伴随着科学技术的不断进步，人民生活现状日新月异。尤其是在位置感应、大数据、移动物联网等新兴技术的作用下，智慧旅游已展现出一个雏形。电子讲解是游客对旅游导览的基本需求然而目前大部分博物馆的电子讲解设备，比如数字点播式的，需要手动输入展品编号，极不方便；而全自动的电子讲解设备，价格较高。在智能手机普及当下，游客手上基本上都会有一部智能手机。如果能开发一款室内定点讲解系统，取代这些传统的电子讲解设备，将会有广 阔的前景。在对国内外智能讲解系统现状以及各类室内定位技术的的研究分析后，本文提出了一种基于 iBeacon 的室内智能讲解系统，系统主要由iBeacon 基站、iBeacon 定位讲解软件、后台管理服务、流媒体服务四部分组成。iBeacon 基站向外发射广播包，游客手持搭载iBeacon定位讲解软件的智能终端，定位讲解软件通过基站与智能终端蓝牙信号的 RSSI 值，计算当前位置与各基站的距离，然后通过三边定位算法，确定游客位置坐标。当游客进入展位讲解范围之内，定位讲解软件从后台服务器中获取展位相关媒体资源链接，并向流媒体服务器请求播放相关媒体资源，游客便可收听关于展位展品信息，最终实现室内定点、讲解的效果。
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
随着移动互联网、物联网、云计算等科学技术的迅猛发展，智慧地球的概念于 2008 年被 IBM 提出。拟通过对这些IT科学技术的合理利用，以更为高超科学的方式对生产与生活进行管控，使其达到更加”智慧”、更加”智能”的状态，从而能够更大程度地提高生产力的水平、提高资源的利用率。以此来应对能源、经济、环境的危机，最终打造一个智慧的地球。现如今，智慧理念在各行业中百花齐放，如智慧城市、智慧旅游、智慧医疗等。经过一些技术沉淀、积累、运用之后，目前中国的旅游产业已向智慧化转型。2016 年《”十三五”旅游业发展规划》中指出：要大力发挥旅游科技创新，努力打造旅游发展科技引擎，施行”互联网+旅游”创业、创新的行动计划。到”十三五”期末，凡是 4A 级以上景区都必须要实现电子讲解、在线预订、信息推送、智能导游、免费WIFI信号等的全面覆盖。从上面可以看出，电子讲解是4A级景区的评定标准中的硬性指标之一，足以见其重要地位。但是现如今大多数博物馆的电子讲解设备有以下缺点：功能单一，通用性不强，交互体验差，不能满足各类游客的需求，比如手动式的讲解设备，需要用户输入对应展品的编号，才能收听相应的解说词；而供单个游客使用的全自动式的讲解系统，租用价格非常贵。现如今随着智能手机、平板的普及，每位游客手上几乎都有一块智能的电子屏，如果能利用物联网、互联网、流媒体、大数据等技术开发出一套智能的定位讲解 APP,充分发挥这块屏的潜力。不仅可以减少设备租用的费用，同时也能够增强游客们的体验，亦能方便景区对游客的喜好、人流分布情况等等的统计和管理，使景区在电子讲解这一块做到真正智能化，这一研究是非常有意义的。
1.2 国内外的研究动态
1.2.1 电子导游系统的研究现状
起初是在 1996 年，国外的 Abowd 和 Aikeson 两人研发成功了首台电子导游机，这一伟大的成果使旅游服务领域发生翻天覆地的变化。经过20多年的发展，电子导游技术已经非常成熟。在国外，比较具有代表性的事例是：美国一家公司研发出一款便携式的电子导游机，它将美国重要的高速 公路相关的天气、周边餐饮等 35000 项数据资料存储其中。使这款电子导游机具有电子地图与路线指引的功能，极大地方便了游客的出行，只要是 携带这款电子导游机，游客便不会迷路。 在国内，最早的按键式播放机是2000 年在广西桂林漓江景区中投入使用，随后广州中山的陈家祠、苏州的观前购物街相继出现了触摸式的视频讲解机，再到后来天坛公园率先引进自动讲解的电子导游机。而国内比较具有代表性的企业有：深圳市深层互联科技有限公司等。 随着移动互联网、人工智能浪潮以迅猛之势席卷而来，电子导游系统也开始推陈出新，国外许多的学者已经开始尝试将人工智能运用到电子导游服务中，最有代表性的要数H．H ．O waied 等在 2011年提出的一个智能导游系统模型,它主要由5个模块构成,分别为动态数据库、推理机、知识库、 用户界面以及GIS 和 XRM 应用设备。而目前在国内，电子导游领域的研究与国外相比也毫不逊色，北京侣程科技公司推出的“Ai 导游”手机应用，成功地将人工智能运用到电子导游，AI 导游不仅可以支持基于 LBS 的智能讲解，而且还可以通过智能问答的方式，为每位游客提供个性化的”私人导游”。
