Microcomputer Applications Vol. 35 ,No. 1,2019 研 究 与 设 计 微 型 电 脑 ％ 用 2019 年第 35 ) 第 1 期 文 章 编 号 ！007-757X (2019)01-0076-04 基 于 iBeacon的 商 场 室 内 定 位 及 导 航 系 统 设 计 与 实 现 前 晋 ， 陈淑 荣 (上海海事大学信息工程学院，上 海 201306) 摘 要 ：基 于 蓝 牙 iB e a c o n 设 计 C /S 架 构 的 商 场 室 内 手 机 定 位 及 导 航 系 统 。手 机 接 收 蓝 牙 信 号 并 上 传 至 服 务 器 ，后 台从 蓝 牙 信 号 强 度 根 据 iB e a c o n 距 离 -R S S I损 耗 模 型 计 算 出 手 机 至 iB e a c o n 的 距 离 ，再 采 用 三 边 质 心 法 确 定 手 机 位 置 坐 标 ，并标示在手 机 端 商 场 地 图 上 ；另 外 ，按 照 手 机 端 输 入 的 目 的 地 信 息 ，服 务 器 运 行 引 入 回 退 机 制 的 A * 算 法 ，规 划 出 最 优 可 行 路 径 ，实现手机 端 的 商 场 导 航 。 实 验 数 据 表 明 最 大 定 位 误 差 在 3 米 以 内 ，导 航 路 径 精 准 。 关 键 词 ：iB e a co n ; 室 内 定 位 及 导 航 ；三 边 质 心 法 & A - 算法 中 图 分 类 号 ：T N 925 文 献 标 志 码 ：A Indoor Location and Navigation System Based on iBeacon in Shopping Mall (S ch o o l o f in fo rm a tio n E n g in e e rin g ，S hanghai M a ritim e U n iv e r is ty ，S hanghai 201306) Q IA N J in ，C H E N S hurong A b s tra c t： A n in d o o r lo c a tio n and n a vig a tio n system fo r m o b ile phones is designed w ith the C /S a rc h ite c tu re b y u sing iB eacon. A m o b ile phone receives th e B lu e to o th signa l and uploads it to th e s e rv e r，the server calculates the distance fro m th e m o b ile phone to th e iBeacon acco rding to the s tre n g th b lue te e th signa l and the iBeacon dista nce-R S S I lo s s m o d e l，and th e n uses the trila te ra l c e n tro id m e thod to co rd in g t o t he m echanism to p lan an op t i m al pa t h ，so as to realize th e m a x im u m p o s itio n in g e rro r i s w i t h i n 3 m e te rs ，th e n a v ig a tio n p a th is a c c u ra te . K e y w o rd s ： iB e a co n ； In d o o r pos it io n in g and n a vig a t io n ； T h re e -sid e d ce n tro id m e th o d ； A - a lg o rith m p o s itio n coo rdina tes in p u t t ed b y t he m o b ile p h o n e ， t he server ru n s t he fo r t he