2018-08-09

iBeacon/Raspberry Pi による室内移動体位置監視モデル 2 ~ RSSIの測定と距離補正 ~

 前稿(18/4/10)では 室内移動体位置監視モデルに関する概要について記しました。本モデルは倉庫、施設、工場のような環境で、移動する多数のモノや人に iBeacon(以下、ビーコン)を取り付け、それらモノや人の位置を把握することを目的とします。

 図の端末(ピンク)はビーコン(青)からの信号を検知し、信号のRSSI(後述)から距離を算出します。端末⇔ビーコン間の距離が各円の半径となります。各端末はビーコンとの距離(半径)しか算出できないため、複数の端末の距離データを使用してビーコンの位置を算出します。ビーコンが移動すると、最小の半径を持つ端末(TOP3)が替わるため、替わった端末(図ではPi12/15/16)が算出する距離データにより、その移動先の位置が算出されます。

 今回はビーコンの位置算出の要になるRSSIに関して小社で行ったテストについて記します。


RSSIと距離について

 RSSI(Received Signal Strength Indicator) はビーコンから発せられる信号の強度を示す数値で、ビーコンから離れるに従ってその強度は規則的に減衰します。ビーコン信号を受信する端末 ― ここでは Raspberry Pi(以下、RP、監視端末、端末と呼ぶことがあります)― はビーコン信号のRSSIを測定し、その減衰度により自身とビーコン間の距離を算出します。この信号強度は理論的には距離の二乗に反比例して減衰するのですが、実際には様々な電波干渉があるため、ビーコン⇔端末間の距離が長くなればなるほどRSSIのばらつきは大きくなり、その精度は劣化していきます。

例:ビーコン信号強度グラフ(Aplix 社のサイトより

 上図は、端末⇔ビーコン間の距離が1m を超えるとRSSIが急激に劣化し、ただ単にRSSIを測定してそれから距離を算出したのでは、実際の距離とはかけ離れた値となる可能性があることを示しています。
 本稿ではいくつかの環境で RSSIを測定します。さらに、その測定結果をもとに、RSSIの補正方法も考えてみます。

システム構成

実際に行ったテストについて記す前に、今回の開発・テストで使用したデバイスとシステム構成について説明します。

ビーコンと端末

 今回はテストでは、ビーコンには Aplix 社製 MyBeacon 汎用型ビーコン 、Gimbal社製 Series 10、Onix等を、ビーコンを監視する端末には Raspberry Pi Zero W/WH/3B/3B+ を使用しました。

 ビーコンは1つのメーカーに限定したほうがシステム開発も保守も簡単ですが、1メーカーへの依存はリスクを伴います。最終的には複数メーカーのビーコン運用に対応したシステムを開発するため、いくつかのテストでは、複数のメーカーのビーコンを用いました。

 端末は安価で定評も実績もある Raspberry Pi を使用しています。RPには多くの機種があり、信号受信アンテナの設置位置や無線チップも異なる(最新の3B+ではBCM2837B0、その他はBCM2837)ので、こちらも1つの機種限定したほうが簡単ですが、将来的な入手の容易性、拡張性、柔軟性を念頭に複数のシリーズを使用しています。

システム構成概要

 ビーコンから送信される信号はRaspberry Pi で受信・加工され、アプリケーションサーバを介して、データベースに書き込まれます。今回はデータベースに SQLite を使用しましたが、多数の端末を使用する場合はマルチユーザ利用に適した MySQL や PostgreSQL 等を使用する方が良いと思います。
図1:システム構成図


