Masterarbeit. im Studiengang Angewandte Informatik an der Fakultät IV Wirtschaft und Informatik der Hochschule Hannover

Transkript

1 Indoor-Navigation mit der ibeacon-technologie Masterarbeit im Studiengang Angewandte Informatik an der Fakultät IV Wirtschaft und Informatik der Hochschule Hannover Autor: Erstprüfer Zweitprüfer Waldemar Zimmermann Matrikelnummer: Prof. Dr. Ralf Bruns Prof. Dr. Jürgen Dunkel Version vom: 8. Dezember 2015

2 Selbständigkeitserklärung Hiermit erkläre ich an Eides Statt, dass ich die eingereichte Masterarbeit selbständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die von mir angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und die den benutzten Werken wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe. Ort, Datum Unterschrift

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Motivation Ziel der Arbeit Aufbau der Arbeit Grundlagen ibeacon Beschreibung der Technologie Einschränkungen bei der Nutzung von ibeacons Einsatzgebiete Indoor-Maps Anbieter Verwendung von eigenen Gebäudedaten Sensoren in Smartphones Beschleunigungssensor Gyroskop Kompass Stand der Technik - Technologien zur Positionierung in Gebäuden RF-basierte Technologien WLAN Bluetooth RFID Nicht-RF-basierte Technologien Akustische Positionierung Inertiale Navigation Beschilderung und Karten Marktanalyse ibeacon Hardware Estimote OnyxBeacon Blukii Kontakt.io BEACONinside Fazit und Auswahl Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation Bewertungskriterien Lösungsverfahren zur Positionsbestimmung mit ibeacons Trilateration Fingerprinting Proximity Proximity in Verbindung mit Smartphone Sensoren Bewertung der Lösungsverfahren Entwurf des Konzepts zur Indoor-Navigation Anforderungen Softwarearchitektur

4 Inhaltsverzeichnis 4 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover Beschreibung der Fallstudie Prototypische Implementierung Entwicklungsumgebung Der Aufbau von ios Systemkomponenten Systematische Untersuchung Testumgebung Das erste Szenario Das zweite Szenario Fazit Zusammenfassung Fazit Ausblick Abbildungsverzeichnis 70 Tabellenverzeichnis 71 Literaturverzeichnis 72 Anhang 76

5 1 Einleitung 1 1 Einleitung 1.1 Motivation In der heutigen Zeit ist es dank Navigationsgeräten kein Problem mehr bestimmte Orte zu erreichen. Dank Smartphones haben wir ein Navigationsgerät immer mit dabei. Wir brauchen einfach nur die gewünschte Adresse einzugeben und schon erhalten wir die passende Route mit der wir meist problemlos unser Ziel erreichen. Über GPS wird die Position unseres Navigationsgeräts meist ziemlich zuverlässig geortet, solange man sich außerhalb eines Gebäudes befindet. Befinden wir uns in einem Gebäude kann sich die geschätzte Position viele Meter von der realen Position unterscheiden. Doch gerade in unbekannten öffentlichen Gebäuden wäre es erstrebenswert, sich dank seines Smartphones orientieren zu können. An einem großen Flughafen könnte ein Benutzer beispielsweise zu seinem Gate oder zum nächsten Ausgang geführt werden. Möchte man eine Indoor-Navigation realisieren - also eine Navigation in einem Gebäude - ist GPS eher ungeeignet, da es hier auf jeden Meter ankommt. Indoor-Navigation ist teilweise schon mit etablierter Technik wie WLAN realisiert worden. Jedoch sind auch hier Schwächen vorhanden, sodass eine präzise Positionserkennung durch Verfälschung von Signalen nicht möglich ist. Eine neue Technologie namens ibeacon, basierend auf Bluetooth Low Energy, könnte dieses Problem lösen. Im Jahr 2013 stellte Apple auf seiner Entwicklerkonferenz zum ersten Mal die Neuerung vor. Seitdem ist das Interesse an dem Thema in kurzer Zeit sehr gestiegen [27]. Ob die Lufthansa [12], BMW[17] oder die CeBIT[50], ibeacon werden von Unternehmen getestet und teilweise schon erfolgreich in der Praxis eingesetzt. ibeacon eignen sich hervorragend um ortsspezifische Informationen zu liefern. Aber auch für die Indoor-Navigation ist die Technologie sehr interessant. Die meist sehr kleinen Geräte könnten dabei helfen, dass sich Menschen in großen öffentlichen Gebäuden, wie z.b. auf Flughäfen oder in Krankenhäusern orientieren und ihr Ziel schnell finden können. Aus diesem Grund soll diese Technologie in dieser Arbeit bezüglich der Indoor-Navigation untersucht werden. 1.2 Ziel der Arbeit Das Ziel der Arbeit ist die ibeacon Technologie im Hinblick auf die Möglichkeiten zur Indoor-Navigation zu untersuchen. Dabei soll gezeigt werden, wie eine Positionsbestimmung mit ibeacon realisiert werden kann. Die Positionsbestimmung ist die Basis für eine Navigation. Nur wenn die Position des Anwenders bekannt ist, kann ihm eine Routenführung zu seinem Zielort angeboten werden. Des Weiteren soll überprüft werden, ob weitere Technologien in Zusammenarbeit mit der ibeacon Technologie die Positionsbestimmung verbessern könnten. Es muss geklärt werden, wie die Informationen von einem Gebäude dem Anwender angezeigt werden können. Die Arbeit soll eine Fallstudie enthalten, in der ein Prototyp entworfen wird, der die Konzepte dieser

6 1 Einleitung 2 Arbeit realisiert. Dadurch soll gezeigt werden, inwieweit die ibeacon Technologie dabei helfen kann, die Navigation in Gebäuden zu verbessern. 1.3 Aufbau der Arbeit Die Arbeit ist gegliedert in sieben Kapiteln. Kapitel 1 enthält die Motivation und das Ziel der Arbeit. Im Kapitel 2 der Grundlagen wird zunächst die Technologie ibeacon genauer vorgestellt, um den Leser den aktuellen Stand der Technik zu zeigen. Anschließend wird erklärt, welche Möglichkeiten es gibt, um Karten von Gebäuden in einer Applikation anbieten zu können. Dabei werden Anbieter vorgestellt, die Indoor Maps von öffentlichen Gebäuden anbieten. Des Weiteren enthält dieses Kapitel Grundlagen zu den Sensoren, die heutzutage in einem Smartphone verbaut werden und dem Entwickler weitere Informationen in Bezug zur Position des Anwenders geben könnten. In Kapitel 3 wird der Stand der Technik behandelt. Hier wird gezeigt, welche Lösungen es in Sachen Indoor-Navigation schon gibt und mit welchen Verfahren diese realisiert werden. Im Kapitel 4 findet eine Marktanalyse der aktuellen ibeacon Hardware statt. Dabei werden verschiedene Produkte von unterschiedlichen Herstellern vorgestellt und gezeigt welche Eigenschaften die Produkte haben. Anschließend wird das geeignetste Produkt für diese Arbeit ausgewählt, mit dem die Fallstudie durchgeführt werden soll. Das Kapitel 5 enthält das Konzept für den Einsatz von ibeacon für die Indoor- Navigation. Hier werden zunächst verschiedene Lösungsverfahren zur Positionsbestimmung mit ibeacon vorgestellt und deren Stärken und Schwächen erläutert. Anschließend wird ein Verfahren ausgewählt, dass für die Fallstudie am geeignetsten ist. Der Rest des Kapitels beschäftigt sich mit dem Konzept für die Fallstudie. Es wird dargestellt wie Gebäudedaten in der Applikation geladen und dargestellt werden sollen. Des Weiteren wird gezeigt wie die Navigation realisiert werden soll. Im anschließendem Kapitel 6 wird die Umsetzung der Fallstudie behandelt. Dabei wird zunächst die Fallstudie beschrieben. Anschließend behandelt das Kapitel die Umsetzung des Prototyps. Beschrieben wird die Funktionsweise und das umgesetzte Verfahren wird untersucht. Der Schluss dieser Arbeit befasst sich mit der Auswertung der erstellten Lösung. Es wird beschrieben, wie die Ergebnisse dieser Arbeit für spätere Projekte genutzt werden können und wie die Lösung verbessert werden könnte.