m o b ile the in fo rm a t i on sh o pping naviga t i on o f th e m o b ile d e te rm in e des t i na t i on p h o n e m a rk e d on th e m o b ile te rm in a l m ap . th e phone . E x p e rim e n ta l A - 0 引言 随 着 商 场 、地 下 停 车 场 、机 场 等 大 型 室 内 场 馆 的 兴 建 ，手 机 室 内 定 位 及 导 航 需 求 日 趋 强 烈 ，如 商 场 中 基 于 位 置 信 息 给 予 用 户 手 机 特 定 的 商 品 消 息 推 送 ，地 下 停 车 场 智 能 寻 车 ，机 场 室 内 位 置 导 航 等 。 目 前 手 机 室 内 定 位 技 术 主 要 通 过 蓝 牙 iB e a c o n 和 W i- F i 来 实 现 ，文 献 [1][2]使 用 W i - F i 指 纹 定 位 算 法 ，将 接 收 W i- F i 信 号 的 R S S I值 与 已 建 立 的 指 纹 数 据 库 进 行 对 比 实 现 定 位 ；文 献 [3][]使 用 iB e a c o n 定 位 技 术 ，首 先建立 iB e a c o n 信 号 强 度 与 距 离 之 间 的 关 系 ，再 通 过 三 边 定 位 算 法 实 现 定 位 。以 上 两 种 定 位 技 术 均 能 满 足 商 场 室 内 定 位 精 度 需 求 ，但 商 场 人 流 较 大 ，商 铺 位 置 易 变 动 ，导 致 W i- F i 指 纹 库 需 要 时 常 更 新 维 护 ，人 工 成 本 较 大 ，相 比 之 下 iB e a c o n 技术更 适 用 于 商 场 环 境 。 题 。可 见 A - 算 法 更 适 用 于 障 碍 物 较 多 的 室 内 环 境 。 本 文 利 用 蓝 牙 iB e a c o n 技 术 实 现 手 机 室 内 定 位 及 导 航 功 能 ，首 先 在 室 内 部 署 ib e a c o n 设 备 ，测 量 室 内 环 境 中 各 点 的 R S S I值 ，得 出 信 号 强 度 与 距 离 之 间 的 关 系 ，建 立 iB e a c o n 距 离-R S S I损 耗 模 型 ；其 次 手 机 接 收 iB e a c o n 的 R S S I值 ，上传 至 服 务 器 ，利 用 上 述 模 型 和 三 边 质 心 法 计 算 手 机 位 置 坐 标 ； 服 务 器 端 按 照 用 户 输 入 的 目 的 地 ，采 用 引 入 回 退 机 制 的 A - 算 法 计 算 最 优 路 径 ，并 在 手 机 端 自 制 的 商 场 地 图 上 标 示 最 优 导 航 路 径 。 1 系统概述 系 统 主 要 由 3 个 部 分 组 成 ：iB e a c o n 设 备 、A n d r o id 智能 手 机 、服 务 器 ，如 图 1 所 示 。 多 个 已 知 位 置 坐 标 的 iB e a c o n 部 署 在 室 内 空 间 中 ，周期 导 航 是 手 机 位 置 信 息 服 务 的 一 种 ，可 转 化 为 找 寻 定 位 点 性 地 向 外 界 广 播 信 号 。 与 目 的 地 之 间 的 最 短 可 行 路 径 。常 用 的 路 径 规 划 算 法 包 括 D ijk s tr a 算 法 、A - 搜 索 算 法 、蚁 群 算 法 等 。文 献 [4]指 出 D i- j s t a 算 法 搜 索 全 局 空 间 ，难 以 满 足 快 速 规 划 路 径 的 需 求 ，而 通 过 改 进 A - 算 法 建 立 平 滑 的 A - 模 型 ，其 性 能 优 于 蚁 群 算 手 机 应 用 由 A n d ro id S tu d io 开 发 环 境 搭 建 而 成 ，其功 能 包 括 接 收 iB e a c o n 信 号 并 上 传 iB e a c o n 的 M a jo r 值 及 对 应 R S S I值 至 服 务 器 ；上 传 用 户 输 入 的 目 的 地 ；接 受 返 回 信 息 并 在 室 内 地 图 标 示 当 前 位 置 ；显 示 服 务 器 返 回 的 最 优 导 航 法 ，且 能 处 理 障 碍 物 随 机 分 布 的 复 杂 环 境 下 的 路 径 规 划 问 路 径 。 作者简介:前晋（1994-)，男 ，硕士，研究方向：无线通信及接入技术。 陈淑荣（1972-)，女 ，副教授，研究方向：视频分析与处理，现代通信网络及控制技术。 , 7 6 , 

