In-building location using Bluetooth
Abstract—This paper presents a new system for indoor location of a mobile device based on bluetooth technology. Bluetooth access points of a network are used for the location system and to access the network. Location is made by means of the signal strength received from those access points. The signal energy will be measured by the mobile device and it will be transmitted to a central server that calculates its location. Since location is made in a central server, it is possible to consider any kind of algorithm to estimate it. The location system also uses a previous scene analysis by considering a map of received signal strengths.
I. INTRODUCTION
Location systems is one of the most promising fields in mobile computing. Location systems allow to develop a new kind of location-aware mobile applications [25]. The most common location systems as global positioning systems (GPS or Galileo) [1],[3],[2] or positioning provided by mobile telephony operators [4] are suitable for outside environments where clear line-of-sight respect to the satellites or base stations is available. However, they suffer from multi-path effects within buildings, and therefore, in indoor they show poor performances.
To obtain good results in indoor environments it is necessary to have many indoor stations. In particular, ad hoc networks, provide a fine-grained sensor system by using small and inexpensive stations (nodes). There exist many references of ad hoc networks to provide location, based on different technologies and techniques [5] (and references therein).
In this paper it is introduced a new location system for indoors environments. This system uses radio-frequency technology provide by a Bluetooth network [18]. Since the transmitted signal energy decreases almost proportionally with the distance between stations and mobile terminals, we can consider this relation to determine the distance from a particular node. In the mobile terminal, when we have the signal levels from different nodes, we can apply different algorithms to estimate its location. Algorithm computation is made in central (powerful) servers. In order to communicate with servers, the Bluetooth network is used. This approach allows us to consider complex algorithms, since algorithm is not evaluated in the mobile device that, usually, shows limited computational capabilities.
This paper is structured as follows: section II shows the related work that will allow us to classify our system according some usual features in location systems. Section III describes the system and its operative. Section IV will describe the structure of the system. Tests of the system are shown in section V and practical applications in VI. Finally, section VII is devoted to the conclusions.
II.RELATEDWORK
Location systems estimate a mobile terminal position by using different physical phenomena and technologies [5].
Depending on the physical phenomenon used to make the estimation, we obtain the following classification:
bull; Triangulation: This technique uses geometric properties of access points location to compute mobile locations. Triangulation can be obtained by considering:
– Propagation time, where it is considered the time that needs the signal to travel from the node to the mobile terminal. [1],[7],[8] are examples of systems using this technique.
– Received Signal Strength (RSS), where it is considered the attenuation produced when a signal travels a distance between transmitter and receiver. [9],[13],[4] are examples of using RSS.
– Angulation , where the signal arrival angle to different nodes is used to determine position. In a 2D environment with two nodes we could determine this position. VOR aircraft navigation system is a classical example using angulation technique [14].
bull; Scene Analysis: Uses features of a scene, previously observed, to obtain conclusions about the location of the objects. Examples of systems using this technique are [9],[11],[10].
bull; Proximity: The objectrsquo;s presence is sensed using a physical phenomenon with limited range. Some approaches to sensing proximity are: detecting physical contact, monitoring wireless cellular access points and observing automatic ID systems. [6],[12] are systems using this technique.
Any of the above techniques can be combined with different technologies as: radio-frequency ([8],[13],[4]), ultrasound ([7]), optical ([6],[11]), proximity sensors ([6],[12], . . . ).
A. Our Approach
This paper introduces a new technique with the following features:
bull; Radio-frequency is the technology considered. In our case the nodes are the base stations of a Bluetooth network[18].
.bull; For the location technique we use lateration by means of the Received Signal Strength Indicator (RSSI). With the RSSI we build a RSS map of the environment. Therefore, the system is an example of scene analysis and received signal strength.
bull; The system gives a physical location, since the position is made thanks to nodes whose position is well known. Moreover, these nodes allows us to provide symbolic location, since we know which node is closer to the mobile device.
bull; Test section shows the accuracy and precision obtained. As we will see, we achieve an error from 2 to 4 meters (90 percent of the time). This precision is achieved in a 120 square meters room with 3 access points (nodes).
bull; Cost: Bluetooth network installation and 45 euros per access point.
bull; Limitations: Bluetooth devices required.