プロトタイプについて

 今回テストで使用したプロトタイプは tpcbeaconhost.js、tpcbeaconinfo.js と tpclocation.js で node.js 下で動作するアプリケーションです。これらは相互に連携しながら各ビーコンの信号取得、端末⇔ビーコン間の距離算出、補正、データベース更新を担います。
モジュール名用途
 tpcbeaconsampler.js端末にインストール。アプリケーションサーバからのリクエストに応じて、検知したビーコン信号を基にデータを作成し、アプリケーションサーバに送信する。
 tpcbeaconinfo.js・アプリケーションサーバ上に配置。各端末に対してリクエストを送信。端末から受信したデータを必要に応じて再加工し、データベースを更新する。
・端末のリクエストに応じて、端末やビーコンに関する情報を送信する。
 tpclocation.js・アプリケーションサーバ上に配置。tpcbeaconinfo,js が記録したデータベース上の情報を基に、距離(半径)の補正やビーコン位置の算出を行う。
・上記の処理はアプリケーションサーバ上のスケジュール、またはユーザのリクエストに基づき実行。

 

RSSI 測定テスト

ビーコンメーカーのAplix社は RSSI に影響する要因として、以下を上げています[リンク]
  1. Beaconの送信出力、アンテナのゲイン、放射パターン
  2. 受信側スマートフォンの感度、アンテナの向き等
  3. スマートフォンOS内の処理(Bluetoothスタックの振る舞い他)
  4. 周囲環境(建材、人体等)による反射・吸収・回折

 このように RSSI値は様々の要因に影響を受けるため、端末が信号を受信しても、理論値と実測値は異なります。以下のテストは、RSSIがどの程度環境の影響を受けるのかをテストしし、「考察」では補正方法についても簡単に記載しています。

※Apple社ビーコン補正の適用について
 以下の文章中、「Apple社ビーコン補正」が「有」或いは「無」といった表記をしていますが、これはビーコン導入時に iPhone等によりビーコンから1m離れた地点で RSSI を測定し、その測定値の平均により補正を行ったか、行わなかったとを意味します。このビーコン補正はApple社の Getting Started with iBeacon (PDF)の「Calibrating iBeacon」の項に基づき行っています。
※ RSSI の距離変換
RSSIは信号強度を対数で示した数値ですが感覚的に把握し難いため、本稿では多くの場合、距離に変換して表記しています。RSSI≒距離と考えて頂いて結構です。


テスト1 1つのビーコンのRSSIを24時間測定


目的

固定した1つの端末と1つのビーコンを使用し、RSSIの精度、時間帯による変動をチェック

条件

  1. 1つのビーコンを1つの端末で24時間測定。
  2. 端末による1回のスキャン時間は5秒間。24時間で約1万7千のスキャンを実施。1回のスキャンで収集されるデータは平均34件、RSSIはスキャン毎に平均している。また、下図でRSSIは距離(m)に変換している。
  3. ビーコンと端末間の実際の距離:4.5m
  4. ビーコンと端末は固定してあり、移動しない。
  5. テスト中、ビーコンと端末の間、またはその周辺の人、モノの移動は最小限にする。
  6. Apple社ビーコン補正:有

結果

以下の2つ図は、データベースに記録されたデータをプロットしたもの。

【散布図1:時間経過と計測距離の変化】
RSSI はメートルに変換し縦軸に、横軸は計測時間。

横軸に距離、縦軸に発生件数を棒グラフ化。

平均(AVG):2.75m
標準偏差(SD) :0.88m
最大(MAX):9.96m
最小(MIN):0.93m









考察

  1. 端末⇔ビーコン間の実際の距離は4.5mだが、測定値では2.75m(平均値)で、かなりの乖離がある(実際の距離とは異なる)。また、最大値と最小値の差も大きい。
  2. 日中は距離の偏差が大きく、夜間に小さい。これは夜間は人間の発するWiFi等の電波による干渉が少ないためと推定される。また、日中は夜間に比し、値が上振れする。
  3. 以上のことより、距離の精度を上げるためには、時間に連動した応じた補正が必要。