Microcomputer Applications Vol. 35, No. 1,2019 研 究 与 设 计 徽 型 电 胎 ％ 用 2019 年 第 3 5 卷 第 1 期 优 化 ，如 式 （5 ) 。 R z : % R i + a 丄 # m ”（R s i (d z) + R s s i(d z)) m ^ s=1 〜 n : % n — a 1 # (R s s i(d z ) — R s s i(d z ) ) 10lg (d ) （5) 其 中 a 为 梯 度 因 子 ，取 a = 〇.。2, 使 2 R 1 ，n )达 到 最 小 即 可 求 得 所 需 的 R : 和 n 。根 据 最 优 参 数 建 立 的 iB e a c o n 距 离 -R S S I 损 耗 模 型 如 式 （）。 (6) 将 手 机 端 接 收 的 R S S I值 代 入 式 （6 ) 即 可 得 出 手 机 与 d % 1。 1。 Rssi(d)—尺1 iB e a c o n 的 距 离 d 。 第 四 步 ： 机 位 置 坐 标 。采 用 三 边 质 心 法 [6]，如 图 2 所 示 。 服 务 器 由 M y E c lip s e 结 合 A p a c h e T o m c a t搭 建 而 成 ，内 部存储了 iB e a c o n 信 息 和 地 图 信 息 ，采 用 基 于 H T T P 协议的 d o P o tt 方 式 与 手 机 端 数据 ，功能 接 收 手 机 端 上 传 的 R S S I值 ，运 行 iB e a c o n 距 离- R S S I损 耗 模 型 确 定 手 机 与 iB e a c o n 的 ；利 用 三 边 质 心 法 计 算 手 机 位 置 坐 标 ；接 收 输 入 的 目 的 地 信 息 ，并运行引 机 制 的 A - 算 法 规划 ： 导 航 路 径 。 2 系统 实 现 的 关 键 技 术 2. 1 iB e a c o n 室内定位 采 用 iB e c a o n 进 行 室 内 定 位 ，需 先 建 立 iB e a c o n 距 离 -R S - S I 损 耗 模 型 ，获 取 手 机 与 最 近 的 3 个 iB e a c o n 之 间 的 距 离 ，再 通 过 三 边 质 心 法 计 算 手 机 位 置 ，实 现 定 位 。算 法 _ 如 下 ： 第 一 步 ：R S S I值 采 集 预 处 理 。部 署 iB e a c o n 应 选 取 周 围 无 遮 挡 物 的 位 置 降 低 信 耗 ，在信 定 后 采 集 R S S I值 其 中 ，A 、B 、C 三 点 代 表 iB e a c o n 设 备 位 置 ，n 、2 、3 表示 过 (6) 求 得 机 与 其 近 的 三 Beacon 设 . 的 别 为 L K x d ，％ )、^ d 。阴 影 三 角 形 的 三 其 它 信 扰 ，减 少 环 境 ；在 同 一 地 集 、 (x e，:ye) 、/ (X y ，3V ) ，三 角 形 的 质 心 坐 标 P (x ，：y ) 即 为 确 定 的 R S S I值 采 用 均 值 滤 波 预 处 理 ，以 减 少 测 量 误 差 ，如 式 （1 ) 。 手 机 位 置 坐 标 ，如 式 （7 ) 。 Rssi = 1 # Rss i n 人」1 (1) 第 二 步 ：建 立 iB e a c o n 距 离 - R S S I损 耗 模 型 。 已 有 实 验 数据 信 号 强度与 存 在 对 数 关 系 [36]， P L (<) % P L (<〇 ) + 10n lg ) 4 X 。 # ) 其 中 ，P L (<)、P L (<。）分 别 表 示 无 线 信 号 在 < 和 < 。