Ray: Smart indoor/outdoor routes for the blind using Bluetooth 4.0 BLE
Abstract:This work describes the implementation of a cost-effective assistive mobile application aiming to improve the quality of life of visually impaired people. Taking into account the architectural adaptations being done in many cities around the world, such as tactile sidewalks, the mobile application provides support to guide the visually impaired through outdoor/indoor spaces making use of various navigation technologies. The actual development of the application presented herein has been done taking into account that the safety of the end user will very much depend on the robustness, accuracy and timeliness of the information to be provided. Furthermore, we have based our development on open source code: a must for applications to be adapted to the cultural and social characteristics of urban areas across the world.
1. Introduction
According to the World Health Organization 1 (WHO), nowadays, there are 285 million people with visual impairment, of which 39 million are completely blind and 246 million have low visibility disabilities. To improve the social inclusion of these citizens, novel technological solutions are being explored and developed by many different organizations: research centers, industrial players and public agencies 2.
In this paper, we present a novel mobility solution to assist the visually impaired through their daily journey. The mobility assistant does not only provide guidance to the blind through his/her day-to-day journey, but it also serves as a valuable source of information to city managers. Many mobility assistants have been reported in the literature. Two of the main issues addressed by most works have centered around their usability and operability 3. The latter refers to their ability to operate both in outdoor and indoor environments 4. Most outdoor solutions have relied on the use commercial GPS systems 5, while in the case of indoor environments, various technologies, such as RFID 6,7, wireless LANs 8 and computer vision 9,10 are being explored. As for their usability, system prototypes have been tested and evaluated in various sites. Such studies have taken into account, up to a certain extent, the cultural and architectural features of the target environments. The results have proven their potential on improving the quality of life of people suffering from visual impairments.
In an effort to provide a friendly environment to the visual impaired, many cities 11 have invested into traffic lights incorporating sound systems, tactile and accessible sidewalks. Many cities are already working on implementing smart traffic lights synchronized in real time based on the traffic and people mobility 12. In fact, this feature makes part of the enhancements to the infrastructure of Smart Cities recommended by the ISO 37120:2014 13. However, the high costs involved in the deployment of such facilities requires the careful planning and the development of low-cost reliable solutions. Power efficiency is another major issue to be addressed 2,14. An overall solution also calls for the synchronization of a large number of devices enabling the timely and reliable operation of the overall solution.
In this context, our work has been implemented considering the limitations of other technologies. We have developed a hybrid system that visual impaired people may use in indoor/outdoor environments based on the use of GPS and Bluetooth 4.0 BLE technologies along with a mobile device 15. The latter is mainly characterized by the low-power requirements, making it a cost effective and reliable solutions.
Regarding the implementation of the outdoor functionalities of the mobility assistant proposed herein, they comprise a smart traffic light controller and the development of an application based on the Google Directions API and Google Maps Geocoding API. The controllers have been designed to be installed at the traffic lights. They provide the required infrastructure to communicate with the mobile assistant application via Bluetooth. In this way, users may gettimely and accurate information all along their journey. As for the indoor environments, the mobility assistant relies on the use Bluetooth beacons devices strategically placed to identify the different areas of a building. The application makes use of the pedometer and gyroscope sensors found in most smart phones. In this way, the user can be accurately guided through indoor spaces.
As for the user interface, being an application for the visually-impaired, it is launched by pressing the volume button. Finally, the user can interact with the application through a voice recognition system implemented using the TextToSpeech Google API.
2. Ray: A low-power smart mobile assistant for the blind
Recent developments have enabled the implementation of low-power controllers and communication interfaces. We have based our design on an AVR micro-controller. As for the communication interfaces, we have made use of Bluetooth 4.0 devices 16,17. Bluetooth 4.0 devices can operate in two different modes: Bluetooth Low Energy (4.0 BLE) and Enhanced Data Rate (EDR 2.0). In both modes, the devices basically implement the sames tasks: digital transmission, tele-control and data acquisition. The main differences between both modes rely on the power consumption and the achievable data transmission range. Figure 1 shows the circuit diagram and the picture of the traffic controller and the Bluetooth 4.0 BLE device.
