。该技术具有诸多优点：1、低功耗，使用标准纽扣电池可运行一年乃至数年；2、低成本；3、快速跟踪；4、高精度；5、拥有其他定位系统没有的AES-128加密技术；6、辐射范围更广，可以达到100m以上。最佳情况下甚至可以达到200m；此外，该技术拥有广阔的前景，可以应用于物联网：物联网代表了未来的发展趋势，但是室内精确定位作为其重要组成部分还不成熟，本项目研究的基于蓝牙4.0的室内精确定位系统，必然能够进一步推动物联网产业的发展。三、蓝牙定位的原理1．蓝牙室内定位测量系统工作描述在一个室内无线电单元内进行接收功率测量，它常用于跟踪固定基准蓝牙发射器和存在干扰的视距信道的便携式接收机之间的距离。BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统图1：2D定位图图2：3D定位图蓝牙技术中主要的是利用信号强度RSSI实现室内高精度定位。通过RSSI来估算目标与锚点的距离，进而算出目标的位置。现在国外采用的一种定位算法是使用蓝牙低功耗三角定位跟踪蓝牙设备来标记实现；这种算法是使用蓝牙低功耗阵列三角定位跟踪蓝牙设备来标记实现；这种方法比Wi-Fi三角定位的效率更高，成本更低，使用普通的蓝牙手机即可实现定位。单一发射台结合固定高度解决2D定位问题多个发射台提高精度提高稳定性BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统图3：三角质心定位原理图②当普通节点收集到一定数量的锚节点信息时，不再接收新信息。普通节点与节点到锚节点距离，普通节点根据RSSI从强到弱对锚节点排序，并建立RSSI值与节点到锚节点距离的映射；③选取RSSI值大的前几个锚节点进行自身定位计算；④对求出的未知节点坐标集合取平均，得未知节点坐标。基于RSSI校正的三角形质心定位算法有效的提高了定位精度，改善了性能。还有一些其他诸如KRR定位的算法等，我们将做进一步深入的研究与改进。四、蓝牙4.0定位的优势1)低功耗-----未来的绝对趋势拥有极低的运行和待机功耗，使用一粒纽扣电池甚至可连续工作数年之久。相反，A-GPS在耗电上有一定的额外负担，间接的减少了手机的待机时间。2)低成本它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。一个发射台甚至可以覆盖1000平方米，不需要网络辅助。而A-GPS需要网络辅助，会产生流量费，而且数据量不大。3)瞬时启动3毫秒超高速启动。而获取AGPS信号一般需要几秒，Wi-Fi定位的时间也是几秒。4)高精度①锚节点周期性向周围广播信息，信息中包括自身节点ID及坐标。普通节点收到该信息后，对同一锚节点的RSSI取均值；BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统可精确到几米。A-GPS可精确到十米左右，Wi-Fi、红外线、射频等技术定位精度更低。5)更加安全的加密，辐射范围更广蓝牙4.0启用128-bitAES完全加密，为数据封包提供高度加密性及认证度。并且最高功率下蓝牙4.0的范围将会扩充到200米范围，有效的加大的设备使用的距离。五、主要功能介绍1)室内导航在如今科技发达的地球村时代,了解自己的位置进而借助工具实现导航,已成为地球村中每个人的基本需求。但是,随着应用的扩展,定位和导航技术也在不断面临着新的挑战,尤其是室内的精确定位和导航这一挑战,已经成为目前各导航设备供应商关注的一个热点。图4：导航效果图借助于这个系统，当你进入大型超市时，可以通过手机快速找到自己所需物品的位置；当你进入博物馆时可以通过手机快速了解到文物的历史背景介绍。诸如此类，大大的提高了效率，给人们生活带来了便捷。Umbrella的位置Shopforanumbrella用户当前所在位置BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统图5：应用场景图室内导航应用范围十分广泛，如商场购物、博物馆及室内导游、室内停车场找车(位)、矿难救援，紧急状态下救援或逃生路线的提供等，都可以通过基于蓝牙的定位系统，快速、方便、精确的找到目标，不光可以为我们的生活提供极大的便利，而且在室内紧急状况下，可以帮助我们尽快逃生，搜救，减少财产和人员的伤亡。2)物品监控随着最近隶属于蓝牙4.0标准的蓝牙低功耗FindMe和ProximityProfiles获得蓝牙SIG的批准，蓝牙4.0第一次可用于为大众便携式电子设备开发接近感应和安全功能，如发现丢失的车鈅匙和智能手机，或发声提醒和锁住离开主人一段距离的几乎任何便携式设备。这将是非常吸引消费者的一项功能，因为今天的消费者常常因为匆忙或疏忽或忘性大而在出租车或银行或其它公众场所遗失自己心爱的手机或车鈅匙。对于重要文件，资料，物品，该应用将产生更大的影响，避免丢失这种重要物品，减少了很多麻烦，而且很提高人们生活和工作的效率和品质。BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统图6：物品监控效果图当用户携带的贵重物品被遗忘丢失时，可以通过手机上的提醒信息来告知用户丢失的物品及其位置信息，有效的保障了物品所用者的利益。【目的意义】:目前室内精确定位技术在物联网的浪潮下有很广阔市场应用前景，而这一技术在国内还不成熟，我们研究的室内高精度定位系统，可以实现精确的定位，促进物联网在室内的发展。图7：研发需求背景人们平均80%-90%的时间在室内；70%的移动电话使用和80%的数据连接使用来自室内。提示用户包已经丢失用户当前位置包的位置BBLS基于蓝牙4.0的高精度室内定位系统在很大市场需求下，国内该方面的应用研究却显得力度不够。基于这一情况我们对其进行研究，主要实现室内导航和物品监控两个功能：室内导航可用于医院，超市，博物馆等场所，还可应用于紧急状况下救援室内路线的提供。如在医院可以帮助你快速的找到挂号，就诊等流程路线；在大型超市中快速选购所需物品；在博物馆中快速了解文物信息；在紧急状况下快速找出安全路线，减少人员伤亡。物品监控可以用于超市或者个人物品监控等方面。在随身重要物品离物品所有者的距离达到一定的阈值时，提醒用户并提供及时有用的