7 2 Grundlagen 3 2 Grundlagen In diesem Kapitel werden Themen für das Verständnis der Arbeit vermittelt. Zuerst wird der Leser mit der ibeacon Technologie vertraut gemacht. Dabei wird auf den Ablauf der Kommunikation eingegangen und die Rollen der beteiligten Komponenten geklärt. Auch das Thema Sicherheit wird in diesem Kapitel behandelt und erläutert welche Sicherheitsrisiken ibeacon mit sich bringt. Außerdem werden aktuelle Einsatzgebiete dieser Technik beschrieben, die zeigen wie diese Technologie angenommen wird. Da es in dieser Arbeit um die Positionierung in Gebäuden geht, wird in diesem Kapitel auf das Thema Indoor Maps eingegangen. Dabei handelt es sich um Karten für die Darstellung von Gebäudeplänen. Hier wird u.a. erläutert wie die Pläne dargestellt werden und welche Anbieter sich diesem Thema angenommen haben. Abgeschlossen wird das Kapitel mit den Smartphone Sensoren. Dabei werden Sensoren vorgestellt, die interessant sind in Bezug auf die Darstellung oder Aktualisierung der Position. Im Vorfeld ist noch zu sagen, dass verschiedene Begriffe für die Bestimmung der Position verwendet werden: Ortsbestimmung, Positionsbestimmung, Positionierung, Lokalisierung. Hiermit wird erklärt, dass alle diese Begriffe dieselbe Bedeutung haben. 2.1 ibeacon ibeacon ist ein Technologiestandard, das von Apple entwickelt und 2013 der Öffentlichkeit bei der WWDC (World Wide Developer Conference) [4] vorgestellt wurde. Der Standard beschreibt sowohl das Protokoll als auch die Hardware. Es wurde von Apple entwickelt um standortbezogene Dienste komfortabel anbieten zu können Beschreibung der Technologie Bei ibeacon handelt es sich um einen Standard aus dem Umfeld von Bluetooth 4.0. Es hat sich jedoch eingebürgert auch die Hardware als ibeacon zu bezeichnen. Daher wird der Begriff in der Arbeit auch für beides verwendet. Grundlage für ibeacon ist eine Neuerung in Version 4.0 des Bluetooth Standards, die Möglichkeit des Broadcasting. Bei früheren Bluetoothversionen stand die bidirektionale Verbindung zweier Geräte im Vordergrund. Seit 4.0 kann ein Gerät eine Information in den Raum strahlen, ohne zu wissen ob sie von einer Gegenstelle aufgefangen wird. Das Gerät funktioniert wie ein Leuchtfeuer (engl. Beacon), es sendet in regelmäßigen Abständen ein Signal. Geräte mit der ibeacon Technologie sind in der Regel kleine Kästchen, die eine Antenne, eine Platine und eine Batterie enthalten. Ein ibeacon Gerät hat keinen Power- Knopf. Sobald eine Stromversorgung hergestellt wurde, beginnt das ibeacon Signale zu senden. Die Lebensdauer der eingesetzten Batterie beläuft sich, je nach Konfiguration, ein bis zwei Jahre. Durch eine hohe Sendeleistung (Broadcasting Power) kann eine

8 2 Grundlagen 4 hohe Reichweite erzielt werden, das zu lasten der Energie geht. Eine weitere Konfigurationsmöglichkeit ist das Advertising-Intervall, welches die Häufigkeit zum Senden des Advertising-Pakets definiert. Je höher der Wert, desto schneller die Updates und höher die Chance, dass ein Client das Paket erhält. Der Nachteil ist das erhöhte Energieaufkommen und die geringe Lebensdauer. Die ibeacon Funktionalität ist im Grunde eine Eigenschaft des Bluetooth-Standards. Apple legt dabei nur fest, welche Daten das Protokoll überträgt. Diese Pakete sind sehr klein. In der Abbildung 1 ist ein solches Advertising-Paket Format dargestellt. Es hat immer dieselbe Länge von 30 Byte. Im Folgenden werden die wichtigsten Felder des Pakets erläutert: Abbildung 1: ibeacon Datenformat [25] Company ID (2 Bytes) - statisch Dieses Feld ist der Start des herstellerspezifischen Advertising Payload. Die Bluetooth Spezifikation[14] sieht vor, dass dieser Payload immer mit der Company ID beginnt. ibeacons beginnen immer mit der Company ID von Apple (0x004C). Beacon-Type (2 Bytes) - statisch Auch dieses Feld wurde von Apple so festgelegt, dass alle ibeacons den festen Wert (0x02-15) verwenden müssen. Proximity UUID (16 Bytes) - variabel Die Proximity UUID ist eine eindeutige Kennung, die eine Organisation identifiziert. Major Number (2 Bytes) - variabel Die Major Number (ID) kann verwendet werden, um ibeacons zu Gruppieren. Minor Number (2 Bytes) - variabel Die Minor Number (ID) kann verwendet werden, um ein ibeacon innerhalb einer Gruppe zu identifizieren. Measured Power (1 Byte) - variabel Dieses Feld beschreibt die empfangene Signalstärke in dbm im Abstand von einem Meter. Dieser Wert wird vom Hersteller vorkonfiguriert.

9 2 Grundlagen 5 Nachdem geklärt wurde, was ein ibeacon ist und welche Daten es überträgt, wird anhand der Abbildung 2 der Kommunikationsablauf beschrieben. Abbildung 2: Ablauf der ibeacon Kommunikation 1. Broadcast eines Advertisement Ein Advertisement ist im Prinzip ein "sich aufmerksam machen". ibeacons übertragen regelmäßig (normalerweise alle 500 ms) ein Signal mit ihrer Kennung, das von einer Smartphone App verarbeitet werden kann. Die Übertragung basiert auf Bluetooth LE (Low Energy), das in allen aktuellen Smartphones enthalten ist. Im Prinzip meldet sich das ibeacon und sagt "Hier bin ich", mehr auch nicht. Es kann sonst keine weiteren Daten verschicken oder selbst empfangen. Dadurch kann das Gerät nicht feststellen, wo jemand ist oder war. 2. Unterstützung Ein Advertisement kann von einem Smartphone nur empfangen werden, wenn das Gerät Bluetooth 4.0 unterstützt und die Funktion eingeschaltet ist. 3. Erkennung nur durch eine passende App Damit ein Smartphone auf das Advertisement reagieren kann, muss eine App auf dem Gerät installiert sein, die auf mindestens eine der Informationen (UUID, Major-ID, Minor-ID) lauscht. Nur wenn eine Übereinstimmung der Daten stattfindet, kann die App auf das Signal des ibeacons reagieren. Einordnung der verschiedenen IDs Die folgende Tabelle 1 zeigt an einem Beispiel den Einsatzzweck von UUID, Major-ID und Minor-ID für ibeacons. Angenommen ein Unternehmen möchte in seinen Geschäften ibeacons verwenden. Die UUID dient dazu die ibeacons dem Unternehmen zuzuorden. Die Major-ID wird verwendet, um die Geräte zu einem bestimmten Geschäft bzw. dessen Ort zuzuordnen.

10 2 Grundlagen 6 Ort des Geschäfts Berlin München Hamburg UUID F001A27D C31-A905-18B9B9C003C Major Kleidung Minor Elektronik Küche Tabelle 1: Beispielhafte UUID, Major, Minor Werte für ibeacons Jedes Geschäft hat die gleichen drei Abteilungen, die anhand der Minor-ID unterschieden werden können. Dieses Beispiel ist nur eine mögliche Lösung, wie solche Major/Minor-Werte verwendet werden können. Die App kann bestimmte Aktionen ausführen, falls die Daten empfangen wurden. Funktionen zur Ortung von ibeacons Applikationen können durch zwei Funktionen auf den Standort von ibeacons zugreifen, Monitoring und Ranging. Abbildung 3: Ranging: Ermittlung der Distanz [26] Monitoring Mit dieser Funktion ist es möglich ibeacons zu beobachten und eine Benachrichtigung zu erhalten, wenn sich das Smartphone in der Region befindet oder die Region des ibeacons verlässt. Eine Region ist der Bereich, in dem das Smartphone Informationen über ibeacons empfangen kann.