米 处 的 信 号 强 度 损 耗 ， 为 环 境 变 量 因 子 ，X 。是 方 差 为 。的 正 态 随 机 分 布 ，单 位 为 d B 。设 < 〇 = 1 m ，（2)式 变 为 式 （3 ) 。 Rss i (<) % R1 4 1" n lg (<) 4 X。 (3) 2. 2 商场室内导航 导航作 内位置服务的 ，实质是寻 定 用户搜索目的地之间的 路径。 如 图 3 所示。 式 中 ，R s s i(<)表示 < 米 处 的 无 线 信 号 强 度 值 ，R : 表 示 iB ea­ con 与手机 度 R s s iC O ) 测 量 得 到 ， 和 R1 信 号 强 度 值 。 的 待 定 参 数 。 1 m 时的 < 和 信 号 强 第 三 步 :参 数 只 ：和 〃 的 最 优 估 计 。采 用 最 小 二 乘 法 * ] ， 利用 化 的平方 数 据 的 最 佳 数 ，， 痈 定 最 优 参 数 值 。误 差 函 数 如 式 （）。 2 (R i ，）％ 1 # 2m s=1 (Rss i (dl) — Rss i (dl))2 ⑷ 其 中 R s s i(d z)表 示 d z 米 处 R S S I实 际 测 量 值 ，R s (d z) 表示 根 据 式 （3)求 得 的 R S S I估 计 值 。R 1 和 n 据 初 值 不 断 循 环 • 77 • 图 3 实际地图与路径节点图 以 上 海 正 大 广 场 1 层 为 例 ，如 图 3(a)所 示 ，导 航 算 法 步 ： 

Microcomputer Applications Vol. 35, No. 1,2019 研 究 与 设 计 徽 型 电 胎 ％ 用 2019 年 第 35 ) 第 1 期 第 一 步 ：室 内 地 图 建 模 。将 商 场 地 图 的 所 有 可 行 走 路 径 转 化 为 节 点 图 ，如 图 3(b )所 示 。每 一 节 点 代 表 一 个 地 点 ，线 段 代 表 可 行 路 径 。节 点 信 息 如 下 ： (1) N :整 数 型 节 点 标 识 符 ，以 数 字 形 式 标 识 节 点 。 ( ) F lo o r :整 数 型 楼 层 标 识 符 ，记 录 该 节 点 楼 层 信 息 。 (3) N a m e :字 符 型 ，记 录 节 点 名 称 ，一 般 为 对 应 地 图 所 在 地 。 ( ) X 、Y :d o u b le 型 ，记 录 该 节 点 对 应 地 图 所 在 位 置 的 二 维 坐 标 值 。 ( ) N e x t :数 组 型 ，记 录 该 节 点 可 到 达 的 下 一 个 节 点 的 N 值 。 以 1 节 点 为 例 ，其 中 N = 1 ，F lo o r e 1 ，N a m e e “扶 梯 ” ，X e 45 0?Y = 330, N e x t = [ 2 ， ， ，+ 。 第 二 步 : 建 立 最 优 路 径 搜 索 算 法 。在 A - 算 法 的 基 础 上 引 入 回 退 机 制 实 现 室 内 最 优 路 径 规 划 ，流 程 如 图 4 所 示 ，其 中 { ， 分 别 为 手 机 定 位 点 和 用 户 输 入 的 目 的 节 点 ，p a th 为路 径 节 点 集 ，c lo s e 为 已 搜 索 节 点 集 。搜 索 下 一 节 点 时 ，取出下 一 节 点 集 N e x t 中 的 所 有 值 ，若 其 属 于 clo se ，则 跳 过 ，否 则 计 算 其 评 估 函 数 / U )[5]，并 加 入 clo se ;当 遍 历 完 N e x t 中所有 值 后 ，将 /(〃)值 最 小 的 节 点 作 为 新 的 { ，并 加 入 到 p a t h 中 ， 依 次 循 环 ，直 至 々e g 后 ，输 出 最 优 路 径 集 p a th 。节 点 x 的评 估 函 数 / U )如 式 （）。 /(n) = g (n) 4 h(n) (8) 其 中 ， 表 示 初 始 节 点 》到 节 点 x 的 代 价 函 数 ，表示 节 点 x 到 目 的 节 点 g 的 启 发 式 函 数 ，采 用 标 准 的 曼 哈 顿 距 离 ，如 式 （9)。 