2018-04-10

iBeacon/Raspberry Pi による室内移動体位置監視モデル1 ~概要~

 Raspberry Pi を監視端末し、iBeacon を取り付けた製品(以下、ビーコン)の存否確認を行う「定位置ビーコン監視モデル」については以前紹介しました。このモデルはビーコンが移動しないことを前提としていました。
 今回は Raspberry Pi 端末(以下、「端末」、「監視端末」と呼ぶことがあります)により、移動するビーコンをスキャンし、位置を把握する「室内移動体位置監視モデル」(英語では Indoor Location (Tracking) System 等と呼ばれています)について考えます。これにあたり、端末上でビーコンを監視し、 RSSI の取得、距離算出、ログ保存、データベース更新を行うアプリのプロトタイプも作成します。

 定位置ビーコン監視モデルに関する記事:

モデル定義

移動するビーコンの位置を把握するシステムモデルといっても、様々なものが考えられます。

例:
  1. 屋内ゲームでプレイヤーの持つスマホに自身(と他のプレイヤー)の位置を表示する(ゲーム機端末タイプ)
  2. 老人ホームや介護施設で入居者や患者の位置を管理者が把握する(高頻度スキャンタイプ)
  3. 工場の組立工程にある製品の位置を管理する(高頻度スキャンタイプ)
  4. 倉庫や保管場所にある製品の位置を把握する(低頻度スキャンタイプ)
  5. モノ・人の位置をリアルタイムに把握する(リアルタイムスキャンタイプ)
上記4のタイプは上記2、3のタイプに比べると、それほど頻繁にビーコンが移動することはなく、保管場所の変更など、稀に製品の移動が発生します。常時移動しないので、Raspberry端末からスキャンを実行して位置を特定する頻度は低くても良く、よってリアルタイム性を重視しないことを想定しています。
 これに対して、上記3、4のタイプは人や製品の位置をできるだけ迅速に把握する必要があるため、端末からのスキャンを頻繁に行うことを想定しています。
 5の「リアルタイムスキャンタイプ」は可能な限りリアルタイムな位置情報が必要とされるものです。
 移動体の位置監視システムはそのタイプにより仕様も運用方法に変わってきますが、本稿では、 高頻度及び 低頻度スキャンタイプについて考えます。

システム概要

 本モデルでは、監視端末をグリッド上に規則的に配置し、複数の端末が取得した同一ビーコンのRSSIにより端末とビーコン間の距離を算出し、その位置を推定することを目標とします。

監視端末のグリッド配置

ビーコンの位置を特定するにあたり、RSSI 等の情報を取得する Raspberry Pi 端末を碁盤の目状に10m間隔で配置します。すべての端末が常時あるいは一定間隔でビーコン信号をスキャンします。端末の座標はデータベースの端末テーブルに予め登録します。すべてのビーコン(製品)は赤枠内部に配置するものとします。

【図1:端末のグリッド】


位置情報更新ロジック

各Raspberry Pi監視端末は ビーコンスキャンを実行してRSSI(受信信号強度、Received Signal Strength Indication) を取得し、このRSSIに基づき端末とビーコン間の距離を算出します。その後、アプリケーションサーバを介してデータベースサーバ上にある各ビーコンの距離テーブルの距離データを更新します。距離テーブルには、ビーコン毎に3つ(または4つ)のレコードを保持しており、レコードには最もビーコンに近接する Raspberry端末3台のIDとビーコンまでの距離が記録されています。
 例えば、下図左上にビーコン(青)がありますが、このビーコンに最も近接する端末は Pi2、Pi5、Pi6であることから、このビーコンに従属する距離テーブルの3つのレコードには、これらの端末の ID と ビーコンと端末間の距離が記録されています。
 Pi1~Pi16までの Pi監視端末は常時スキャンを行い、Pi2、Pi5、Pi6以外の端末も図上のビーコンを検知しますが、ビーコンが移動しない限り距離が最小となる(最も近接する)端末は Pi2、Pi5、Pi6のままです。
 次にビーコンが矢印の位置に移動したとします。この時、距離が最短となる端末は、Pi12、Pi15、Pi16 となるため、3つのレコードは3つの端末IDとその距離情報により更新されます。

ビーコンの位置を算出 ― 三点測位

 上述のように、データベース上の距離テーブルには、端末IDと、端末⇔ビーコン間の距離が記録された3つのレコードがあり、端末テーブルには各端末の座標が保管されています。これらのレコードを元にビーコン位置をプロットすると、端末を中心にした3つの円が表示されます。3つの円が重なったエリアの中心にビーコンがあると推定されます。 この中心位置を求めるのが三点測位と呼ばれるもので、本システムモデルでは主としてこの手法を用いてビーコンの位置を特定することを最終目標とします。
Plotly により、3つの端末からビーコンまでの距離をプロット

考慮すべき課題 

以上、一見簡単にビーコンの位置が特定できそうですが、そこまで辿り着くのは大変です。 その理由は以下の通りです。

1. RSSI の精度

次稿で詳述しますが、RSSI は端末とビーコン間の距離が数十センチの場合は、そこそこの値が計測できますが、1mを超えると各種干渉を受けて急激に劣化し、あるタイミングでRSSIを単純に取得して距離を算出しても、実際の距離とは全く異なる値が出てきます。
 また、RSSIはその精度の低さに加え、端末付属のBLEデバイス、端末の設置場所、時間帯、ビーコン個体等々、さまざまな条件の影響を受けます。
RSSI は位置特定の基本となる最重要な要素ですので、RSSIの値を補正する手法が必要となります。本モデルでは、この手法についても考えます。

2.三点測位

RSSIによりビーコン間の距離が算出されると、前述のように三点測位によるビーコンの位置推定が可能となります。ただこの手法も3つの円が交わらないと機能しないため、その場合は単にエラーとするだけではなく、代替の手段を考えたいところです。

 次稿では実際に RSSI を測定し、その補正方法について考えます。


(亀)











 




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