11 2 Grundlagen 7 Ranging Durch das Ranging lässt sich die Distanz zwischen einem Smartphone und dem ibeacon ermitteln. Dies lässt sich auf zwei Arten erreichen. Bei der ersten lässt sich die Entfernung durch das Auslesen der vier Proximity Werte ermitteln. Jedoch haben nur Entwickler für das ios Betriebssystem Zugriff auf diese Informationen. Android Apps sind nicht in der Lage auf diese Informationen zuzugreifen. Die Abbildung 3 zeigt die verschiedenen Werte. Die Entfernung des Smartphone ist in unmittelbarer Nähe (Immediate), nah (Near), fern (Far) oder unbekannt (Unknown). In der folgenden Tabelle 2 werden die einzelnen Zustände [6] der Abbildung 3 erläutert. Proximity State Immediate Near Far Unknown Beschreibung Das Gerät ist höchstwahrscheinlich in unmittelbarer Nähe eines ibeacon. Entfernung bis ca. 0,5 Meter. Bei einer klaren Sichtlinie zwischen dem Gerät und dem ibeacon würde die Entfernung zwischen 0,5 und 2 Meter betragen. Dieser Status wird nicht erreicht werden wenn in der Realität zwischen dem ibeacon und dem Gerät Hindernisse liegen. Dieser Status zeigt, dass sich ein ibeacon in der Umgebung befindet. Die Genauigkeit ist jedoch zu schlecht, um es in einen der höheren Zustände einordnen zu können. Die Entfernung wird im Bereich 2-30 Metern angegeben. Die Entfernung ist größer als 30 Meter. Dieser Status wird verwendet, wenn eine genauere Entfernung nicht ermittelt werden kann. Tabelle 2: Proximity Werte Der zweite Weg um die Distanz zwischen dem Smartphone und dem ibeacon zu erhalten ist das Auslesen der Signalstärke. Dadurch lässt sich die Distanz in Metern berechnen. Dies ist die einzige Möglichkeit für Android Entwickler, um die Distanz zu ermitteln. Kompatible Mobilgeräte Grundvoraussetzung für die Kompatibilität mit ibeacon ist Bluetooth 4.0, auch unter LE (Low Energy) bekannt. Weiterhin ist die Version des Betriebssystems wichtig. Bei Apple wird mindestens ios 7 benötigt. Folgende Apple Geräte unterstützen die ibeacon Technologie: iphone: alle Modelle seit dem iphone 4s ipad: alle Modelle seit dem ipad 3, inklusive aller ipad Mini Modelle

12 2 Grundlagen 8 ipod Touch: alle Modelle seit dem ipod Touch der 5.Generation Es werden auch Geräte mit dem Android Betriebssystem unterstützt. Diese müssen mindestens die Betriebssystemversion 4.3 installiert haben. Dazu gehören u.a. die populärsten Geräte wie: Samsung Galaxy S-Reihe seit dem S3, Galaxy Note 2/3 HTC One-Reihe, HTC Butterfly Google Nexus-Reihe seit dem Nexus 4 Geräte mit anderen Betriebssystemen werden derzeit nicht unterstützt[32]. Sicherheitsrisiken Ein ibeacon ist ein einfaches Gerät, das konstant Radiosignale sendet. Jede Kommunikation mit einem ibeacon geschieht in der Regel unverschlüsselt. In der Abbildung 4 werden die verschiedenen Angriffsarten gezeigt. Abbildung 4: Die verschiedenen Angriffsarten auf ibeacon [33] Bei den ersten beiden Arten ist die Grundlage, dass ibeacon ihre Daten durch ein Broadcast an alle Empfänger in der Umgebung schicken. Ein Angreifer kann sich die Informationen über das ibeacon sichern und hat dadurch Möglichkeiten des Klonens und des Piggybacking: Piggybacking (1) Der Angreifer nutzt die Infrastruktur seines Opfers, ohne dessen Wissen, in seiner App aus. Dadurch ist der folgende Fall möglich: Store A kann in seiner App auf die Beacon von Store B reagieren, da es alle Informationen über die verwendeten Beacon hat. Wenn ein Kunde Apps von beiden Stores auf seinem Smartphone

13 2 Grundlagen 9 installiert hat und den Store B besucht, bekommt er nicht nur Informationen zum Store B, sondern Store A kann ihm ebenfalls Informationen zu seinen Produkten anbieten und ggf. anzeigen, dass es ein Produkt günstiger anbietet. Klonen (2) Der Angreifer klont die Einstellungen (UUID, Major ID, Minor ID) seines Opfers auf seine Beacon. Dadurch kann der Angreifer dem Kunden vortäuschen der vermeintlich ursprüngliche Anbieter des Services zu sein und hat so die Möglichkeit an die Daten zu kommen (z.b. durch das Anbieten eines Gewinnspiels). Hijacking (3) Beim Hijacking hat der Angreifer das Passwort für den Zugriff auf das ibeacon oder das Content Management System (CMS) erhalten (z.b. durch Brute Force oder weil das Opfer das Passwort frei zugänglich aufbewahrt hat). Dadurch hat er die Möglichkeit das Passwort zu ändern und somit die volle Kontrolle über das ibeacon zu erhalten. Das Opfer kann dadurch nicht mehr auf die betroffenen Geräte zugreifen. Cracking (4) Der Angreifer entwendet die ibeacons von den Wänden und versucht manuell auf das ibeacon zuzugreifen und Daten davon zu extrahieren Einschränkungen bei der Nutzung von ibeacons Es gibt einige Einschränkungen [35] bei der Verwendung von ibeacons. Einschränkungen von Apple: Es muss das Datenformat verwendet werden, dass Apple vorgibt. Es gibt jedoch einige Hersteller, die zusätzlich eigene Datenformate herstellen, um weitere Funktionen anbieten zu können, wie das Auslesen von Daten eines Temperatursensors, das in das ibeacon eingebaut wurde. Zum Auslesen wird jedoch ein SDK seitens des Herstellers benötigt. Begrenzte Funktionen: Die tiefe Integration dieser Technologie in das ios Betriebssystem ist eine weitere Einschränkung. ibeacons können selbst dann gefunden werden, wenn die App geschlossen ist. Dieses Feature können jedoch nur Entwickler von ios Apps nutzen. App-Entwickler für das Android Betriebssystem können auf diese Funktion nicht zurückgreifen. Lebenszeit: Die Lebenszeit der Batterie ist ebenfalls ein Problem. Kleine Geräte, die mit einer Knopfzellen Batterie ausgestattet sind können bis zu zwei Jahre halten. Je höher jedoch das Sendeintervall und die Signalstärke gewählt ist, desto geringer die Lebenszeit. Dadurch würde sich die Lebenszeit auf wenige Monate

14 2 Grundlagen 10 verkürzen. Manche Hersteller bieten auch ibeacons mit Stromversorgung an, jedoch sind die Geräte dazu gedacht überall angebracht werden zu können ohne sich Gedanken über den Zugang einer Stromversorgung zu machen. Signalverlust: ibeacons basieren auf der Bluetooth Technologie, die auf dem Frequenzbereich von 2,4 GHz arbeitet. Signale dieses Frequenzbereichs haben Probleme mit der Dämpfung (siehe Abbildung 5). Dabei schwächen Wände oder Menschen das Signal ab. Ohne diese Interferenzen erreichen die Signale eine gute Genauigkeit. Der menschliche Körper besteht zum Beispiel zu 80% aus Wasser, was die Ausbreitung der Signale beeinflusst. Selbst wenn eine Hand zwischen dem ibeacon und dem Smartphone gehalten wird, verursacht dies starke Schwankungen. Abbildung 5: Hindernisse: Physische Objekte, z.b. Wände (links) oder auch Menschen (rechts) können die Signalstärke verringern [6] Einsatzgebiete Überwachung beweglicher Objekte In Brasilien hatte Nivea 2014 eine Kampagne mit dem Namen "Nivea Protection Ad" gestartet. Darin ging es um ein Sonnenschutzmittel für Kinder. Das Unternehmen schaltete Print-Anzeigen, in denen Eltern ein Armband abtrennen konnten und ihrem Kind am Strand anlegen konnten. Das Armband enthielt die ibeacon Technologie. Die Eltern mussten eine App herunterladen, in der sie das Armband registrierten und einstellen konnten, wie weit das Kind sich entfernen durfte. Sobald das Kind diesen Entfernungsradius verließ, bekamen die Eltern eine Benachrichtigung und die Entfernung auf das Handy. Die Kampagne wurde in 50 Artikeln erwähnt und war ein voller Erfolg. Allein in Rio de Janeiro stiegen die Verkaufszahlen um 62% [45]. Standortbezogene Informationen Die CeBIT in Hannover hat im Jahr 2014 ibeacon erfolgreich eingesetzt. Am Eingang erhielten Besucher eine Willkommens-Nachricht und eine Verlinkung zur CeBIT

