结合GPS、BLE信标和NFC的无缝导航系统外文翻译资料

 2022-10-31 14:20:20

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结合GPS、BLE信标和NFC的无缝导航系统

目前,用户越来越依赖于基于位置的服务（LBS）和自动导航/制导系统。然而，在室外环境中使用全球定位系统（GPS）技术很容易实现，仍然需要室内精确定位的设备和导航方案。因此，本研究提出了一个基于GPS，蓝牙低功耗（BLE）信标，和近场通信（NFC）技术的系统。通过建立图形信息和算法的设计，本研究开发了一个在智能手机上的室内室外导航系统，希望通过这个系统给用户完美的智能生活。目标系统在智能手机上实施并且在校园环境中测评。这个实验结果确认该应用程序自动切换室外模式到室内模式的能力，并通过最短路径引导用户到请求的目标。

1介绍

根据国际电信联盟（ITU）发布的统计，2013年底全球移动设备的数量达到了68亿3500万。此外，设备的数量仍在增长。随着无线技术的不断提高，无线网络越来越广泛的部署，开发基于位置的服务（LBS）的可行性，已吸引了越来越多的关注[1]。LBS有许多优点，从用户的角度来看，包括便利、效率和娱乐性。因此，它们现在广泛应用于社会网络，交通和地理搜索系统，甚至公共安全[2,3]。LBS提供的功能很多，其中定位和导航是最有用的。根据以往的研究，成年人在室内的时间约为86.9%，车上为5.5%，室外为7.6%[4]。因此，在实现无缝衔接的LBS应用，有必要发展定位和导航方案能够工作在室内和室外的环境中的两种模式之间的自动切换的要求。

全球定位系统（GPS）技术在航海、旅游、测量、工程等领域有着广泛的应用。然而，GPS的成功取决于用户和导航卫星之间的强信号。因此，虽然GPS在开放的户外环境有着不错的性能，但在山区或建立城市地区受到限制。此外，信号无法穿透建筑结构，因此GPS在室内环境中使用受到限制。

因此有文献建议各种替代方法进行室内定位。例如，在[5,6]中，使用无线通信信号估计用户位置，同时，在[7]中，使用了可见光通信系统。作者在[8]中进行室内定位时使用射频识别（RFID）标签.使用者在[9]中定位被映射在室内环境下，这些活动被称为是对用户的位置执行的活动。最后，多个室内定位技术相结合，以提高定位精度。

虽然移动设备在日常生活中是便宜的，它们的功能是有限的，它们的电池寿命短，这提示需要经常充电。为了解决这个问题，许多移动设备使用蓝牙低功耗（BLE）技术实现无线通信连接。可作为连接技术的许多优点，包括一个稳定的信号，分配方便，成本低，并与现有的无线设备的广泛兼容。此外，BLE信标只使用一个简单的纽扣电池[11]就能支持几个月的工作。因此，对于室内LBS应用BLE有明显的潜力作为一个有利的技术。

由于室内环境是一个复杂的空间，GPS信号无法使用，无线电容易被建筑物的内部结构影响蔓延；因此，迫切需要精确的技术和大量的球状辅助电子设备，领先的室内精确定位的困难。因此，多年来，这些知名的定位技术如GPS和GoogleMap服务通常应用于公共建设基础设施，道路，和户外大面积；然而，随着生活环境的城市化，越来越复杂的建筑，室内定位的需求日益增加。近场通信（NFC）是一种短距离的无线连接标准，使通信来实现设备之间的简单地通过触摸起来或把他们带到非常接近的一个（通常小于10厘米）距离。NFC技术已被广泛使用，如今作为忠诚计划、家庭保健等应用，公共交通支付、票务、移动劳动力管理，等等。的能力，它提供了用精密的超高程度推断出用户的位置，NFC也有明显的潜在的室内定位的目的。

2背景知识

这个部分通过描述GPS，BLE信标，和NFC技术用于本研究的开发提出了定位和引导系统。 然后，用于完成室内导航的最短路径算法的简短介绍。 图1给出了GPS的各个通信距离，信标和NFC技术的示意图。

图1：三种定位技术的传输距离

2.1GPS

GPS是一种中距离全球跟踪卫星导航系统，覆盖面积超过98％地球表面。GPS可以由任何启用的设备使用能够接收其信号并具有优点匿名性，因为用户部分的通信过程的位置不被记录。 然而，GPS依赖于在用户之间提供清晰的视线（LOS）设备和卫星系统。 因此，在室内环境中它只提供一个有限的定位能力[12]。