2.1. Smart Indoor routes
One of the main features of our mobile assistant has been centered on the design of a friendly and reliable service. Voice messages guide the users in indoor environments. Voice messages include ”Go ahead” or ”Turn left or right” indications. These services have been imp
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使用蓝牙4.0 BLE的盲人智能室内/室外路线
摘要：这项工作描述了经济有效的辅助移动应用程序的实施，该应用旨在改善视障人士的生活质量，考虑到世界各地许多城市正在进行的建筑调整，例如触觉人行道，移动应用程序通过使用各种导航技术，为视障人士通过室外/室内空间时提供指导。 考虑到最终用户的安全性很大程度上取决于所提供信息的健壮性，准确性和及时性，所以本文提出的应用的实际发展已经完成。 此外，我们的开发基于开放源代码：应用程序必须适应全球城市地区的文化和社会特征。
1.介绍
据世界卫生组织称，目前有2.85亿视力受损的人，其中3900万人完全失明，2.46亿人有低视力障碍。为了让这些公民更好地融入社会，新颖的技术解决方案正在被许多不同的领域探索和发展，像一些研究中心、工业企业和公共机构。
在本文中，我们提出一种新颖的移动解决方案来帮助视障人士完成他们的日常旅程，流动助理不仅向盲人提供指导帮助他/她完成日常旅程，而且它也是城市管理者的宝贵信息来源。许多流动的辅助系统已经在文献中有过报道。大多数作品解决的两个主要问题都集中在可用性和可操作性上，操作性是指他们在室外和室内环境下的执行能力，大多数户外解决方案都依赖于使用商用全球定位系统，然而在室内环境的情形下，各种不同的科技，例如RFID、无线局域网和机器视觉正在被探索，至于它们的可用性，系统原型已经在各个地点进行测试和评估，这样的研究在一定程度上考虑了目标环境的文化和建筑特征，这些结果证明了它们具有改善患有视觉障碍的人的生活质量的潜力。
为了给视障人士提供一个友好的环境，许多城市都投入了交通信号灯，包括音响系统、触觉和人行道，基于交通和人员流动性，许多城市已经在实施实时同步的智能交通灯，实际上，该功能是ISO 37120：2014推荐的智能城市基础设施增强的一部分，然而，部署此类设施所涉及的高成本需要仔细规划和开发低成本可靠的解决方案，电源效率时另一个需要解决的主要问题，一个整体的解决方案还要求同步大量设备，以实现整体解决方案的及时和可靠性。
在这篇文章中，考虑到其他技术的局限性，我们的工作已经实施，我们开发了一种混合系统，基于全球定位系统和蓝牙4.0低功耗蓝牙技术以及移动设备，视障人士可以在室内/室外环境中使用，后者的主要特征是低功耗要求，使其成为具有成本效益和可靠性的解决方案。
关于在此提出的移动性助理的室外功能的实施，它们不仅包括智能交通灯控制器和基于谷歌方向接口的应用程序的开发以及谷歌地图地理编码接口，控制器被设计安装在交通灯处，它们提供符合要求的基础设施与移动助理应用通过蓝牙进行交流，按照这种方法，用户可以在整个旅途上得到及时而又精确的信息。至于室内环境，移动助理依靠使用蓝牙信标设备进行战略性布局，以识别建筑物的不同区域，应用程序利用大多数智能手机中的计步器和陀螺仪传感器，这样，用户就可以在室内环境中准确地通行。
至于用户界面，作为视觉障碍者的应用程序，它通过按音量按钮启动，最后，用户可以通过使用TextToSpeec谷歌接口实现的语音识别系统与应用程序进行交互。
2.Ray：一款适合盲人的低功耗智能移动助理
最近的发展已经实现了低功耗控制器和通信接口，我们将我们的设计基于AVR微控制器，至于交流接口，我们利用了蓝牙4.0设备，蓝牙4.0设备可以工作在两种不同的模式下：蓝牙低功耗（4.0BLE）和增强数据速率（EDR2.0），在这两种模式下，设备基本上都执行相同的任务：数字传输、远程控制和数据采集。