テスト2 複数端末で複数ビーコンのRSSIを測定


目的

  1. 端末の個体差はどの程度あるのか
  2. BLEデバイスが異なると、RSSIに顕著な違いは発生するのか

条件

  1. 各端末によるビーコンスキャンは10秒間、1回のみ。
  2. 各端末が収集したデータは平均で50件弱。RSSI(表のaveRssi)は平均値。また、下表でRSSIを距離(Ave)に変換している。
  3. 端末(下図のPi1、Pi5-Pi8)から1m(Dist)の所にAplix(AP)10個とGimbal(GI)20個を配置。ビーコンは多数のため、端末との距離をできる限り1mに保つため格子状のプラスチックケース等に収納した。尚、Pi5 は 3B にBLEドングルを装着したもので、内臓BLEは無効化してある。
  4. ビーコンと端末は固定してあり、移動しない。
  5. テスト中、ビーコンと端末の間、またはその周辺の人、モノの移動は最小限にする。
  6. Apple社ビーコン補正:無

結果


GimbalAplix 
DistRPAveSDave
Rssi
Sample num AveSDaveRssiSample num 
1mPi10.2m0.15-54.2643.520.21m0.09-48.7848.43
 Pi5*0.86m0.4-67.8656.231.21m0.57-63.9759.05
 Pi60.18m0.09-54.2543.860.27m0.11-51.0544.92
 Pi70.25m0.11-57.1842.380.36m0.15-53.1646.52
 Pi80.16m0.08-52.9744.90.21m0.08-48.8546.47
 Summ.0.33m0.17-57.346.180.45m0.2-53.249.08
凡例
* Dist:端末⇔ビーコン間の実際の距離。
* RP: Raspberry Pi 端末、Pi1/6/7/8は Zero W、Ri5 は 3BにBLEドングルを装着したもの。 
* Ave: RSSI(aveRssi)より算出した端末(RP)⇔ビーコン間の距離(単位:m)。
* SD:Aveの標準偏差
* aveRssi:全ビーコンがRSSIの平均
*Sample num:ビーコンから受信のデータ件数(平均)。各ビーコンから約46件づつ受信。
* Summ.:総平均

考察

  1. 同種の端末で同環境でテストしても、RSSIの値に差がでる。また、Pi5は BLEドングルを使用しているが、他端末の値との差が大きい。
  2. 上述のビーコン補正を行わないと、実際の距離は1mであっても計測されるRSSIに対応する距離は全くかけ離れた値になることがある。
  3. 以上、端末間でもRSSIの値に差異があるため、端末単位の補正が必要。

    テスト3 ビーコンとメーカーによるRSSI(距離)の差異


    目的

    ビーコン間、メーカー間でどの程度RSSIに差があるのかを調査

    条件

    1. ビーコンはAplixを20個、Gimbalを49個、1つの端末を使用。ビーコンを丸テーブルの円周上に配置。その上部に天井から吊るした端末と各ビーコン間の距離が1mになるようにする。
    2. 端末によるキャン時間60秒×5回を1セット。1セット終了後90度テーブルを回転させ、計4セット(60秒×5回×4セット)を実行。これは端末アンテナとビーコンの位置などにより、RSSIの値が異なることを想定し、値を丸めるために実施。
    3. 計20回のスキャンで端末が受信したデータ数は1ビーコン平均で約3600件。RSSIはスキャン毎に平均。下図ではRSSIを距離(m)に変換している。
    4. ビーコンと端末間の実際の距離:1m
    5. スキャン中、ビーコンと端末は固定してあり、移動しない。
    6. テスト中、ビーコンと端末の間、またはその周辺の人、モノの移動は最小限にする。
    7. Apple社ビーコン補正:無

    結果

    ※上図で[0.2,0.25]は、距離が0.2m~0.25mと測定されたAplixビーコンが3台あったことを示す。
     AplixGimbal
    AVG(平均距離)
    0.4m
    0.19m
    SD(標準偏差)
    0.11m
    0.08m
    MAX(最大距離)
    0.6m
    0.4m
    MIN(最小距離)
    0.2m
    0.1m
    Data Num(データ数)*
    3618件
    3606件

    考察

    1. ビーコン個体についても計測値に差があり、最小値と最大値については3倍~4倍もの差がある。
    2. AplixとGimbalの平均値で約2倍の差がある。
    3. 以上のことから、個々のビーコンに対する補正と、ベンダー(ビーコンシステム)別の補正が必要。