1.2.2 室内定位技术现状
与GPS室外定位技术不同的是，到目前为止，室内定位技术仍还没有统一、 标准的技术规范可以遵循，大多数企业均根据自身的技术手段而定制的相应的私有技术规范，如此一来，室内定位技术方式也就各不相同、种类繁多。
(1)红外线定位技术
红外线室定位方式分为两种，第一种方式是被定位的标的是移动的，它向周围辐射红外光信号，固定位置的光学传感器通过接收到的红外信号进行定位；第二种方式则是事先利用多个发射器与接收器构造红外线网络，对处于网络空间范围之内运动的标的进行定位。其中比较有名的如：公认的第一代的室内定位系统由 AT&T 剑桥大学实验室研发的 Active Badge 系统；Ambiplex 的 IR.Loc 系统则采用了热辐射来定位，相关数据显示，在10米范围以内，其定位精度可以达到 20~30 厘米。红外线室内定位虽然有较高的精准度，但是由于其穿透性特别差，需要引入辅助定位设备，致使成本较高。
(2)超宽带室内定位技术
超宽带定位技术可以说与传统通信定位方式截然不同。它使用用预先安放好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯，最后使用三边定位或”指纹”定位方式进行定位。典型代表如：美国Multispectral公司研制的定位系统 PAL650，其定位精度可以精确到1英尺。还有利用TDOA和AOA 的 Ubisense 系统，最大测距范围可达50m，其精确度可至15cm。由于大多数 用户终端并不支持该项技术，因此普及度并不高。
(3)超声波室内定位技术
超声波室内定位系统是使用反射式测距法和三角定位等方法进行定位。其中具有代表性的是Shopkic ，主要用于商店签到,在商里安设超声波盒子，移动终端上的麦克风检测到该信号，利用信号强度进行定位。另外，目前很多地下停车场也应用此项技术。但其受多径效应和非视距传输的影响，亦需要辅助设备，成本较高。
(4) LED 定位
美国的ByteLight 公司提出将 LED 技术、智能手机应用程序两者组合起来， 可以实现精准的定位。通过对 LED 灯具进行改造，作为信号发送方发出不同频 率的光信号，用户智能终端上照相机作为接收方，接收并检测，最终实现定位。 其定位精确值为 1 米左右。但是这种方式必须对 LED 灯进行改造，增加成本。
(5)Wi-Fi 室内定位技术
Wi-Fi 定位技术也有两种，一种是根据三个或者以上的AP 基站的 WIFI 辐射强度，并通过三边定位等算法，对移动终端进行定位。另一种则是通过预先 记录位置点的信号强度，形成一个“指纹”数据库，当有新的设备加入，根据其信号强度与数据库中的数据进行匹配，最终确定位置，因此这种方式也被称 为”指纹”定位。其中具有代表性 WIFI 定位系统有：国外的RADAR 系统、 Weyes 系统、Nibble 系统。在国内，高德公司的定位服务解决方案运用 WIFI 室内定位技术，并达到了精准的定位效果，其室内定位精度突破了米级。 该项技术精度高，成本低、通用性强等特点，是目前比较流行的定位手段。
(6)ZigBee 室内定位技术
ZigBee 室内定位技术也有两种，一种是通过 RSSI 进行测距，另一种则是参考节点位置确定，当有盲节点加入，与参考节点和之前加入的盲节点进行组网，最终实现定位。ZigBee 在技术上的重大突破是德州仪器研发的 CC2431 硬件定位芯片解决方案，定位算法交由硬件实现。2015 年小米公司的智能家居产品也采用该协议。其具有低功耗等特点，定位精度可达到 2m。