15 2 Grundlagen 11 Homepage mit allen Informationen. In ausgewählten Hallen wurden Hinweise auf Jobangebote oder Ausbildungsplätze auf das Smartphone gesendet. Außerdem wurde an einem Standort auf einen Coupon zum Gratis Kaffee hingewiesen. Es wurden in fünf Tagen über Benachrichtigungen ausgeliefert [50]. Auch bei Festivals sind ibeacons schon angekommen. Auf dem SXSW Festival [19] in den USA sind seit dem Jahr 2014 die kleinen Bluetooth Sender im Einsatz. Dadurch sind Nutzer der App in der Lage mit anderen Besuchern in Kontakt zu treten, das Veranstaltungsgelände zu erkunden oder je nach Position Informationen zu den gerade laufenden Events zu erhalten. Am Flughafen Frankfurt hat die Lufthansa ein Testlauf mit ibeacon gestartet [12]. Die ibeacon sollen dafür sorgen, dass die Nutzer der Lufthansa App standortrelevante Informationen erhalten. Dadurch können beispielsweise Hinweise zur nächsten Lufthansa-Lounge, dem Kundencenter oder über die voraussichtliche Wartezeit an den Sicherheitskontrollen gegeben werden. Bei BMW können Besucher der BMW Welt in München die ibeacon Technologie ausprobieren [17]. Dazu müssen die Besucher eine spezielle App installieren, die auf die ibeacon in der BMW Welt reagiert. Dadurch erhalten sie Informationen in Form von Audio- und Videoinhalten auf ihr Smartphone, sobald sie sich in der Nähe eines Exponats befinden. Prämien-Funktionen Die App Shopkick[46] bietet seinen Nutzern im Warenhaus Macy s in New York und im Einkaufsviertel Union Square in San Francisco einige Vorteile. Wenn die Nutzer mit der App einen der Stores betreten, erhalten sie ortsabhängige Angebote, Rabatte, Empfehlungen und sammeln Prämienpunkte für das Betreten von Stores, für das Kaufen von Produkten und anderen Aktionen. Die Punkte können gegen Produkte eingetauscht werden. Das erhöht die Kundenbindung und die Kaufmotivation. Das Unternehmen acardo bietet die Verteilung von digitalen Coupons per Smartphone an [1]. Seit 2014 setzt das Unternehmen die ibeacon Technologie in der Kinobranche ein um Coupons im Kino zu verteilen. Der erste Kinobetreiber dieser Lösung ist die regionale Dersa Kinokette. Mit der dazugehörigen App werden Kinobesucher an Couponaktionen erinnert und können diese direkt über das Kassensystem einlösen. Navigation In den USA werden die ibeacons auch in Baseballstadien der Major League Baseball eingesetzt. Dadurch können standortbezogene Informationen mit Hilfe der MLB-App geliefert werden. Fans können zu ihren Sitzen navigiert werden, an Prämienprogrammen teilnehmen, Guides zu den Stadien erhalten und Statistiken zu den bisherigen Begegnungen der beiden Klubs untereinander erhalten. Darüber hinaus lassen sich Tickets

16 2 Grundlagen 12 in der App verwalten und ermöglichen den automatischen Zutritt, sodass am Eingang das Ticket nicht mehr vorgezeigt werden muss [39]. 2.2 Indoor-Maps Zur Orientierung in fremden Gebieten verwenden Menschen eine Karte, besser besagt eine Landkarte, auf der alle Städte, Dörfer und Straßen abgebildet sind. Früher gab es Karten ausschließlich gedruckt auf Papier, die in verschiedene Bereiche geteilt wurde, um sich auf der Karte orientieren zu können und weil die gesamte Karte nicht auf eine Seite passte. Im digitalen Zeitalter lassen sich Ziele dank Navigationsdiensten wie Google Maps oder Bing Maps viel einfacher und bequemer finden und das dank des Smartphones auch unterwegs. In den Kartendiensten sind Orts- und Straßennamen, Bezeichnungen von POIs (Points of Interest, touristisch relevante Orte wie das Brandenburger Tor in Berlin), oder auch Namen von Geschäften oder Restaurants hinterlegt. Somit verliert der digitale Nutzer nie die Orientierung. Navigationsdienste wie Google Maps gibt es bereits seit 2005, doch erst seit wenigen Jahren bieten einige Kartendienste auch Indoor Maps an. Indoor Maps bieten Informationen über ein Gebäude, wie zum Beispiel Ansichten aller Gänge und Räume. Somit haben diese Anbieter den Bedarf von Gebäudekarten erkannt und bauen die Verfügbarkeit von Gebäudeplänen stetig aus. Als Nutzer ist man daran gewöhnt worden überall seinen Standort zu erfragen und die Umgebung dank einer Karte zu erkunden. Dies war vor den Indoor Maps nicht mit dem mobilen Gerät möglich. Ein Unterschied zu den üblichen Straßenkarten ist, dass Gebäude mehrere Ebenen haben. Der Benutzer hat die Möglichkeit sich verschiedene Ebenen des Gebäudes anzuschauen und sich einen Überblick zu verschaffen. Weiterhin können die Karten auch Informationen über Treppen, Aufzüge und Toiletten enthalten. Dank dieser neuen Funktion können sich Nutzer der Kartendienste in einem öffentlichen Gebäude einfacher zurecht finden. So reicht in einem Flughafen ein kurzer Blick auf das Smartphone um sein Gate oder die nächste Toilette zu finden. Zur Erstellung einer Indoor-Navigations-App sind Indoor Maps eine zwingende Voraussetzung. Ob eigene Karten, die auch offline dem Nutzer zur Verfügung stehen, oder Gebäudekarten von Kartendiensten wie Google verwendet werden, spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Der Benutzer soll immer die Möglichkeit haben seinen Standort im Gebäude zu sehen. Kartendienste, die Gebäudedaten anbieten, nehmen dem Entwickler eine Menge Arbeit ab, in dem Sie alle Informationen als Bilder zur Verfügung stellen.