h (n ) = ( | x # — X 2 | 4 | 31 — 32 | ) (9) 式 中 ，X #、：y i 表 示 该 节 点 X 的 二 维 坐 标 ，X 2、：V2 表 示 目 的 节 点 g 的 二 维 坐 标 。 第 三 步 ：引 入 回 退 机 制 的 路 径 选 取 策 略 。在 搜 索 节 点 时 ，会 遇 到 死 节 点 ，即 除 了 上 一 节 点 没 有 其 它 连 接 节 点 ，如图 3(b ) 中 ，若 以 1 节 点 为 ^ ，6 节 点 为 g ，根 据 传 统 的 A - 算法下 一 节 点 会 选 择 4 节 点 ，此 时 4 节 点 即 死 节 点 ，为 了 应 对 这 种 异 常 情 况 ，算 法 增 加 了 回 退 机 制 ，如 图 4 中 虚 框 所 示 。 遇 到 死 节 点 时 将 已 搜 索 节 点 集 c lo s e 回 退 到 上 一 状 态 ， 并 加 入 死 节 点 ，使 再 次 搜 索 路 径 时 忽 略 该 节 点 ，避 免 错 误 发 生 ；另 外 将 路 径 节 点 集 中 的 末 值 赋 给 々 ，使 々 恢 复 到 上 一 状 态 ，从 而 实 现 回 退 过 程 。 回 退 机 制 消 除 了 死 节 点 的 影 响 ，增 加 了 算 法 运 行 的 稳 定 性 。 3 实 验 结 果 与 分 析 3. 1 iB e a c o n 距 离-R S S I损 耗 模 型 参 数 选 取 实 验 为 确 定 模 型 的 待 定 参 数 n 和只1 ，在 室 内 距 离 iB e a c o n 设 备 0. 1 m 、0. 7 m 、1. 3 m 、1. 9 m ... 处 ，选 取 1 3 个 点 ，按照定 位 算 法 步 骤 一 对 采 集 的 R S S I值 进 行 均 值 滤 波 ，再 根 据 步 骤 二 运 用 最 小 二 乘 法 选 取 最 优 参 数 ，得 出 具 体 数 值 如 式 （10)。 (R1 =+ 68. 458 11 i n = + 1 776 991 7 10) 为 了 验 证 参 数 选 取 的 最 优 性 ，式 （ ）中 误 差 函 数 / ( 7 ^ ， n )值 的 渐 变 情 况 如 图 5 所 示 。 图 4 最优路径搜索流程 可 见 当 循 环 次 数 达 到 2 0 0 0 次 以 上 时 ，误 差 函 数 值 已 基 本 趋 于 平 稳 且 接 近 于 零 ，表 明 参 数 和 的 估 计 已 达 到 最 优 。 为 了 验 证 模 型 的 有 效 性 ，将 建 立 的 iB e a c o n 距 离 -R S S I 损 耗 模 型 曲 线 与 实 际 测 量 数 据 进 行 对 比 ，如 图 6 所 示 。 其 中 X 点 表 示 实 际 测 量 数 据 ，图 6 中 显 示 曲 线 能 有 效 反 • 78 • 

Microcomputer Applications Vol. 35, No. 1,2019 研 究 与 设 计 徽 型 电 胎 ％ 用 2019 年 第 35 ) 第 1 期 映 iB e a c o n 信 号 强 度 与 距 离 之 间 的 关 系 。 由 上 可 知 ，模 型 参 数 选 取 已 达 最 优 ，建 立 的 iB e a c o n 距 离- R S S I损耗 效 。 3. 2 定位实验 为 了 测 量 定 位 算 法 的 误 差 ，在 5.+ - 16. 2 室 内 部 署 3 个 iBeacon 设 备 ，二维 坐标 分 别 为 A (0,7. 2 ) 、B (2. 7,0)、C (2. 3, 16. 2 $ 单 B e a c o n 距 离-R S S I损耗 ，再根据定 m 。随 机 选 择 3 0 个 采 样 点 ，将 采 集 数 据 代 入 三 计 算 出 手 机 位 置 坐 标 ，与 实 际 测 量 的 数 据 比 较 ，得 出 定 值如 图 7 所 示 。 B e a c o n 距 离 -R S S I损 耗 模 型 ，利 用 三 边 质 心 法 实 现 手 机 室 内 定 位 ，在此基础 C /S 的 内手机 定位 导航 。手 机 端 通 过 接 收 B e a c o n 信 服 务 器 ，后 台 运 定 位 算 法 ，计 算 手 机 的 位 置 信 息 ；并 按 照 用 户 的目的 地 址 ，运 行 路 径 搜 索 算 法 ！ 