(7) RFID室内定位技术
RFID 室内定位系统的定位方式则是使用射频技术，其基本原理是当移动点靠近标签，标签识别到有移动点靠近后，会将携带的信息以电磁波的方式与移动点进行通信。其代表性的定位系统如：华盛顿大学开发的Spot-ON和 LANDMARC。RFID 技术虽然造价低，传输距离远，但起作用距离短，只有几十米。
(8)蓝牙室内定位技术
蓝牙室内定位技术的代表是诺基亚研发的高精度解决方案 HAIP，它使用手机上搭载的蓝牙模块与蓝牙基站进行通信，最终利用三角定位算法实现定位效果,定位精度最高可以达到亚米级。而苹果公司制定的 iBeacon 协议，其本质 上也是是一种蓝牙协议，它可以用来实现定位，定位精准到亚米级别，我国的” 寻鹿”等 APP 也采用该模式进行定位。
1.3 主要研究内容及结构
对电子导游及定位技术的了解之后，本文提出了一种基于iBeacon 的室内定点智能讲解方案,该方案分为iBeacon 蓝牙基站、定位讲解 APP、流媒体服务及后台管理服务。系统功能实现的过程如下：将iBeacon 蓝牙信标模块作为蓝牙基站，以一定时间间隔向周围广播范围内的目标发送通告信号，当游客进入展区时,智能终端设备通过自身的蓝牙模块接收到来自基站的射频信号，获取射频信号强度 RSSI 值，通过无线信号渐变模型计算出智能终端与蓝牙基站之间的距离，然 后解析该蓝牙基站广播包中的报文，得到 UUID、Major、Minor 等标识，从服务器获得当前展厅、基站、展位之间的坐标，经过一定算法，计算出游客的地理位置，与相应展位坐标进行匹配，匹配到的话，则向 Web 服务器请求展位相关的文本、语音或者视频文件，并通过手持终端的多媒体框架播放相应的音视频内容，或者将文本文字转成语音。同时后台 Web 服务器存储这些信息、并对收集的信息进行转换，得到诸如访问量人数等对馆方有参考意义的指标等。
第2章相关技术介绍
本文设计的 iBeacon 室内定点智能讲解系统涉及到的相关技术主要有：BLE 蓝牙协议、iBeacon 数据包组成及其定位原理、Androd 操作系统技术、多媒体框架及应用开发、流媒体传输技术；接下来本章节将对这些相关理论作简要介绍。
2.1 iBeacon 技术
2013 年“苹果全球开发者大会”上提出了一种精准微定位方案 iBeacon。它 本质上是一个基于蓝牙 4.0（ Bluetooth LE BLE Bluetooth Smart ）的 2.4G 射 频技术，因为 iBeacon 协议是基于 BLE 的上层协议，所以要了解 iBeacon 工作原 理，须先理解蓝牙技术。
2.1.1 BLE 蓝牙协议体系架构
从图 2-1 我们可以看出, 蓝牙低功耗的体系结构[28]由三部分组成，自下而上 分别为控制器、主机和应用程序。
2.1.2 iBeacon 的特点
(1) 无需配对：与蓝牙技术对比，iBeacon 不同点在于，首先它不再需要配对， 起初，APPLE 对蓝牙设备的权限控制较为保守，凡是没有取得MFI许可的蓝牙 设备是不能与苹果设备相连接，而其对iBeacon 则取消这类限制了。
(2) 传输距离与精度：BLE4.0 以前距离范围一般为 10cm~10m，而 iBeacons 设备，采用蓝牙 4.0，其传输距离可达到几十米，甚至几百米。Apple 通过距离 将其划分为 3 个区域范围：分别为近距、靠近、远离。精度可达到几厘米。
(3) 功耗低：其实 iBeacon 是基于 蓝牙 4.0 技术，一颗纽扣电池可以供 iBeacon 使用长达 2 年之久。
(4) 利于研发和在线升级：苹果在 iOS 系统中新增了 iBeacon 功能，服务属 于 CoreLocaTIon 框架中的一部分，iOS 开发人员很容易利用这些接口实现连接、 配对等功能，而且支持 OTA（on-the-air）空中升级与参数设置。
(5) 隐私：定位服务虽然能为人们提供便利，但同时也极其容易地泄漏用户 的行藏，侵犯用户的隐私，所以这是一个双刃剑。
2.1.3 iBeacon 广播包组成