17 2 Grundlagen Anbieter Google Maps Google Maps bietet Indoor Maps [28] (siehe Abbildung 6) seit November 2011 an. Zunächst startete der Dienst nur in den USA und kam ein Jahr später nach Deutschland. Die Gebäudekarten von Google sind auf allen Plattformen verfügbar. Dabei sind viele öffentliche Gebäude wie Flughäfen, Einkaufszentren, Museen, Bahnhöfe oder Konzerthallen vorhanden. Befindet man sich in einem Gebäude, in dem die Indoor Maps verfügbar sind, wird der Plan angezeigt, sobald man nah genug heranzoomt. Dabei besteht die Möglichkeit sich verschiedene Etagen des Gebäudes anzuschauen. Auf den Plänen werden sämtliche Räume oder Geschäfte angezeigt, sowie Toiletten, Treppen, Aufzüge und weitere Informationen. Google gibt nicht an, wie viele Gebäudepläne bereits vorhanden sind. Jedoch lässt sich durch Stichproben erahnen, dass die Verbreitung der Karten bereits sehr hoch ist im Vergleich zu anderen Anbietern. Mit Hilfe der Google Maps SDK stellt das Unternehmen Entwicklern Klassen und Werkzeuge bereit, um deren Karten in anderen Apps zu nutzen. Abbildung 6: Google Indoor Maps[28] Bing Maps Seit 2011 bietet auch der Kartendienst Bing von Microsoft Karten [38] für Gebäude an. Gestartet mit 148 Karten für Einkaufszentren in den USA, bietet der Dienst mittlerweile mehr als 5540 Geländepläne an. Darunter sind Pläne für Flughäfen, Museen, Stadien, Universitäten und Zoos vorhanden. Auch in Deutschland bietet Bing bereits über 200 Indoor Maps an, darunter auch für ein Einkaufszentrum in Hannover (siehe Abbildung 7). Benutzer können sich die Karten auf allen Endgeräten anschauen, sei es auf dem Heimcomputer oder auf dem Smartphone unterwegs. Es wird jedoch

18 2 Grundlagen 14 im Gegensatz zu Google noch keine Schnittstelle für Entwickler angeboten, um das Kartenmaterial für Apps nutzen und verarbeiten zu können. Abbildung 7: Bing Indoor Maps [38] HERE Maps Auch der Kartendienst HERE von Nokia bietet mittlerweile Indoor Maps an. Seit 2013 ist der Service joch nur über die HERE Maps App auf Nokia Lumia Smartphones verfügbar. Über die Webseite von HERE lässt sich das Kartenmaterial von Gebäuden nicht abfragen. Nokia bietet Indoor Maps von verschiedenen Örtlichkeiten wie Einkaufszentren, Bahnhöfen, Flughäfen, Stadien und Themenparks an. Nokia versichert die Karten selbst zu erstellen und Gebäude zu besuchen, um die Daten möglichst genau anbieten zu können. Bereits zum Start konnte Nokia seine Indoor Maps in über 45 Ländern anbieten und deckte dabei über Gebäude ab [21] Verwendung von eigenen Gebäudedaten Indoor-Maps von Google bieten bereits eine Vielzahl von Gebäudeplänen an. So gibt es auch von der Fakultät IV der Hochschule Hannover eine Indoor Map, die von jedem angeschaut werden kann. Entwickler haben durch die Google Maps API die Möglichkeit die Karten in ihre Anwendungen einzubauen. Sind jedoch bei Google Indoor Maps noch keine Gebäudedaten von einem Gebäude hinterlegt, das der Entwickler in seiner Anwendung nutzen möchte, hat er zwei Möglichkeiten dies trotzdem zu tun:

19 2 Grundlagen 15 Gebäudeplan hochladen: Möchte ein Besitzer eines öffentlichen Gebäudes die Gebäudedaten bei Google veröffentlichen, so kann er den Plan bei Google Maps [28] hochladen. Jede Ebene muss dabei als digitale Bilddatei vorliegen. Es können folgende Formate hochgeladen werden: GIF, TIF, PNG, JPG, BMP und PDF. Beim Hochladen müssen Informationen zu dem Gebäude abgegeben werden, wie etwa der Name, Anzahl der Etagen und die Etagennummern. Anschließend kann der Plan anhand des Luftbildes des Gebäudes ausgerichtet werden. Ground Overlays verwenden: Sollen die Gebäudedaten nicht der gesamten Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden, sondern nur einem kleinem Nutzerkreis, wie beispielsweise nur Nutzer einer App, so kann ein Entwickler das Google Maps SDK verwenden. Mit Hilfe des SDKs kann auf der Karte gezeichnet werden oder ein Bereich kann mit einem Bild überdeckt werden. Durch sogenannte Ground Overlays kann der Entwickler ein Bild des Gebäudeplans einer Etage auf die Karte setzen. Das Ground Overlay ist dabei an die angegebenen Koordinaten fixiert und lässt sich durch zoomen vergrößern oder die Orientierung durch das Rotieren der Karte ändern. Durch das Hinzufügen von mehreren Ground Overlays lässt sich jede Etage des Gebäudes einblenden. Der Entwickler muss nur dafür sorgen das richtige Groud Overlay anzuzeigen. 2.3 Sensoren in Smartphones Smartphones sind sehr leistungsfähige Geräte. Mit ihnen ist es nicht nur möglich zu telefonieren oder ins Internet zu gehen. Mittlerweile sind in einem Smartphone so viele Sensoren enthalten, dass es möglich ist anhand der Sensordaten auszuwerten, was in der Umgebung des Geräts passiert. Im Folgenden werden eine Reihe von Sensoren vorgestellt, die nützlich sein können bei der Ermittlung der Position eines Smartphones Beschleunigungssensor Der Beschleunigungssensor in einem Smartphone kann sowohl die Schwerkraft als auch die Beschleunigung messen. Um sich die Funktion eines Beschleunigungssensors bildlich vorzustellen, stellt man sich eine Masse vor, die an verschiedenen Federn aufgehängt ist. Die Federn sind an einem gemeinsamen Rahmen um die Masse befestigt. Unterschiedliche Kräfte, die innerhalb des Rahmens auf die Masse einwirken, dehnen die Federn unterschiedlich stark. Die Abbildung 8 zeigt verschiedene Kräfte, die auf den Beschleunigungssensor wirken können. Die gemessenen Werte eines Beschleunigungssensor sind absolut und geben die jeweilige Kraft einer Feder an, die benötigt wurde, um die Masse in der Mitte zu halten.

20 2 Grundlagen 16 Abbildung 8: Vereinfachte Darstellung eines Beschleunigungssensors [43] Auf ein Smartphone, das flach auf einem Tisch liegt, wirkt die Erdanziehungskraft. Der Beschleunigungssensor würde hier eine Kraft anzeigen, die der Erdanziehungskraft entspricht. In diesem Fall entspricht der Rahmen dem Smartphone, das zwar still liegt, die Masse jedoch von der Erdanziehungskraft angezogen wird. Aus dem gleichen Grund wird im freien Fall eine Kraft von Null vom Beschleunigungssensor angezeigt, da alle Kräfte gleichzeitig wirken. In einem Smartphone sind Beschleunigungssensoren in einer winzig kleinen Form verbaut. Als sogenannte mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) werden die Sensoren meist aus Silizium hergestellt. Diese Sensoren sind Feder-Masse-Systeme, bei denen die Bewegung des Geräts anhand eines Siliziumstabes an jeder Achse gemessen wird. Ändert dieser seine Position, zum Beispiel durch Kippen des Smartphones, so verändert sich auch die elektrische Kapazität innerhalb des Sensors, womit man Aussagen über die Höhe der Beschleunigung entlang einer Achse machen kann Gyroskop Ein Gyroskop gehört zu den Bewegungssensoren und kann die Lage des Smartphones feststellen. Es misst die Drehgeschwindigkeit einer Achse und bestimmt dadurch den Lagewinkel dieser Achse. Durch drei senkrecht zueinander angeordneten Gyroskope können alle auftretenden Rotationen bestimmt werden. Abbildung 9 zeigt die verschiedenen Rotationen des Smartphones. Diese werden als Roll (Drehung um die Y-Achse), Pitch (Drehung um die X-Achse) und Yaw (Drehung um die Z-Achse) bezeichnet. Mechanische Gyroskope bestehen aus einem rotierenden, symmetrischen Kreisel mit einer hohen Drehrate. Ein Gyroskop nutzt die sogenannte Corioliskraft. Diese Scheinkraft tritt auf, wenn eine Masse innerhalb eines rotierenden Bezugssystems nicht ruht. Der Kreisel versucht die Richtung seiner Drehachse beizubehalten. Das Fahrrad ist ein gutes Beispiel aus dem Alltag. Sobald die Räder schnell genug rotieren, kann das Fahrrad nicht umfallen, und fährt in die Richtung der Rotation. In einem Smartphone wird das Gyroskop in einer sehr kompakten Form verbaut. Inzwischen ist das Instrument so klein, dass es auf einen Chip passt. Der Chip kann bis zu