     以上、時間帯、端末個体、端末種類(ビーコンシステム)、ビーコン個体、ビーコン種類(ベンダー)により、RSSIとそれに基づく距離が大きく異なることが判りました。
    以下ではこの誤差を補正できるか否かを小社で開発したプロトタイプシステムを使用して検証します。


    RSSI・距離補正

    上述のように、RSSI 或いはRSSIから算出されるビーコン⇔端末間の距離は、そのままでは信頼性の低いものです。三点測位等によりビーコンの位置(座標)を取得するには、この距離を補正し、精度を上げる必要があります。

    Apple社ビーコン補正

     上述のようにApple社のドキュメント「Getting Started with iBeacon (PDF)」に「Calibrating iBeacon 」の一項があり、ここに重要事項として RSSI の補正方法が記述されています。これによると、
    • iPhone等をビーコンから1m離し、ビーコン信号を最低10秒間測定。測定に際しては当該デバイスを縦向きし、(手のひら等で)上半分を遮らないこと。
    • 図のように、デバイスとビーコンとの距離を等間隔に保ちながら、30cmのライン上でゆっくりと上下に動かす

    Apple社の上記ドキュメントより
    • 上記の測定の実行中に rssi の測定値を収集し、その平均値をベンダーが提供する方法によりビーコン本体に登録する
    とあります。
     この方法は、ビーコンが固定されていてiPhone等のデバイスが移動する環境では良く機能するのかも知れませんが、小社が想定する端末が天井などの高い位置に固定され、その下に多数のビーコンが配置される環境では良い結果が得られませんでした。

     また、ビーコンの数が多いとその測定値を集計・平均し、登録する作業もかなりの時間を要します。

    補正テストの環境

     今回小社では下図のような補正テスト環境を用意し、端末とビーコン間のRSSIを測定し、補正テストを実施しました。当初は端末(図のa~i)の間隔を10mと想定していたのですが、その場合、測定値と実際の距離の乖離が大きく、今回は端末の間隔を各4mにしました。
    図のように端末は壁のすぐそばに設置されていたり、壁により隔てられており、環境は悪条件に属すると思います。ただ実際の運用環境も良い条件に無いことが想定されるため、悪条件下でのテストを実施しました。

    図1:テスト環境
    凡例:
    a~i:Raspberry Pi 端末 ― ビーコンを探知し、RSSIを測定
    Fix:固定ビーコン、端末下1mに固定された補正用ビーコン
    B:測定対象となるビーコン
    青点線:壁または窓、電波伝搬の障害となる


    使用デバイス


    ビーコン: Aplix 社製 MyBeacon 汎用型ビーコン  ― テストを単純化するため、今回は他社の製品を使用していません。
    監視端末: Raspberry Pi Zero W/WH/3B/3B+ 
    その他:上の図1:システム構成に準じる


    次に小社で考案した3つの補正方法を提示した後、各方法毎にテスト結果を記します。

    DBビーコン補正

    前述のように Apple社の補正方法は今回のモデルでは今一つの結果で、測定値(平均)の登録にも労力と時間を要します。本補正方法は、このApple社の方法を応用したものです。
     まず下図のように、円卓テーブルの円周上にビーコンを並べ、Rapberry端末から各ビーコンの距離が1mとなるように配置します。その後スキャンを数十秒から数分行い、次に円を90度回転させて再スキャン、さらに90度回転してスキャンというようにスキャンを計4回行い、ビーコン毎に平均した値をデータベースに登録します。

    図2:DBビーコン補正の事前スキャン


     ビーコンと端末間の距離(d)は以下の計算式を使用して求めますが、式内の RSSI@1meter がデータベースに登録された各ビーコンの値となります。
     
    式1:RSSIより距離を算出する式

     Apple社のように1台1台、ビーコン本体に値(RSSI@1meter)を登録するのではなく、一括スキャンし、一括してデータベースに登録ができ、ベンダーのサービスに依存しない点が本方法のメリットです。