III.SYSTEM OPERATION
Our system considers three kind of components: clients, bluetooth access points and servers. Clients are the mobiledevices that want to be located. Bluetooth access points are the nodes to be
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基于蓝牙技术的室内定位
摘要—本文提出了一种新的基于蓝牙技术的移动设备的室内定位系统。蓝牙接入点的网络是用于定位系统和接入网络。位置是由从接入点接收到的信号强度的方式确定。信号能量将由移动设备测量并且它将被传送到一个中央服务器用于 法来估计。定位系统还可以使用以前的场景分析考虑地图的接收信号强度。
- 介绍
定位系统是在移动计算最具潜力的领域之一。位置系统允许开发一种新型的位置感知移动应用。最常见的定位系统,全球定位系统(GPS或伽利略)或由移动电话运营商提供的定位服务都需要适合外部环境中清晰的视线对卫星和基站可用。然而,他们会受到多路径效应的影响在建筑内部,因此,他们在室内展示表现不好。
为了在室内环境中获得较好的结果，有许多室内的站点是很有必要的。特别是，Ad Hoc网络，利用小型和廉价的站提供了精细的的传感器系统（节点）。这就有了很多由Ad Hoc网络提供的基于不同的技术和技巧的位置的参考点。
本文介绍了一种新的定位系统在室内环境。本系统采用通过蓝牙网络提供的射频技术。由于随着基站和移动终端之间的距离的增加，发射信号能量几乎成比例的下降，我们可以考虑这个关系来确定一个特定的节点的距离。在移动终端中，当我们有不同节点的信号水平，我们可以运用不同的算法来估计它的位置。算法的计算是在（强大的）中央服务器中进行的。为了与服务器通信，需要使用蓝牙网络。这种方法使我们能够考虑复杂的算法，因为算法不在计算能力通常有限的移动设备上进行。
本文的结构如下：第二节显示相关的工作，可以让我们根据定位系统常用的功能分类系统。第三节描述系统及其操作。第四节将描述系统的结构。系统的测试是在第五节和实际应用为第六节，第七节是结论。
- 相关工作
定位系统估算移动终端的位置采用不同的物理现象和技术[ 5 ]。
由用于估算的物理现象的不同，我们得到如下的分类：
bull;三角：这种技术使用接入点位置的几何性质来计算移动设备的位置。三角测量可以在以下情况下考虑：
–传播时间，它是需要的信号从节点到移动终端的时间。[ 1 ]，[ 7 ]，[ 8 ]的例子中使用了这种技术。
–接收信号强度（RSS），它是传播时产生的信号发射器和接收器之间的距离衰减。[ 9 ]，[ 13 ]，[ 4 ]是使用RSS的例子。
–角度，通过信号到达角不同的节点来确定位置。在2D环境两节点可以确定这个位置。伏尔导航系统是利用角度技术[ 14 ]一个经典的例子。
bull;场景分析：使用特征的一个场景，从之前观察到的结论，得到物体的位置。使用这种技术的系统的例子是[ 9 ]，[ 11 ]，[ 10 ]。
bull;接近：对象的存在是感觉到使用物理现象范围有限。对感应的一些方法：检测身体接触，监测无线蜂窝接入点和观测的自动识别系统。[ 6 ]，[ 12 ]是使用这种技术的系统。
上述技术可以结合不同的技术：射频（[ 8 ]，[ 13 ]，[ 4 ]），超声（[ 7 ]），光学（[ 6 ]，[ 11 ]），接近传感器（[ 6 ]，[ 12 ]，。..）。
A.我们的方法
本文介绍了一种新的技术，具有以下特点：
bull;无线电频率的技术考虑。在我们的情况下，节点是一个蓝牙网络[ 18 ]基站。
bull;我们用多边的接收信号强度指示（RSSI）的定位技术。与RSSI建立环境的RSS地图。因此，该系统是现场实例分析接收信号强度。
bull;系统给出一个物理位置，因为位置是由于节点的位置是众所周知的。此外，这些节点允许我们提供象征性的位置，因为我们知道哪些节点是接近的移动设备。
bull;测试部分显示得到的准确度和精密度。正如我们将看到的，我们实现了一个误差从2到4米（百分之90的时间）。这个精度是在120平方米的房间，3个接入点（节点）的实现。
bull;成本：蓝牙网络安装并且每个接入点45欧元。
bull;局限性：蓝牙设备的要求。
- 系统操作
我们的系统有三种组件：客户端，蓝牙接入点和服务器。客户是想被定位的移动设备。蓝牙接入点作为参考节点和定位算法也用于通信。服务器将存储的信号强度的地图，它们将运行定位算法。
正如我们已经看到的，定位技术是基于接收信号强度指示（RSSI）的蓝牙节点的。该系统的工作原理类似于雷达系统[ 9 ]，其中，首先，服务器必须存储在不同坐标系下的RSSI的地图。在一个封闭的环境中建立RSSI的地图（即一个房间），需要一个固定数量的接入点的1。为了创造和整合地图，移动设备应该通过所有的坐标。从每一个坐标，这个装置会通知一些参数和地图存储：它的位置，信息的信号功率，接收来自每个接入点，最后一些感兴趣的信息。移动设备将这些参数的一组类似于显示在发送信息（1）