21 2 Grundlagen 17 Abbildung 9: Bestimmung der Lage mit Hilfe des Gyroskops (Bild angelehnt an [7]) vier mal vier Millimeter klein sein. Um die Lage zu bestimmen, nutzt der Sensor die bereits erwähnte Corioliskraft und das Stimmgabelprinzip[29]. Beim Stimmgabelprinzip vibrieren die Gabelfinger linear entlang einer Achse. Wenn die Gabel um ihr Zentrum rotiert wird nehmen die Gabelfinger eine Drehmoment Kraft wahr, die die Gabelfinger biegt. Die Beugung kann auf verschiedene Art und Weise gemessen werden. Der verbreitetste Weg ist die Erfassung der Kapazität. Wenn das Smartphone rotiert wird, erzeugt die Corioliskraft eine Bewegung der Platinenmasse nach oben und unten. Die Kapazität zwischen der Platinenmassen und der Trägerschicht kann gemessen werden Kompass Der Kompass dient schon seit vielen Jahrhunderten als wichtigstes Instrument für die Orientierung. Mit Hilfe des Kompasses lässt sich die Himmelsrichtung bestimmen. Im Smartphone wird ein digitaler Kompass verbaut, der auch Magnetometer genannt wird. Er misst die Stärke des Magnetfelds der Erde. Anhand dieser Daten kann bestimmt werden, wo sich der magnetische Norden befindet. Das kann der Magnetometer mit Hilfe des Beschleunigungssensors. Nur mit dessen Hilfe bekommt er die Informationen über die Richtung der Schwerkraft, wodurch er die Himmelsrichtung bestimmen kann. Technisch gesehen, wird eine metallische Platte im Inneren des Sensors unter Strom gesetzt. Auf diese Platte wirkt die sogenannte Lorentzkraft, deren Stärke abhängig ist von der Stärke des magnetischen Feldes. Der Magnetometer misst dies entweder elektrisch oder optisch und kann dadurch die Himmelsrichtung bestimmen. Ein Magnetometer kann allerdings nicht zwischen dem Magnetfeld der Erde oder anderen Magnetfeldern unterscheiden. Magnetfelder in der Umgebung können also die gemessenen Werte verfälschen. Dadurch kann die tatsächliche Richtung nicht angezeigt werden.

22 3 Stand der Technik - Technologien zur Positionierung in Gebäuden 18 3 Stand der Technik - Technologien zur Positionierung in Gebäuden Die Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden funktioniert dank GPS (Global Positioning System) sehr gut und wird sehr häufig für die Navigation verwendet. In vielen Autos sind Navigationsgeräte mittlerweile zur Standardausstattung geworden. Damit werden Autofahrer entspannt zu ihrem Ziel geführt. Auch Fußgänger haben seit einigen Jahren die Möglichkeit, dank der immer wachsenden Zahl an Smartphones, ihr Ziel in einer fremden Stadt oder Umgebung leicht zu finden. Anstatt wie früher die Menschen nach dem Weg zu fragen, der sich nicht immer als der richtige herausstellen kann, ist das mobile Navigationsgerät immer mit dabei. Dank Kartendiensten wie Google Maps oder Apple Maps, die auf den meisten Smartphones installiert sind, lässt sich die eigene Position ermitteln und eine Navigationsführung starten. GPS funktioniert sehr gut in offenen Bereichen, wo die Genauigkeit von bis zu 10 Metern vollkommen ausreichend ist um das Ziel zu finden. In Gebäuden allerdings ist diese Technik ungeeignet, da die Signale der Satelliten die Gebäude nicht ausreichend durchdringen können, um eine verlässliche Positionsbestimmung zu ermöglichen. Aus diesem Grund müssen andere Technologien für die Positionsbestimmung in Gebäuden verwendet werden. Dieses Kapitel stellt den Stand der Technik vor. Abbildung 10 zeigt eine Gliederung der im Folgenden vorgestellten Technologien. Gegliedert werden die Technologien nach RF-basierten Technologien, die auf Radio-Frequenzen basieren und nach Nicht-RF-basierte Technologien. Bei RF-basierten Technologien wird die Signalstärke zu den Basisstationen gemessen und die Entfernung abgeleitet. Dazu gehören WLAN, Bluetooth und RFID Technologien. Abbildung 10: Technologien zur Positionierung in Gebäuden [29] Bei den Nicht-RF-basierten Technologien werden Ansätze vorgestellt, die auf Akustik basieren oder, von einem bestimmten Punkt ausgehend, sich auf Sensoren verlassen. Auch traditionelle Systeme wie Karten und Beschilderungen gehören in diesem Abschnitt.

23 3 Stand der Technik - Technologien zur Positionierung in Gebäuden RF-basierte Technologien WLAN Die WLAN Technologie ist weit verbreitet und wird in vielen Gebäuden (Hotels, Flughäfen, Einkaufszentren) eingesetzt, um vielen Menschen einen Internetzugang anzubieten. Ein WLAN System besteht aus mehreren Access Points (AP), die an mehreren Standorten in einem Gebäude angebracht sind. Die APs sind Geräte, über die sich Computer oder Smartphones drahtlos mit einem Netzwerk verbinden können. Durch die Tatsache, dass diese Technologie so weit verbreitet und eine Infrastruktur meistens schon vorhanden ist, wird diese Technologie für die Positionsbestimmung in vielen Arbeiten und Systemen verwendet. Die Positionsbestimmung durch die WLAN-Technologie kann in zwei Kategorien aufgeteilt werden. Die erste basiert auf die Wellenausbreitung und beruht auf die Berechnung der Distanz zwischen Sender und Empfänger, wobei die Position vom Sender (AP) bekannt sein muss. Dieser Ansatz wird jedoch nur noch selten benutzt. Bei der zweiten Kategorie wird eine RadioMap verwendet. Dabei werden im Vorfeld Messungen von Signalstärken der APs von vielen verschiedenen Positionen im Gebäude vorgenommen und in einer RadioMap gesichert. Um ein Gerät anschließend lokalisieren zu können, muss die aktuell gemessene Signalstärke mit den Referenzwerten der RadioMap verglichen werden und die Position daraus berechnet werden. Dabei gibt es zwei Arten, wie eine Übereinstimmung zwischen gemessenen und gespeicherten Werten erfolgen kann: deterministisch und probabilistisch. Bei deterministischen Techniken wird ein Gebiet in viele kleine Zellen aufgeteilt und von jeder dieser Zellen werden Messungen vorgenommen und gespeichert. In der Phase der Positionsbestimmung wird die Zelle, die am besten passt, als Position ausgewählt. Bei der probabilistischen Technik findet die Positionsbestimmung des Benutzers mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsverteilung während seiner Bewegung statt [41]. Das System RADAR [8] eines Microsoft Research Teams nutzt WLAN Access Points, deren Position bekannt ist um den Standort des Empfängers zu ermitteln. Dabei wird das deterministische Fingerprint-Verfahren verwendet, um die Position zu ermitteln. Es werden in einer ersten Phase von verschiedenen Positionen die Signalstärken gemessen, um sie anschließend in der Phase der realen Positionsbestimmung als Referenzwerte zu verwenden. Das Prinzip des Fingerprintings wird im Kapitel näher erläutert. Das System erreicht eine durchschnittliche Genauigkeit von zwei bis drei Metern. Das Horus-System [54] dagegen setzt auf die probabilistische Technik zur Positionsbestimmung. Hier wird versucht aufgrund einer Wahrscheinlichkeitsverteilung die Position zu der empfangenen Signalstärke zu finden, die am besten passt. Dabei wird ein sehr leichtgewichtiger Algorithmus von den Autoren verwendet, der die Berechnung der Position auf dem Smartphone durchführen kann. Die Autoren geben an, dass ihr Ansatz eine Genauigkeit von 1,4 m erreichen kann.