iBeacon 协议是建立在蓝牙协议的基础之上，蓝牙有两种包类型：数据包和广播包，其中 iBeacon 是搭建在蓝牙广播包上的一层协议。
2.2 流媒体技术
流媒体是指在互联网等网络环境中通过流式传输形式获取的连续的媒体数据，显而易见，流式传输就是流媒体的关键技术，不同的传输协议和播放方式会有不同的表现。 接下来我们将传输协议和播放方式两方面分析下流媒体技 术。
2.2.1 流媒体网络传输协议
目前主流的几种的流媒体传输协议如下：
(1) RTP 协议/RTCP 协议
RTP 标准里有两个子协议：RTP 协议和 RTCP 协议，其中RTP 协议是实 时流传输协议，主要用于数据流的传输，由于其底层传输方式通常采用的是 UDP，所以非常适用于单播和多播，但会出现乱序、丢包等，且丢包后不会重 传，由此可见，RTP 其本身并不保证数据传输的可靠性和准确性。这一切交由 RTCP 实时流传输控制协议来保证，RTCP 协议作为控制面采用的是 UDP 的偶数端口，与 RTP 配合，最终实现对 RTP 服务质量的监控、流媒体同步的效果。
（2）RTSP 协议
实时流协议( Real-Time Streaming Protocol RTSP ， ) 是由 RealNetworks 和 网景提出的一种流媒体传输技术，与 RTP 不同，RTSP 是工作在应用层，用户可 以通过该协议实现对流媒体的控制，比如快进、快退、播放等操作。且具有重定向的功能，可以减低流媒体服务器的压力。不过，它本质上也是一种控制协议，只传输控制信息，而不负责数据流的传输，数据流可通过 TCP、UDP 等方式进行传输。
(3)RTMP 协议
实时消息传送协议是Adobe 公司为Flash播放器和服务器之间音视频和数据传输而研发的应用层协议。与 RTP 协议不同，它传输层协议不是采用UDP，而是采用可靠传输协议TCP，因此可以保证可靠性。同时也解决了多路复用与分包的缺点。
(4)HLS 协议 HTTP Live Streaming 是一个 APple 公司提出的基于 HTTP 的流媒体网络传 输协议。旨在解决现有流媒体技术如 RTMP 存在的不能穿透防火墙等缺陷。 其具体的实现方式为：服务端将一个完整的流按时间比例切割成一小段一小段 的流媒体小文件，当向服务端发起播放请求后，客户端会先得到一个 M3U8 文 件，然后解析里面的元数据等内容，根据解析后的信息，再次请求真实的流媒 体片段。目前，大多数热门的直播平台如斗鱼、熊猫等，均采用 HLS 这种直播 技术手段。
2.2.2 流媒体播放方式
（1）单播
单播，两个节点之间实现一对一通信。比如浏览网页时，客户端发起请求后，服务端经过三次握手会生成一条链接，这条链接通道只能用于该客户端与服务端，而不能用于其他客户端。如果流媒体采用这种方式，对服务器的资源是一大挑战。
（2）组播
组播，组内之间的通信。有点类似QQ 中的群组概念，加入该组的才能接收或者发送相应的信息。它在一定程序上实现了资源的共享。提高了资源的利用率，减轻了服务器的压力。但由于其是基于UDP的，传输质量不可靠。
（3）点播与广播
点播连接是客户端与服务器之间的主动连接。客户端主动发起播放、 暂停等指令，服务器被动接收响应客户端动作。爱奇异、腾讯视频等就是这类应用。与点播不同的是，在广播中客户端处理被动状态，服务端推送什么，就只能收看什么。之前的广电网络属这一类。
2.3 Android 系统介绍
2.3.1 Android 操作系统发展