2.1智能室内路径
我们移动助理的主要特点之一是以友好可靠的服务设计为中心，语音消息引导室内环境中的用户，语音信息包括“前进”或者“左转右转”的提示，这些服务基于已经集成到大多数智能手机中的计步器，陀螺仪和蓝牙接口实现，后者用于与位于建筑物内的战略蓝牙信标保持联系。
我们定义一个信标区，它是一个可以检测到信标的环境，这些信标可以为用户所在当前区域提供引导，为了确保估计的用户位置的准确性，每个信标区都有一个CP（检查点），然后用户从一个CP被引导到另一个，即路线轨迹是由一系列CP构成。图2展示了我们解决方案的实验性部署，每一个信标的覆盖区域也被描述在这张图中，随着用户在建筑物中移动，从一个信标到另一个信标的切换基于由移动助理检测到的RSSI（信号强度）的级别。
图1. 电路图和交通灯微控制器
图2.一楼和二楼的信号覆盖区域
信标传感器的配置已经实施，同时要再次考虑提供给用户指令的准确性和相应的功耗问题，因此广播间隔设置为1秒，功率传输在3到4米之间，还要注意避免两个或多个RSSIgt;-85dBm的信标的移动性助理检测。
表1显示了移动助手在离参考信标不同距离，1min的时间段内检测到的信号强度RSSI和标准偏差，正如你在表中看到的，信号等级由于距离的原因急剧降低，因此使用大量的信标，彼此距离不超过1.5m显得很重要，两个相邻信标的覆盖区域之间至少应该有50%的重叠。
表1 信标装置中的信号
|
距离 |
是否在口袋里 |
信号强度（dBm） |
标准偏差 |
|
10cm |
No |
-72.53 |
5.99 |
|
10cm |
Yes |
-77.59 |
6.46 |
|
1m |
No |
-85.46 |
6.36 |
|
1m |
Yes |
-90.45 |
6.92 |
|
3m |
No |
-95.15 |
5.68 |
|
3m |
Yes |
-98.78 |
6.33 |
2.2智能户外路径规划
当前的导航系统利用全球定位系统坐标、路线和方向，但是，对于旨在帮助视障人士的应用程序，我们建议使用混合BNE4.0 / GPS系统，我们的建议战略性地使用安装在交通信号灯处的BEN信标，交通控制器的主要任务之一是每当交通灯从一种状态切换到另一种状态时改变状态，该设计已经考虑了电源消耗问题，因此，这些改变是通过使用中断机制的AVR微控制器的输入端口来处理的。 这样，控制器大部分时间都保持在睡眠模式。在禁止通行的交通灯状态（红灯）下，BLE装置保持活跃并且准备好将该事件传送给位于交通信号灯附件的用户的移动助理。
为了达到安全和功耗的平衡，传输范围被固定在交通信号灯周围3米处。值得一提的是，利马市的大部分街道都比较狭窄。表2显示了我们实施的调谐过程中观察到的信号电平。在我们的测试中，我们假定用户携带口袋里的移动助手，并且BLE设备工作在低功耗模式。
表2 蓝牙4.0低功耗控制器的信号级别
|
距离 |
是否在口袋里 |
信号强度（dBm） |
标准偏差 |
|
10cm |
No |
-41.55 |
3.18 |
|
10cm |
Yes |
-47.57 |
3.37 |
|
1m |
No |
-57.04 |
2.49 |
|
1m |
Yes |
-65.30 |
4.31 |
|
3m |
No |
-67.81 |
3.12 |
|
3m |
Yes |
-71.40 |
3.77 |
至于室外导航协助，我们基于我们的解决方案使用谷歌地图接口。 尽管谷歌地图总是建议最短路径，但我们必须认识到，最方便的路径可能不是最短路径。 事实上，我们的目标是利用适合视障人士的路径。 出于这个原因，我们确实需要调整谷歌地图接口的一些功能。 正是出于这个原因，我们一直致力于避免穿越行人困难或不适合行人的地区，例如没有交通信号灯的街道交叉路口。 显然，如果这种替代路线不可用，用户将不得不在整个最短路线中进行引导。