24 3 Stand der Technik - Technologien zur Positionierung in Gebäuden 20 Die Probleme dieser Technologie liegen bei der Verwendung von Signalstärken zur Distanzmessung. Die Schwankungen der Signalstärkungen sind nicht nur den statischen Faktoren unterworfen, wie den unterschiedlichen Gebäudematerialien, sondern auch dynamischen Faktoren. Dazu gehören die Anwesenheit von Menschen oder ob Türen geöffnet oder geschlossen sind. Dass sorgt für Schwankungen bei den Signalstärken und führt zu Abweichungen der Position[29]. Weiterhin ist der Aufwand zum Erstellen einer RadioMap sehr hoch. Es muss berücksichtigt werden, dass jedes Mal, wenn ein AP hinzugefügt oder entfernt wird, neue Messungen vorgenommen werden müssen Bluetooth Bei der Bluetooth Technologie sind die Reichweiten und Signalstärken geringer als bei WLAN. Daher wird es häufig als Wireless Personal Area Network klassifiziert. Es wird meistens dazu verwendet, um Verbindungen zwischen den verschiedenen Geräten, wie Smartphones, Laptops und Kameras auf engstem Raum herzustellen. Doch auch für die Positionsbestimmung wird die Technologie in verschiedenen Arbeiten berücksichtigt. Bei der Arbeit von Zhou und Pollard [55]aus dem Jahr 2006 wird der Einsatz von Bluetooth-fähigen Geräten getestet. Dabei kommt die Signalstärke (RSSI) zum Einsatz, die für die Schätzung des Abstandes zwischen Sender und Empfänger verwendet wird. Zur Abbildung der Abschwächung der Signalstärke bei zunehmenden Abstand zum Sender, wurde von den Autoren das Wellenausbreitungsmodell benutzt. In zwei Testfällen wurde der Abstand zum Sender immer wieder um 10 cm vergrößert und anhand der RSSI-Werte mit dem beschriebenen Modell geschätzt. Der zweite Testfall unterschied sich dadurch, dass dieser direkt neben einer langen Heizungsfront verlief. Dies führte zu erhöhtem Mehrwegempfang und damit zu Interferenzen. Das wurde auch in den Testergebnissen sichtbar. Der durchschnittliche Fehler lag beim Testfall 1 bei 0,91 m und beim Testfall 2 bei 1,31 m. Die Autoren gaben an, dass die Genauigkeit u.a. von den RSSI-Werten und einem möglichst geringem Vorkommen von Interferenzen abhängt. Darüber hinaus benötigt Bluetooth, aufgrund der geringen Reichweite (ca. 10 m) mehr Funkzellen als WLAN um den gleichen Bereich abzudecken. Auch diese Technologie hat mit den gleichen Problemen zu kämpfen wie WLAN RFID Die RFID Technologie gewann im letzten Jahrzehnt immer mehr an Bedeutung, vor allem als Ersatz für Barcodes und für das Verfolgen von Objekten und Inventar in einer Vielzahl von Applikationen [24]. Ein RFID System besteht aus einem Transponder, im Folgenden als RFID Tag bezeichnet, und einem Lesegerät zum Auslesen der Kennung eines RFID Tags. Es gibt passive und aktive RFID Tags. Der einfachste Fall sind passive RFID Tags, die mit Barcodes zu vergleichen sind. Sie benötigen kein Strom und werden vom Lesegerät einfach abgescannt, wodurch sie ihre Identifikation preisgeben.

25 3 Stand der Technik - Technologien zur Positionierung in Gebäuden 21 Aktive RFID Tags haben ihre eigene Stromquelle und können ihre Signale so auf eigene Weise an die Lesegeräte übertragen. Der Nachteil dieser Technologie ist, dass derzeitige Smartphones keine aktiven RFID Tags auslesen können. Die RFID Technologie könnte jedoch auch für die Positionsbestimmung verwendet werden. Dabei kann dies auf den näherungsbasierten Ansatz (Proximity) geschehen[29]. Hier kann die Anzahl an RFID Tags die Genauigkeit der Position bestimmen. Je mehr RFID Tags im Gebäude verteilt werden, desto öfter kann eine Person seine Position bestimmen, in dem das Lesegerät die RFID Tags liest und dadurch seine Position im Gebäude angezeigt bekommt. Im Moment ist die Technologie jedoch nicht reif genug um allein für die Positionsbestimmung verwendet zu werden. Sie wird in der Regel in Kombination mit anderen Technologien verwendet. Interessierte Leser werden auf die Literatur verwiesen[9]. 3.2 Nicht-RF-basierte Technologien Akustische Positionierung Die akustische Positionierung basiert auf Ultraschall, um Objekte in einem Gebäude zu lokalisieren. Das Projekt Active Bat [53] aus dem Jahr 1997 verwendete dabei die Übertragungszeit der Ultraschallwellen zwischen Sender und Empfänger, um die Entfernung von Objekten zu messen. Das System konnte eine Genauigkeit der Position von wenigen Zentimetern Abweichung erreichen. So einen guten Wert konnte mit den RF-basierten Technologien nicht erreicht werden. Dennoch hat diese Technologie einige entscheidende Nachteile, auf Grund dessen es für die Indoor-Navigation nicht eingesetzt werden kann. Der erste Grund ist, dass Ultraschall oder auch Geräusche Wände nicht durchdringen können und typischerweise eine Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger benötigen. Der zweite Nachteil ist die fehlende Ausstattung dieser Technologie in Smartphones. Es gibt kein Smartphone, das die Ultraschall Technologie unterstützt. Weitere Nachteile sind, dass immer nur ein Objekt zur gleichen Zeit lokalisiert werden kann [30] und die Empfindlichkeit von Ultraschall Geräuschen, z.b. Störung durch dauerndes Klicken eines Gerätes Inertiale Navigation Inertiale Navigation basiert auf dem Ansatz der relativen Positionsbestimmung. Dabei ist zwingend notwendig, dass die Startposition bekannt ist. Anschließend wird die Bewegung des Objektes berücksichtigt hinsichtlich der Geschwindigkeit, Distanz und Richtung, um die neue Position zu berechnen. Smartphones enthalten mittlerweile standardmäßig einen Beschleunigungssensor, der für die Ermittlung der Schrittanzahl verwendet werden kann. Weiterhin wird bei diesem Ansatz der digitale Kompass verwendet, um die Himmelsrichtung zu ermitteln.

26 3 Stand der Technik - Technologien zur Positionierung in Gebäuden 22 Ein Beispiel dieses Ansatzes ist die Arbeit von Beauregard und Haas [11]. In dieser Arbeit kombinieren die Autoren die GPS Technologie mit der Inertialen Navigation. Dabei wird die GPS Technologie solange für die Positionsbestimmung verwendet, bis der Benutzer ein Gebäude betritt. Ab diesem Zeitpunkt dienen die verschiedenen Sensoren dazu, die Bewegungen der Person zu erkennen und daraus die nächsten Positionen zu ermitteln. Ein neurales Netzwerk wurde erstellt, um ein Modell zu bilden, das die Anzahl der Schritte anhand der Daten des Beschleunigungssensors misst. Die Genauigkeit der Positionierung wurde als 10 Meter Abweichung nach einem ein Kilometer langen Spaziergang angegeben Beschilderung und Karten Weniger eine Technologie als eine Methode zur Orientierung in Gebäuden ist die Verwendung von Schildern und Karten in einem Gebäude. Es ist die meist genutzte Methode zur Navigation in Gebäuden. Der Vorteil dieser Methode ist, dass sie keine zusätzliche Infrastruktur wie Strom, Geräte, digitale Verarbeitung oder Datenbanken benötigt. Die meisten Einkaufszentren stellen Karten auf, auf denen das gesamte Gebäude mit den verschiedenen Ebenen und den Geschäften angezeigt wird. Häufig wird durch eine Markierung angezeigt, wo sich der aktuelle Standort des auf die Karte schauenden Besuchers befindet. Doch es gibt auch einen anderen Ansatz um Schilder und Karten für die Navigation und Positionierung zu verwenden. Beim einem Ansatz [40] wird die Smartphone Kamera dazu verwendet, um Markierungszeichen abzuscannen. Diese Zeichen sind so ähnlich wie Quick Response- oder QR-Codes, eine Art Strichcode, und werden an verschiedenen Bereichen im Gebäude angebracht. Dazu werden Informationen über den Standort im Markierungszeichen hinterlegt, das einzigartig ist. Durch eine Applikation kann ein Benutzer dieses Zeichen mit seiner Smartphone Kamera abscannen und erhält dadurch seine genaue Position im Gebäude angezeigt. Eine komplette geführte Navigation ist dadurch nicht möglich, jedoch ist diese Methode einfach zu implementieren und kostengünstig zu realisieren.

