前言

iBeacon是蘋果公司推出的一項(xiàng)低耗能藍(lán)牙技術(shù)，由藍(lán)牙設(shè)備發(fā)射包含指定信息的信號(hào)，再由移動(dòng)設(shè)備接收信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)通信。微信小程序2017年開始支持iBeacon，搖一搖附近就是基于iBeacon實(shí)現(xiàn)的，此外iBeacon還可以實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，本文將介紹如何基于微信小程序?qū)崿F(xiàn)iBeacon測(cè)距。

iBeacon測(cè)距原理

藍(lán)牙信標(biāo)發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度(rssi)與收發(fā)設(shè)備之間的距離，某種程度上呈正相關(guān)，因此通過合理的運(yùn)算轉(zhuǎn)化，可以通過rssi的值反推出與接收設(shè)備間的距離。

藍(lán)牙信標(biāo)的rssi值是一個(gè)參考值，沒有固定標(biāo)準(zhǔn)。想要計(jì)算出藍(lán)牙信標(biāo)的距離，還必須知道這個(gè)信標(biāo)設(shè)備的txPower值。txPower是指當(dāng)距離藍(lán)牙信標(biāo)1m時(shí)的rssi值，不同的藍(lán)牙設(shè)備或相同設(shè)備不同的工況甚至不同的場(chǎng)地環(huán)境，都會(huì)影響txPower值，因此這個(gè)值雖然可以測(cè)量，但一定程度上是個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，無法測(cè)準(zhǔn)。

rssi測(cè)距公式

知道rssi和txPower后就可以計(jì)算距離了，有兩種計(jì)算公式：

一、

這個(gè)公式里的三個(gè)變量A、B、C都是經(jīng)驗(yàn)值，需要根據(jù)手機(jī)系統(tǒng)或硬件型號(hào)精確調(diào)校，通常會(huì)將所有設(shè)備的校準(zhǔn)結(jié)果保存成一個(gè)設(shè)備信息表，移動(dòng)終端先檢測(cè)本機(jī)型號(hào)，然后匹配設(shè)備信息調(diào)取相應(yīng)的計(jì)算配置，再進(jìn)行計(jì)算。很明顯這個(gè)公式是比較依賴硬件調(diào)校的，沒有數(shù)據(jù)儲(chǔ)備的前提下這個(gè)公式會(huì)很難用。

轉(zhuǎn)換成js代碼：

const calculateAccuracy = function (txPower, rssi) {
 return (0.89976) * Math.pow(rssi / txPower, 7.7095) + 0.111
}

未精校情況下的測(cè)距表現(xiàn)：

先說這個(gè)圖怎么看。

• 縱軸代表測(cè)量距離，橫軸代表時(shí)間，每隔一秒取樣一次，圖中是近10次取樣的數(shù)值曲線。
• 綠線是設(shè)備接收到的rssi值，反應(yīng)硬件真實(shí)接收到的數(shù)據(jù)情況；
• 紅線是套用公式計(jì)算得出的瞬時(shí)距離；
• 黃線是微信小程序自帶的瞬時(shí)測(cè)距結(jié)果。

藍(lán)牙信標(biāo)與手機(jī)的實(shí)際距離1m，測(cè)試設(shè)備為紅米Note7。

從上圖可見，rssi值相對(duì)穩(wěn)定，說明硬件沒有太大問題。紅線和黃線的波動(dòng)都很大，說明準(zhǔn)確度不咋地。二者的波動(dòng)趨勢(shì)幾乎一致，所以有理由懷疑微信小程序內(nèi)部也是用的這個(gè)測(cè)距公式。從結(jié)果來看，這個(gè)公式的準(zhǔn)確度比較差，可能是因?yàn)闆]有精校的原因。

二、

這個(gè)公式里的A就是rssi，tx是txPower，n是經(jīng)驗(yàn)值，n的取值跟物理環(huán)境有關(guān)。

const calculateAccuracy = function (txPower, rssi) {
 return Math.pow(10, Math.abs(rssi - txPower) / (10 * 4))
}

公式二的測(cè)距表現(xiàn)：

人比人得死，貨比貨得扔啊。

圖中黃線還是波動(dòng)的那么瘋狂，但紅線卻異常穩(wěn)定，而且呈現(xiàn)出跟綠線一致的波動(dòng)幅度，說明測(cè)距精度靠譜。這個(gè)公式只有一個(gè)參數(shù)，生產(chǎn)環(huán)境中的調(diào)校相對(duì)簡(jiǎn)單，這里我們選擇公式二作為測(cè)距公式。

iBeacon測(cè)距穩(wěn)定程序

藍(lán)牙信號(hào)本身就有波動(dòng)性，加上現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的很多因素也會(huì)影響到信號(hào)強(qiáng)度，比如物體遮擋、設(shè)備方向變化、硬件自身的穩(wěn)定性等，所以接收設(shè)備檢測(cè)到的rssi值通常是“跳動(dòng)”的，直接使用測(cè)距公式算出的結(jié)果，往往不可用。必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定程序，讓計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出連續(xù)性和穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)濾波