（P1，[（AP1，RSS1），（AP2，RSS2），。..，（APN，RSSn），I]。
一个元组是指同一坐标可以几次发送到服务器，可采用根据其配置的两个选择：只保留最后的信息从一个坐标得到，或为每个请求与以前的加权平均。这一过程将图中各坐标重复。映射过程应在接入点位置的任何变化的情况下重复。
一旦地图与移动设备，改变其行为应客户要求，并要求系统的位置和相关信息，如图1。当一个客户想也被称为信号的参考点。知道它的位置，它使一个请求到服务器的信息指示信号强度，它检测到的位置。开发的系统能够定位在封闭环境中的客户和回复一个位置由客户端的请求，在数据或语音形式。客户端是一个移动装置，在漫游的蓝牙网络的一部分，是连接到一个接入点。与服务器的通信是通过网络。
虽然系统支持多种算法的使用，我们选择了实现一个算法基于信号强度的三角剖分是在图1所示。该算法考虑了N接入点获得估计移动设备的位置的RSSI。
图1 3接入点算法的例子。
系统还可以工作在跟踪的工作方式下。这样的操作可以使一个跟踪的路线移动如下。如果系统进入跟踪操作方式，移动设备将请求的位置每隔一定的时间服务器（配置）。服务器将保持空间时间信息，描述所遵循的路径移动。跟踪设计到系统中的一个重要的进步是因为我们可以跟随移动的轨迹，避免一些不可能的路径（即穿越墙），我们有一个机制，使我们能够提高系统精度。为了获得更大的精度，我们使用伽利略的物理学的运动体穿过一个给定的距离在一个给定的时间，取决于速度。因此，一个特定的速度的移动设备，我们可以知道一个半径的下一个位置将是E：
E = Vlowast;T（2）
其中V是移动速度，t是通过上一个位置的时间。通过这个机制，我们得到一个系统，它是宽容的噪声和避免荒谬的位置。
- 系统的体系结构及应用技术
该系统已开发的房屋分布和容错性，都是在存储和应用程序逻辑层次。此外，由于移动设备没有一个足够的能力处理，服务器集群，轻客户，重服务器客户端/服务器结构被选择为系统结构。
本节描述物理系统的逻辑体系结构。
A.逻辑架构
逻辑结构描述了系统的结构，在软件系统方面。这在图2中可以观察到，逻辑架构主要由三部分组成：服务器，由数据库和应用逻辑，中间件是网络服务和应用程序之间的连接，最后，该系统的客户。
中间件
网络
图2 逻辑架构。
bull;客户端：客户端与MVC模式的观点[ 24 ]（模型，视图，控制器）。一个小的应用程序，必须在客户端运行，因为他们必须随时从蓝牙驱动获取RSSI。为此，我们需要手机有一个访问Web服务器类型。在我们的案例中，客户已在C（使用GTK）和Symbian，对于发展中的笔记本电脑和掌上电脑/智能手机。
bull;中间件：是本系统在移动设备上的数据的一部分（客户）转移到服务器。为了实现透明的客户端和服务器，我们必须考虑一个标准协议，基于Web的服务：XML-RPC [ 19 ]。这一协议，封装成XML（可扩充标记语言信息）发送通过HTTP，可以通过防火墙给系统提供一个巨大的多样性。
bull;服务器：服务器两部分化合物：数据库存储和应用逻辑。
–数据库存储：在服务器中存储的信号强度相应于环境的坐标映射。我们的系统使用一个拓扑图[ 21 ]，存储在Mnesia [ 22 ]（包括OTP，开放电信平台[ 20 ]），这是一个数据库管理系统，提供了性能的分布和容错。Mnesia是适当的电信应用程序和其他需要连续运行的软实时性能。
首先是使用道[ 24 ]使（直接访问对象）模式的变种，定义了数据库对象的访问。
二是使用模板模式。它允许选择的几种算法进行定位。这两个元素符合MVC模式中的模型。
最后，我们有一个XML-RPC服务器模块实现立面[ 24 ]的模式，是从手机接收请求的代理。这个元素是实现MVC模式的控制器部分。
我们可以看到，应用程序的设计一直采用一套合适的模式和行为。这建筑给我们以下属性：
bull;竞合：Erlang进程是非常轻量级的，他们可以改变动态内存的要求。Erlang的设计使应用程序具有很高的并发进程数。
bull;分布：它被设计为在分布式环境中执行。该系统允许在计算机集群上执行各模块之间的通信，通过网络。一种基于Erlang系统是一个网络节点（通常是一个处理器），像虚拟机。在不同的节点驻留过程相互沟通，如果他们在一个单一的执行。
bull;鲁棒性：错误检测工具用于容错系统的发展。这样，在一个分布式系统执行过程可以配置迁移到其他节点在自动方式下他们所居住的节点失效。
bull;实时：允许软实时约束的应用，其中的响应时间为毫秒。
bull;更新：对于无法停止的环境，二郎考虑热码改变，机制，因此，任何软件维护时可继续执行自己的系统。
B.物理结构
系统由几个硬件组件组成，可以在图3的方案看。该系统考虑了以下五个部分：
bull;数据库服务器：由于的DBMS（数据库管理系统）使用性质，数据库服务器可以从一个PC集群的多台计算机或服务器。
bull;定位服务器：应用包含定位逻辑可以运行在专用服务器或共享主机
数据库服务器。如果要求太高了，还可以创建专用的集群的位置。
bull;异构网络之间的通信
客户机和服务器将分两个阶段进行。
首先客户和蓝牙接入点之间将建立通信。在这个阶段，通信将通过蓝牙无线网络装置。第二阶段包括在接入点和服务器之间的通信。这个阶段可以通过任何一种网络：无线局域网，局域网，广域网，。..