    注:RSSI@1meter は、TxPower とか Measured Power 等と呼ばれていて、名称は統一されていません。1m地点でのRSSIを TxPower と呼ぶのは、やや違和感があります。



    端末補正

    上述のテスト2では、ほぼ同一条件で1m離れたビーコンの信号を測定したにも関わらず、端末によってその算出距離にはかなりの差がありました。また、端末の個体差だけではなく、時間帯、設置場所によっても電波は様々な影響を受けます。そこで配置した端末から1mの場所に補正専用のビーコン(固定ビーコン)を配置し、実際の距離である1mを測定距離で除して係数化します。例えば、端末Aでこの固定ビーコンのRSSIを測定し、そこから算出された距離が0.5mであれば、1m÷0.5mで 2 が端末係数となります。この値を端末Aが受信したすべてビーコンの信号対して適応します。

    領域補正

     3つ目の補正方法が領域補正です。上述の式1に n という係数がありますが、この n は伝搬損失係数(Path-loss index)と呼ばれ、理想的な環境では2となります。しかし、電波は干渉、減衰、回折、反射、吸収の影響を受けるため、端末とビーコンの配置場所により変動します。
     式1を展開して n を求めると以下のようになります。
    式2:伝搬損失係数 n の算出式

     本補正法では、この n を使用して補正を実施します。
    まず、アプリケーション(tpclocation.js)は、図のように近接する2つの固定ビーコン間で n を求めます。




     次に各端末(tpcbeaconhost.js)がスキャンにより取得した未補正のRSSIを使用し、ビーコンに最も近接する端末(No1端末、図ではF1)を特定します。No1端末を特定すれば、その近接端末(図のb、d、f、h)が特定できます端末bからビーコンBまでの距離(d)は、上記の式1を使用して以下のように求められます。


    同様に端末d、f、hからビーコンBまでの距離も求めます。
     尚、三点測位を行う場合は、最も距離の短い3つの端末の座標と距離(半径)データを使用します。

    注:
    No1端末の対角線上にある端末のデータの使用、及び三点測位については、稿を改めて述べたいと思います。

    補正テストの結果

    以下が上記3つの補正方法による測定結果です。テスト環境は図1の通りで、各端末の直下に測定対象となるビーコンBを3つから4つ配置しています。本来であれば、ビーコンを分散させるべきですが、テスト結果の評価を容易にするために、このように配置となっています。データは実際の距離が1mと4mとなるものを抽出し、平均値で示しています。

    表1
    実際の距離未補正DBビーコン補正端末補正領域補正
    1m0.621.952.322.68
    4m2.758.0518.861.59E+28

     残念なことに、未補正のデータが一番実際の値に近いという結果です。結果が悪いのは上述のようにデバイスが壁に近すぎたり囲まれていて、干渉が大きく影響しているためと思われます。また、「DBビーコン補正」は  RSSI@1meter の値の取得時の端末と場所が実際の端末(a~i)と異なることも要因と思われます。「端末補正」は RSSI@1meterを基に算出した端末係数を異なる距離に存在するビーコンに適用することに無理があるかもしれません。

     領域補正については指数表示になるほど実際の距離とかけ離れています。これは伝搬損失係数 n に異常値が発生しているためです。そこで、nが異常値となった等いくつかの条件下では、領域補正を適用せず、未補正の数値を使用するようにアプリケーションを変更した結果が以下となります。

    表2
    実距離未補正DBビーコン補正端末補正端末補正
    (未調整)
    領域補正
    (調整有)
    1m0.621.952.322.680.98
    4m2.758.0518.861.59E+283.63

     調整により実際の距離に大分近くなりました。

     次稿以降では、測定対象となるビーコンを分散させてのテストや三点測位について述べたいと思います。
     


    (土屋)

    参考:
    Beaconを使った近距離測位の特性[Aplix社]

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