2.2BLE

低功耗蓝牙（BLE）是一种通信标准设计使短距离无线设备能够在单个纽扣电池上运行数月或甚至数年。当与信标技术相结合时，BLE提供了高效的方法来估计用户相对于某些预定义的监测点的位置。BLE的操作距离可达50米并且向用户提供的LBS的定制服务基于它们的物理位置。 例如，当用户接近特定的一家商店销售柜台时某些广告可以推送给用户。 类似地，可以向用户呈现不同的通知消息和应用程序事件当他或她移动穿过监视区域的边界时。

文献包含集成BLE信标技术标准的各种建议以支持用户定位，包括iBeacon [ 13 ]，Gimbal[ 14 ]，AltBeacon [ 15 ]。在这样的系统中使用的信标周期性地广播无线电信号播报它们的现状。

如上所述，BLE工作范围可达50米。因此，如果信号是由用户接近的启用设备检测（可见）用户位置可以推断的误差不超过50米。因此，BLE信标技术提供了一种低成本用于执行用户中等精度定位和节能的解决方案。这种定位系统在本研究中提出了利用万向节系列10高通公司生产的信标（见图2）。周期由信标广播的消息包含许多项目的信息，包括工厂的ID，RSSI值，名字，电池容量和温度。独特的工厂标识对应的灯塔。因此，通过存储因子IDS数据库中的物理信标位置，包含ID信息的消息提供了一个有效和可靠估计用户位置的方法。

图2：Gimbal信标

图3：NFC标签

2.3NFC

近场通信（NFC）是一种基于射频识别（RFID）的短距离无线通信技术。NFC采用信号衰减技术为了使设备在大约10厘米（3.9英寸）距离上进行非接触式点对点数据传输。目前使用NFC用于诸如自动支付，票务，忠诚计划等应用方案，等等。 然而，不仅具有高带宽和低能耗[16]，NFC（见图3）也有显着提高了高精度室内定位的潜力。与Gimbal信标一样，每个NFC芯片都有独特的制造商分配给它的ID号。因此，由将所述ID与物理位置相关联并存储信息在数据库中，用户的位置可以每次都以极高的精度推断感测事件的发生。

2.4最短路径算法

在许多行业确定最短路径在开始点和目标结束点之间给出它们之间多个路径的可用性是常见的问题 [17]。引导系统提出在本研究中利用Dijkstra算法[18]。因为，在可用的各种算法中，它有简洁的算法优势，可以得到优化的解决方案。

3.系统框架和实现

本文提出的应用程序为用户提供了一个从室外环境到室内环境无缝定位和导航服务，或反之亦然。换句话说，应用程序切换自动不仅从室外模式到室内模式，而且从室内模式到室外模式。如介绍，定位在使用常规来执行室外环境GPS技术，而在室内环境下使用BLE信标和NFC技术执行。对于两个环境，使用引导功能实现映射信息存储在远程服务器中并下载到用户设备。为了说明的目的，本研究考虑了本地化/导航问题：对于学生校园环境许多建筑物分散在广泛的地理区域并且楼层和房间众多的情况。如上所述在以下部分中，系统框架包括四个设计组件，即（1）存储数据设计，（2）定位方法设计，（3）最短路径算法设计，（4）地图结构设计。

3.1存储数据设计

简化数据存储和管理任务，使用四种不同的数据结构支持系统的不同功能，即一个室外地图结构，一个室内地图结构，一个信标定位数据结构，以及一个NFC定位数据结构体。表1显示了用于存储的数据结构并保持室外地图信息。如图所示结构包括六个领域，即身份（主要指数键）; 名字（用于存储目标的名称）;地址（用于存储目标的地址）;经纬度（用于储存目标的地理坐标）；信息（用于储存简短的建筑描述）。

表2显示了用于存储室内的数据结构地图信息。结构包含5个领域，即，身份（主索引键）；映射名称（用于存储代码）室内地图）；节点（用于指示室内图中的节点（房间/地点））；和坐标（用于在室内地图中存储坐标节点）。

表3示出了用于存储信标的数据结构地点信息。 如图所示，该结构包含六个领域，即身份（主搜索索引）;节点（节点室内地图中的标识符）;特征识别数据（分配的唯一ID到工厂的信标）; 名称（所在位置房间/标签的名称）;中间（名称的标签所在的建筑物）;远（位于校园区域内建筑物的名称）。表4表示使用的室内地图信息存储图形面向对象的信息；单击点表示屏幕上的位置。数据表的设计包括ID主键索引和地图名是符号用于服务器查询的地图。节点就是现在表示节点符号和xy坐标表示节点中心。

表1：室外地图的数据格式

表2：室内地图的数据格式

表3：信标数据格式

表4：NFC数据格式

3.2定位方法设计

如图4所示本研究中提出的本地化/导航应用默认在“户外模式”并使用常规GPS技术来定位用户的位置。 更具体地，系统获取当前来自GPS的纬度和经度的信息并上传该信息连同设备ID一起发送到远程服务器（参见图5）。在接收到该信息时，服务器询问坐标信息并返回正确的室外地图使JSON中显示的格式映射到用户设备算法1。