穩(wěn)定程序主要做的事就是對(duì)波段數(shù)據(jù)“削峰填谷”，也可以稱作數(shù)據(jù)濾波。最簡(jiǎn)單的濾波處理，就是收集一段時(shí)間的值求平均，只要硬件不出問題，固定距離的藍(lán)牙信標(biāo)rssi值總是會(huì)在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)變化，采樣時(shí)間越長(zhǎng)，采樣的平均值就會(huì)越接近真實(shí)值，因此在靜態(tài)測(cè)距場(chǎng)景中，求平均是最佳方式。

//求數(shù)組平均值
const arrayAverage = arr => arr.reduce((acc, val) => acc + val, 0) / arr.length;
return arrayAverage([...])

具體實(shí)現(xiàn)是，當(dāng)程序源源不斷的接收到信標(biāo)的rssi時(shí)，先用公式計(jì)算出瞬時(shí)測(cè)距結(jié)果，然后將結(jié)果存進(jìn)一個(gè)數(shù)組，然后計(jì)算這個(gè)數(shù)組的平均值。靜態(tài)測(cè)距時(shí)，測(cè)量結(jié)果還是非常準(zhǔn)的，2m以內(nèi)的距離誤差可以低至0.1m。

實(shí)際應(yīng)用中往往都是動(dòng)態(tài)測(cè)距，所以采樣數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度要加以限制，比如按后進(jìn)先出的順序，取最近10組數(shù)據(jù)。具體采樣隊(duì)列設(shè)為多長(zhǎng)，要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求而定。采樣隊(duì)列的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，測(cè)距結(jié)果越平滑，但對(duì)移動(dòng)端的動(dòng)態(tài)捕捉越遲鈍；反之采樣隊(duì)列越短，結(jié)果越銳利，對(duì)移動(dòng)端的動(dòng)態(tài)捕捉越靈敏。

有時(shí)因?yàn)橐恍┡既灰蛩?，采樣?duì)列中會(huì)出現(xiàn)個(gè)別大幅偏離真實(shí)值的“燥音”數(shù)據(jù)，即使求平均也難以有效抹除影響，為消除這種影響，可以在求平均前先用高斯模糊算法對(duì)“偏大值”和“偏小值”做平滑處理，最大限度的降低數(shù)據(jù)噪音的干擾。

高斯模糊算法的關(guān)鍵是根據(jù)平均差求權(quán)重，一維高斯模糊的權(quán)重計(jì)算公式：

轉(zhuǎn)換成js代碼：

//求一維隊(duì)列某點(diǎn)的高斯模糊權(quán)重 @param(隊(duì)列長(zhǎng)度，目標(biāo)位置, 平均差)
const getOneGuassionArray = function (size, kerR, sigma) {
 if (size % 2 > 0) {
  size -= 1
 }
 if (!size) {
  return []
 }
 if (kerR > size-1){
  return []
 }
 let sum = 0;
 let arr = new Array(size);

 for (let i = 0; i < size; i++) {
  arr[i] = Math.exp(-((i - kerR) * (i - kerR)) / (2 * sigma * sigma));
  sum += arr[i];
 }

 return arr.map(e => e / sum);
}

關(guān)于“偏大值”和“偏小值”的概念將在下文介紹，這里只要知道我們的模糊目標(biāo)是那些“極端數(shù)據(jù)”就行了。

時(shí)間加權(quán)

基于采樣隊(duì)列求平均的處理方式，不可避免的會(huì)讓結(jié)果產(chǎn)生滯后性，這時(shí)可以引入時(shí)間加權(quán)的補(bǔ)償算法。

所謂時(shí)間加權(quán)，是指在求平均值的時(shí)候，給距離當(dāng)前時(shí)間較近的值更高的計(jì)算權(quán)重，反之給距離當(dāng)前時(shí)間較遠(yuǎn)的值較低的計(jì)算權(quán)重，實(shí)現(xiàn)起來也非常簡(jiǎn)單。

以最簡(jiǎn)單的權(quán)重分配為例，將采樣隊(duì)列一分為二，按時(shí)間遠(yuǎn)近定位為“當(dāng)前組”和“過去組”，比如說我想讓當(dāng)前組的權(quán)重是過去組的2倍，那么只要將當(dāng)前組數(shù)據(jù)全部復(fù)制一份加入隊(duì)列，然后再計(jì)算新隊(duì)列的平均值。