导 航 。 果 ，定 路 径 ！ 内 3 m 以 内 ，导 航 路 径 精 确 ，能满足大型室内 机 定 位 导 航 需 求 。 参考文 献 *1+ 汪 伦 杰 ，廖 兴 宇 ，潘 伟 杰 ，等 . 基 于 信 号 均 值 滤 波 ] 々- means + W K N N 的 W iF i 指 纹 定 位 算 法 研 究 [J + . 微电 子 学 与 计 算 机 ，2017,34(3) -0-3+. [2] G in ts Jeka bsons ， V a d im K a ir is h ， V a d im Z u ra v ly o v . A n A n a ly s is o f W i-F i Based In d o o r P o sitio n in g A c c u ra ­ c y * J +. S c ie n tific Jo u rn a l o f R iga T e ch n ica l U n iv e rs ity . C o m p u te r S ciences, 2011,44(1)— [3] 石 志 京 ，徐 铁 峰 ，刘 太 君 ，等 . 基 于 iB e a c o n 基站的室内 定 位 技 术 研 究 [J ] . 移 动 通 信 ，2 0 1 5 ( 7 ) - 8 - 91. [4] D am ian E G rze chca ，P io tr P e lc z a r，L u ka s C h ru szczyk . A n a ly s is o f O b je ct L o c a tio n A c cu ra cy fo r iBeacon T e c h n o lo g y Based on the R S S I P ath Lo ss M o d e l and F in g e rp rin t M a p [J +. In te rn a tio n a l Jo u rn a l o f E le c tro n ­ ics and T e le c o m m u n ic a tio n s ，2016，62(4) — [ 5 ] 王 红 卫 ，马 勇 ，谢 勇 ，郭 敏 . 基 于 平 滑 A 〜 - 算 法 的 移 动 机 器 人 路 後 规 划 [J ] . 上 海 ，同 济 大 学 学 报 （自然科学 其 中 最 大 定 位 误 差 在 3 米 以 内 ，且 误 差 值 在 2 米 内 有 2+ 次 ，定 位 精 度 较 好 。 1 0 组 实 际 坐 标 与 模 拟 坐 标 的 对 比 图 ，如 图 ' 所 示 。 图中可以看出 在 定 较 近 时 ，蓝 牙 信 号 发 生 反 射 ，折 射 ，产 生 多 径 效 应 [6]，定 位 误 差 较 大 ！ 内中心 定 较 小 。 以 上 1 0 组 定 位 算 法 计 算 总 时 间 为 6. 777 s ，平 均 每 次 定 位 算 法 实 现 时 间 为 0. 677 7 s ，满 足 实 时 定 位 的 需 求 。 3 . 3 商 场 室 内 导 航 实 验 据 服 务 器 计 算 的 定 位 坐 标 ，在 手 机 端 的 商 场 地 图 上 标 版 ），2 0 1 0 , 3 8 ( 1 ) -647-1650. 示 当 前 位 置 ，当用户 根 据 改 进 的 A - 导 航 算 法 规 划 出 最 优 路 径 目 的 地 ，手机 信 息 ，服务器 机 ，结 果 如 图 9 所 示 。 其 中 绿 点 代 表 起 点 ，蓝 点 代 表 终 点 ，红 线 标 示 为 最 优 导 [6] 朱 鹏 飞 . 基 于 R S S I的 室 内 定 位 算 法 研 究 [ D ] . 昆 明 ：云 南 大 学 ，2016. [7] 袁 鑫 ，吴 晓 平 ，王 国 英 . 线 性 最 小 二 乘 法 的 R S S I 定位 精 确 计 算 方 法 [J ] . 传 感 技 术 学 报 ，2014，27 ( 1 0 ) : 航 路 径 。 1412-1417. (收 稿 日 期 ：2018. 02.26) 针 对 商 场 手 机 定 位 和 导 航 应 用 ，首 先 通 过 实 验 建 立 • 79 •