图4：自动切换模式

图5：室外地图数据交流

发回的JSON消息包括名称，地址，纬度和经度，以及建筑来介绍目的地，其格式在算法1中示出。当用户从室外环境移动到室内环境，应用程序自动切换到“室内模式”并启动室内定位程序。如果用户在信标的无线范围内，则进行瞄准事件发生，并且设备上传其自己的ID的信标到服务器。利用因子ID作为关键字，服务器检索用户和移动信息系统的大致位置，将该信息返回给用户设备。当用户的智能手机接近NFC标签，用户可以发送标签ID以及设备ID返回到移动设备读取的服务器设置NFC标签。如图6所示，服务器将从NFC进行索引数据列表并发送索引结果回应用程序获取用户的位置并进行室内定位。

算法1： Json数据格式

图6：NFC位置进程

3.3最短路径算法设计

获得用户位置后，应用程序从服务器下载地图。具体来说，应用程序通知服务器设备ID和所需的地图ID和服务器在其数据库中搜索相应的地图并将其返回给用户设备。

设G=（V,E）表示室内地图，V表示表示地图的节点，E是连接的边缘（路径）。在构建地图时，服务器托管数据库具有四列，即ID（主索引键），节点ID，相邻节点ID和相邻节点之间的距离。以图8中的节点2为例，让节点邻近节点2的节点被表示为节点0，节点1，节点3和节点4。 此外，让这些来自节点0的的距离分别等于4,2,9和2。节点2相对于其相邻节点的位置可以因此以表5所示的形式表示。

节点定位信息服务器使用如算法2所示JSON格式显示的设备。注意，信息对象包括节点的数量，地图中的相邻道路的数量以及地图中的相邻道路的数量这样的信息作为地图的名称。类似地，算法对象包括相邻节点，相邻路径的成本，以及当前节点的ID。

算法2：节点2的Json格式

表5：节点位置信息

表6：Dijkstra相邻矩阵

信息中提供的JSON消息中的信息算法2提供了相关的室内应用程序最短路径图。 然而，Dijkstra最短路径算法要求输入信息以矩阵的形式呈现。因此，在实现室内导航功能时，JSON地图信息必须是转换成矩阵形式。例如，图8中，说明性的布局在包含5个节点，因此应该转换为表6所示形式的5times;5矩阵。

对于包含多个节点的大型地图，创建地图并作为附加节点随时间维护它被添加或现有节点被删除是一个巨大的任务（如果手动执行）。例如，一个地图上有n个节点，维持给定的相邻矩阵的情况下任何一个节点的改变都会带来O（n2）的时间复杂度的变化。因此，在本研究中提出的应用程序中矩阵构造任务是自动执行图1所示功能 其中i是当前节点的编号，V是相邻节点的编号，e是它们之间的路径的成本。当提交节点映射时（由系统开发人员手动构建），矩阵构造算法采用当前节点和相邻节点信息作为输入，并使用（1）以自动生成相应的nxn相邻矩阵，时间复杂度为o（n）。

例如，再次以图8中的节点2为例进行说明目的，节点2和它的关系相邻节点具有（2）中所示的形式。采取i，v和（2）中给出的e信息，算法自动构造如图9所示的矩阵：

以图8为例，应用程序读取上面的邻接关系并自动转换为所采用的矩阵算法如图9所示。通过Dijkstra的算法，它输入转换矩阵转换成Dijkstra算法来估计最短路径。

Dijkstra的最短路径算法计算最短路径从节点集中的一个点到中的任何其他节点同一集。假设图8中的节点2被选择为开始点，节点3被选择作为目的地。 3条可行路径存在于两个节点之间，即直接路径从节点2到节点3以及经由节点1和4的两个双节点路径，三条路径的总距离分别为9,9和8。因此，根据Dijkstra的算法，路径2-4-3被选择为最短路径（参见图10）。

图7：地图算法下载进程

图8：节点输出方案

图9：自动将相邻节点关系转换为矩阵形成

图10：Dijkstra最短路径算法的输出

3.4地图结构设计

一般来说，任何成功的app在很大程度上由外观和直观的图形用户界面（GUI）决定。对于一个导航系统，如本研究提出的，一个具有太多详细信息的图画地图将服务只是混淆用户。因此，在提议中应用程序，室内和室外地图以形式提出的类似地铁的地图，其中关键位置（例如，建筑物，教室和厕所）被表示为节点和它们之间的距离由放置的数字指示沿着相应的路径（参见图11）。

如上所述，已经确定

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