//時(shí)間加權(quán)處理
queue = queue.slice(0, parseInt(queue.length / 2)).concat(queue)
//求平均
return arrayAverage(queue)

動(dòng)態(tài)跟進(jìn)

經(jīng)過時(shí)間加權(quán)處理后，數(shù)據(jù)的滯后性會(huì)得到一定的抑制，但如果遇到比較“陡峭”的距離變化，這種處理仍然會(huì)給出一個(gè)相對(duì)“平滑”的反饋，為了讓穩(wěn)定程序能更好的感知?jiǎng)討B(tài)變化，并且做出跟進(jìn)反應(yīng)，還需要人為的設(shè)置一些特殊條件。

首先，如何判斷移動(dòng)設(shè)備正在遠(yuǎn)離或靠近？

這里有一個(gè)簡(jiǎn)單的思路，可以先找出采樣隊(duì)列中的最大值和最小值，然后以一定的閾值找出偏大值和偏小值。比如隊(duì)列中的最大值是3，最小值是1，閾值設(shè)置為0.1m，那么大于2.9m的數(shù)據(jù)都算偏大值，小于1.1m的數(shù)據(jù)都算偏小值。偏大值和偏小值的隊(duì)列長(zhǎng)度最長(zhǎng)不超過總隊(duì)列的二分之一。

然后，如果偏大值集中在隊(duì)列的前三分之一部分，那么我們可以認(rèn)為移動(dòng)設(shè)備正在果斷遠(yuǎn)離；反之偏小值集中在隊(duì)列的前三分之一部分，則可以認(rèn)為移動(dòng)設(shè)備正在靠近。

//maxCount為偏大值的序號(hào)數(shù)組
//minCount為偏小值的序號(hào)數(shù)組
//queueLength為隊(duì)列長(zhǎng)度

if (arrayAverage(maxCount) < parseInt(queueLength / 3)) {
  console.log(`正在遠(yuǎn)離`)
} else if (arrayAverage(minCount) < parseInt(queueLength / 3)) {
  console.log(`正在靠近`)
}

基于這種遠(yuǎn)離和靠近的趨勢(shì)判斷，我們可以人為的讓數(shù)據(jù)向運(yùn)動(dòng)方向做更激進(jìn)的傾斜。怎么做呢？跳過時(shí)間加權(quán)邏輯，如果判斷為正在遠(yuǎn)離，那么就將隊(duì)列中的偏小值過濾掉，反之則將偏大值過濾掉，只計(jì)算剩下的數(shù)據(jù)；這種處理會(huì)得到一個(gè)明顯過激的結(jié)果，但考慮到現(xiàn)實(shí)世界中的運(yùn)動(dòng)往往具有慣性，這種激進(jìn)處理，可能會(huì)更貼合真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，而且讓數(shù)據(jù)的響應(yīng)更“靈敏”。

效果檢驗(yàn)

做到目前為止效果怎么樣呢，直接看圖吧。

下圖中，綠線依然是rssi值，紅線是根據(jù)rssi直接算出來的瞬時(shí)測(cè)距結(jié)果，黃線是加入穩(wěn)定程序后的測(cè)距結(jié)果。

第一張圖是相對(duì)靜止的條件，可以看到黃線相對(duì)紅線明顯更加平穩(wěn)，說明穩(wěn)定程序還是起作用的。

第二張圖是模擬快速遠(yuǎn)離的場(chǎng)景，可以看到黃線在保證平穩(wěn)的前提下緊跟紅線，沒有被甩掉，主要體現(xiàn)的是穩(wěn)定程序的動(dòng)態(tài)跟進(jìn)效果。

第三張圖是掄胳膊甩手機(jī)+遮擋信號(hào)模擬出的場(chǎng)景，貌似穩(wěn)定程序也架不住了，有點(diǎn)飄忽。

以上是關(guān)于穩(wěn)定程序的簡(jiǎn)要實(shí)現(xiàn)思路，生產(chǎn)環(huán)境中肯定會(huì)面臨更加復(fù)雜的情況，免不了還要做大量調(diào)試，這里只是拋磚引玉。

總結(jié)

藍(lán)牙測(cè)距簡(jiǎn)單來說就是一個(gè)公式的應(yīng)用，本身比較簡(jiǎn)單，基于測(cè)距可以實(shí)現(xiàn)很多近場(chǎng)應(yīng)用，比如近場(chǎng)簽到、近場(chǎng)推送等等，更進(jìn)一步甚至可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的定位，有了定位信息，很多室內(nèi)定位、室內(nèi)導(dǎo)航相關(guān)的應(yīng)用就都可以實(shí)現(xiàn)了。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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