bull;接入点：接入点作为参考的移动设备的设备。
bull;移动设备：客户端是装置提出要求，无论是对地图的创建，或顾问的位置。该装置可对不同性质的：手机，PDA，笔记本，。..该设备的唯一限制是，它必须包含一个蓝牙适配器。
在物理架构设计的细节也被考虑，造成系统保护i nherited的逻辑结构特征。
- 测试结果
系统已被证明在十五至四十平方米之间的大小房间，使用1和2类设备（十米和一百米分别覆盖等级）。所得结果与误差一至三平方米之间的更好的情况下，在最坏的情况下，六米的误差。此外，如果房间小，它已被证明，两个接入点就够了，因为物理限制假设穿越墙壁。
特别是我们已经做了彻底的检验，在我们工作的实验室中（图4）。这是一五零平方米的房间内（10mtimes;5m）在一天内有不同的人。
我们分在一个小的细胞与1.2mtimes;1.2m房间面积的试验。在房间里，这个地区是插在地图上的点是由系统设置。完成后的地图，我们开始定位试验。结果显示在表一和表二。
结论及展望：
bull;系统会提高其精度当我们在一个接入点附近的位置定位时。
bull;测量值会由于人的存在而受影响。作为解决方案的提出使每个房间的几个地图和最适合的使用环境条件。它可以手动设置或使用参考点，当系统了解信号值并且自动选择最合适的地图时。
bull;另一个问题是，蓝牙提供了响应时间。为了在房间里搜索蓝牙设备，七秒和八秒之间的标准时间是必要的。如果我们减少查询时间，它可以影响到接入点的可见性从移动设备。其他的解决方案是将多个接入点到地图当我们创造它。而不进行扫描，每一次我们想定位，客户问什么接入点属于这个地图服务器。在它试图直接连接到上述接入点。如果没有可以建立连接的信号值将最低（零在大多数情况下）。
我们正在测试系统精确跟踪模式。我们认为，结果将是更好的，但目前尚不可使用。注意，使用跟踪与环境地图相结合的方式，一些无意义的地点可能被检测到，因此他们可以避免。
- 实际应用
存在着大量的定位系统中的实际应用。然而，由于许多移动设备（手机，PDA，笔记本，hellip;hellip;）包括蓝牙功能，该系统是特别有用的。这些应用程序可以包含连个方面。
一方面，它可以是非常有用的上下文信息系统。当用户需要从移动设备的信息，响应将配置根据该请求的来源。例如，在一个博物馆，展览和贸易展，在其中用户可以问出口在哪里或厕所。在这种情况下，用户会通过移动设备的定位系统中的应用做一个请求。通过该系统，相关的信息发送到他凭借自己的位置。我们这个系统的主要优点是通信和位置，使用相同的技术。由于它的移动设备，只需要一个蓝牙适配器。
另一个应用是一个系统的以透明的方式的定位装置。那就是，移动设备在没有用户请求的情况下被定位。假设有一个公平的情况下，使每一个游客接收终端易定位；这样的组织可以控制访问代表，适应的内容质量未来的版本。
7.结论
在这篇文章中我们提出了一个新的系统，允许在室内环境下的移动设备的位置。
本系统采用蓝牙网络用于通信的移动设备提供射频技术。该系统是基于移动设备的网络接入点接收到的信号强度。一个设备可以获得它的位置，要求它为指示从
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