图3描述了结合我们的蓝牙解决方案的智能交通灯的功能。 我们应该认识到，南美的交通灯部署在街道上。 也就是说，行人必须看看街对面的交通情况。 此外，必须确定最终用途行程以及他/她的方向。 这是通过陀螺仪并通过请求用户确认他/她的预期旅程来实现的。 该图还显示了一个由谷歌地图建议的路线示例，该地图由路标修改，以便将用户引导至更安全的路线。 此外，我们已经确定“T”形交叉点需要使用信标来指导用户吞吐量正确的交叉点。
图3.安卓客户端中的交通信号灯和路标
3.结论和将来的工作
在这项工作中，我们展示了视觉障碍用户的移动助理原型。 该移动助理的设计考虑到拉丁美洲城市地区对低成本解决方案的需求。 因此，我们发现了Google提供的一些当前服务的不足之处。
关于在室内环境中提出的解决方案的操作，我们已经确定需要对基于蓝牙技术的本地化系统的准确性和可靠性进行进一步的研究。 应清楚检查过滤器的使用和参数的调整，如功率水平。
对于我们未来的研究计划，我们将重点整合其他信息来源信息，使我们能够在接近真实世界的情景下评估户外解决方案的经济和社会效益。 市政当局提供的相关数据的获取应为此类研究奠定基础。
一个支持大型商业设施活动的室内自动定位和导航服务
摘要：在大型商业设施中，位置信息对于设施的访客、管理者和员工非常重要，它可以提供导航、信息查询和响应、推荐、市场信息等各种服务，特别是，室内的定位和导航对于设施的访问者来说是有用的，并且定位结果的信息可以用于商业设施供给方的营销和需求控制的分析，然而，实现室内定位和导航并不容易，因为存在一些关键的问题，例如，很难把全球定位系统科技应用到室内环境中。在这篇文章中，我们介绍一种不使用GPS技术的室内自主定位和导航系统，所提出的系统的一些有吸引力的特征在于，它可以作为独立于智能手机的应用而不需要服务器通信，并且可以提供连续的定位结果，除此之外，该系统还可以抵御实际目标环境中的干扰，我们在一个叫做横滨地标广场的真正的大型商业设施中进行了一些实验。 实验结果表明，可以高精度地获得定位结果，并且该系统能够以稳健的方式产生连续的定位结果，以抵抗在实际环境中的噪声和无线电波强度的变化。 这些属性将有效地提供上述服务。
1.介绍
由坐标（如纬度和经度）和相关描述表示的人类和/或物体（在本章中称为“目标”）的位置信息在各个领域发挥重要作用，特别地，位置信息是环境感知的一个重要参数，并且它表达目标的属性，该位置信息可以用于实现导航系统、查询-响应系统和目标推荐系统等各种系统，于此同时，位置信息对于管理员和经理管理商业设施也很重要，预计这种位置管理系统将用于员工的工作效率，分析市场数据等。
在本章中，我们处理室内位置信息并根据信息介绍一些服务，这些服务对设施的访问者和管理员以及对市场调查人员来说都很有用，此外，我们提出了一种实现从设施的用户获得位置信息的服务的系统。 从服务的角度来看，我们认为利用用户的位置信息意味着可以提高服务的生产力。
关于获取位置信息的方法，室外环境中的公知定位系统是GNSS（全球导航卫星系统）之一的GPS（全球定位系统）。 然而，在室内环境中使用GNSS是困难的，因为从GNSS卫星（称为NAVSTAR，作为GPS）发送的定位信号不容易接收，并且即使能够接收到GPS的定位信号，定位精度也很低，因为 定位信号的强度弱。因此，需要不同类型的信息。
近来，已经提出了许多用于室内环境的定位技术。 关于室内定位系统，可以认为使用无线电信号强度（RSS）的定位系统适用于商业设施，因为RSS可以被许多普通用户拥有的智能电话和移动PC接收。 但是，RSS受各种环境状况及其变化的影响。 尤其是在室内商业设施中，设施中的访客和工作人员正在移动，家具的地方随机变化。 也就是说，用于估计用户位置的观察信息通常包括多种噪声和波动。 传统的作品没有考虑到这些信息，因此，传统的室内定位系统不能提供高精度的轨迹结果。
我们提出一个强大的室内自主定位系统，它使用无线通信信号的RSS。 鲁棒性意味着所提出的系统可以连续地执行目标的跟踪。
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