2005 年，Google 公司收购了 Android 公司，并经过一系列准备之后，于14 2007 年开源了Android操作系统。这一开源举动，打破了手机操作系统如诺基亚的塞班系统、微软的 Window Moblile 系统的霸主地位，使手机领域迎来了新一轮的变革。由于其开源性，受到了众多手机厂商、软件服务商、运营商的加盟，可以说是阵容强大，几乎涉及到整条产业链上下游，同年年底组织了手机联盟（Open Handset Alliance ）。在经过共同的努力，将 Andorid 发展成为智能 手机的代表。与苹果的 IOS 操作系统共同占据智能手机的几乎全部市场。 Android 是在 Linux 内核之上进行研究设计的，Android 从最初的 Android1.0 开始，经过一系列软件迭代，到目前为止最新版本是 Android9.0。 Google 在 Linux 内核之上研发一种供用户程序运行的 Android RunTime，最初是 Dalvik Java 虚拟机，Android5.0 之后，优化为 ART。ART 比 Dalivk 具有更快的 运行速度，但首次安装时速度会比较慢。Android 应用开发语言是采用的 Java。 由于 JAVA 开发者数量众多，涌现出了一系列优秀的 APP应用。目前为止 Android 已经发展成为全球最大的智能手机操作系统，与IOS并驾齐驱。
2.3.2 Android 系统架构
Android 系统框架共有五个层次，自上而下分别是应用层、框架层、Native 层、硬件抽象层（HAL）和 Linux 内核层。
2.3.3 Android 蓝牙框架简介
由于一开始 Android 便是基于 Linux 内核而开发的，所以其蓝牙协议栈仍然采用 Linux 中的蓝牙协议栈BlueZ，它是由高通公司开发并开源的蓝牙协议栈。应用协议栈主要是由bluetoothd 后台服务实现，通过dbus-monitor 监视dbus 总线，监听bluetoothctl 发给 bluetoothd的消息，通过hcidump 可以监控 bluetoothd 发出的 hci 指令。由于BlueZ 的这种方式对 Android 来讲非常复杂，所以 Google 与博通共同研发了 BlueDroid，并于 Android4.2 源码中开放出来。相对于BlueZ 而言，BlueDroid的架构设计非常清晰。由于之前的 BlueZ 结构非常复杂，所以 很难抽象出蓝牙的硬件抽象层出来。Android4.2 之后，则增加了蓝牙的硬件抽象层。极大的方便了开发人员，和有利于蓝牙功能的维护升级工作。且得益于蓝牙硬件抽象层，BlueDroid不再需要与 Dbus中线进行交互了。
第3章 系统分析与整体设计
3.1 系统需求分析
本文设计的 IBeacon 室内定点讲解系统适用于中小型展馆。本系统需要稳定、可靠地向游客展示各个展品的信息，展品信息（解说词）主要包括：文本信息及视频影像，同时又要让展馆方易于维护，节省成本。因此，从游客角度，本系统应该满足：(1)定位的准确性；(2)讲解的实时性、流畅性。从馆方角度，本系统需满足：(1)易维护，省成本。
3.2 系统设计概述
系统需要实现的基本流程如下：当游客进入展馆时，通过扫二维码等形式下载 iBeacon 应用，在相关展厅部署 iBeacon 蓝牙基站，当游客靠近展位时，接收到来自于部署的 iBeacon 蓝牙信标模块的蓝牙广播信号，iBeacon 应用通过智能终端系统接口得到其 RSSI 值和 MAC 地址，通过 RSSI 值，得到距离最接近的 iBeacon 蓝牙基站。并以其对应的 MAC 地址做为索引值，通过后台管理服务开放的接口，获取推送 Beacon 设备的所属展厅坐标，及展厅中所有 iBeacon 蓝牙基站的部署坐标、展位坐标、展位相关媒体资源等信息。再根据 RSSI 值，计算出游客与 iBeacon 之间的距离，通过合适的定位算法，计算出游客的当前坐标，接下来判断该坐标是否在展位坐标所组成的范围之内，如果在此范围内，则通过前面请求到的展位信息中的多媒体资源，向流媒体服务器请求相关的影音资料，智能终端上的 iBeacon 应用调用系统播放器，播放相关的媒体资源，达到讲解的效果。由于是采用流媒体播放，所以需要流媒体服务器须具备处理高并发能力、及足够的带宽，这样才不会影响用户的体验。
3.3 整体方案介绍
本文设计的基于 iBeacon 的室内定点智能讲解系统主要由四大子系统构成： iBeacon 蓝牙基站模块、iBeacon 定位讲解程序、后台管理服务、流媒体服务。