27 4 Marktanalyse ibeacon Hardware 23 4 Marktanalyse ibeacon Hardware Im vorherigen Kapitel wurden verschiedene Technologien vorgestellt, die für die Positionsbestimmung in Gebäuden verwendet werden. Jedoch ist festzustellen, dass sich keines der Technologien bisher komplett durchsetzten konnte. Aus diesem Grund soll in dieser Arbeit die neue spannende ibeacon-technologie auf ihre Eignung hin untersucht werden. In diesem Kapitel werden mehrere Hersteller von ibeacon Hardware vorgestellt und die dazugehörigen Produkte analysiert. In der Abbildung 11 sind alle Beacon nach der Größe geordnet dieser Analyse zu sehen. Ausgewählt wurden Produkte, die in Deutschland erworben werden können und das ibeacon Profil unterstützen. Des Weiteren wurden nur Beacons betrachtet, die über eine Batterie betrieben werden können. Abbildung 11: Analysierte ibeacon Geräte nach der Größe geordnet: a) Bluuki Smart- Beacon S [15], b) Estimote Beacon [22], c) OnyxBeacon One [42], d) Kontakt.io Smart Beacon [34], e) BeaconInside Beacon[10] 4.1 Estimote Estimote vertreibt seine Beacon im Developer Kit, bestehend aus drei Geräten. Die Estimote Homepage verfügt über eine sehr gute Dokumentation, mit vielen Erklärungen, Tutorials, Referenzen zu SDKs und einem Community Portal mit einem Forum und einem Blog Estimote[22]. Lebensdauer Estimote verspricht eine Batterielaufzeit von bis zu drei Jahren bei Einhaltung der Standardeinstellungen (Reichweite 15 Meter, 950 ms Sendeintervall). Eingesetzt wird eine Knopfzellen-Batterie, die nicht ausgewechselt werden kann, da das Gehäuse komplett umhüllt ist. Es müssen neue Beacons gekauft werden, wenn die Batterie leer

28 4 Marktanalyse ibeacon Hardware 24 ist. Des Weiteren gibt es auch nicht die Möglichkeit dieses Beacon über eine externe Stromversorgung (z.b. über USB) zu betreiben. Sicherheit Es gibt zwei Ebenen der Sicherheit bei Verwendung von Estimote Beacons: Authentifikation und SecureUUID. Jedes Beacon ist automatisch in der Estimote Cloud registriert und seinem Besitzer anhand der beim Kauf angegebenen Adresse zugeordnet. Nur der Besitzer ist in der Lage Einstellungen des Beacon zu verändern. Dazu muss er sich mit seinem Account in der Estimote Cloud anmelden. Das Aktivieren der SecureUUID bewirkt ein rotieren der Beacon IDs (UUID, Major und Minor). Dadurch werden regelmäßig die IDs der Beacon Geräte verändert. Der einzige Weg die IDs zu entschlüsseln, ist der Zugang zur Estimote Cloud. Sensoren Das Beacon von Estimote beinhaltet einen Temperatur- und einen Beschleunigungssensor. Der Beschleunigungssensor erkennt, wenn das Beacon in Bewegung ist und bietet dem Entwickler weiteren Kontext bei der Entwicklung einer App. Konfiguration Die Einstellungen der Beacon können über die Estimote Cloud (Website oder Estimote App für ios/android) geändert werden. Reichweite Die Reichweite der Beacon Signale kann auf bis zu 70 Meter erhöht werden. Die Standardeinstellung der Reichweite liegt bei 10 Metern. Größe Die Größe der Estimote Beacon beträgt 54 mm x 36 mm x 17 mm. SDK Es werden SDKs für die Betriebssysteme ios und Android zur Verfügung gestellt, mit guten Anleitungen und Beispielen [23]. 4.2 OnyxBeacon OnyxBeacon [42] hat zwei verschiedene Beacon Geräte im Sortiment. Das größere Enterprise Beacon für Unternehmenseinsätze und das kleinere Beacon One, die sich im

29 4 Marktanalyse ibeacon Hardware 25 Prinzip nur in der Art der Stromversorgung unterscheiden, abgesehen von der Größe und dem Preis. Für die Marktanalyse wird das Beacon One betrachtet. Lebensdauer Das Beacon One verfügt über eine Knopfzellen Batterie, die auch leicht ausgetauscht werden kann. Die Lebensdauer wird vom Hersteller auf ein Jahr geschätzt. Es gibt vom Hersteller keine Angaben, welches Sendeintervall standardmäßig eingestellt ist. Eine externe Stromversorgung ist nicht vorhanden. Sicherheit Für die Sicherheit wird eine Kombination aus AES-128-Bit Verschlüsselung und MAC (Message Authentication Code) gewährleistet. Das bezieht sich auf die Konfiguration der Beacons, in erster Linie zur Konfiguration von großen Installationen. Sensoren Das Beacon One verfügt über keine Sensoren. Konfiguration Das Konfigurationspaket wird immer verschlüsselt mit AES-128 Bit. Das Paket enthält immer ein MAC zur Überprüfung. Die privaten Schlüssel sind im Beacon und im CMS gespeichert. Eine neue Konfiguration kann auf dem Smartphone oder im CMS erstellt werden. Reichweite Der Hersteller verspricht eine Reichweite von bis zu 70 Metern. Größe Der maximale Durchmesser beträgt 54 mm und die maximale Höhe 12 mm. SDK Es werden SDKs sowohl für das ios als auch für das Android Betriebssystem zur Verfügung gestellt. 4.3 Blukii Blukii ist eine offene Hardware-Plattform der deutschen Firma Schneider[15] aus dem Schwarzwald. Sie vertreiben viele verschiedene Beacon Geräte, vom Kugelschreiber bis SmartBeacons für das Auto. In der Analyse wird das SmartBeacon S untersucht, da es

30 4 Marktanalyse ibeacon Hardware 26 sich in der gleichen Preisklasse wie alle anderen untersuchten Beacons befindet und zu den klassischen Beacons zählt. Lebensdauer Die Lebensdauer des Blukii SmartBeacon S ist eines der größten Schwächen dieses Geräts. Es wird eine Knopfzellen-Batterie verwendet. Die Batterie hält bei einem Sendeintervall von einer Sekunde nur 100 Tage. Durch das Setzen von festen Zeiten, in denen das Beacon Daten senden soll, kann die Lebensdauer erhöht werden. Eine externe Stromversorgung ist bei diesem Gerät nicht möglich. Sicherheit Laut Beschreibung[44] wird ein Pairingkey verwendet, um Einstellungen des Beacon ändern zu ändern. Dazu muss es zusätzlich in den Settings-Modus gesetzt werden. Damit wird verhindert, dass unbefugte einfach die Einstellungen ändern können. Sensoren Das Blukii SmartBeacon S verfügt über einen Temperatur- und Beschleunigungssensor. Mit Hilfe des Beschleunigungssensors lässt sich zwischen verschiedenen Modi wechseln. Es gibt einen stromsparenden Modus, einen Settings-Modus und einen Beacon-Modus. Der Beacon-Modus ist ein normaler Modus, in dem das Beacon Daten sendet. Im stromsparenden Modus können individuelle Zeiten für jeden Tag festgelegt werden. Zum Beispiel kann eingestellt werden, dass in der Nacht keine Daten gesendet werden sollen. So lässt sich die Lebensdauer erhöhen. Konfiguration Das Beacon lässt sich durch ein Schütteln u.a. in den Settings-Modus schalten. Dadurch lassen sich die nachfolgenden Parameter ändern: Advertising Interval, Broadcasting Power, UUID, Major ID, Minor ID und Pairingkey zum Ändern der Einstellungen. Reichweite Die maximale Reichweite des Beacon beträgt 20 Meter. Größe Der Durchmesser beträgt 22 mm und die Höhe 7 mm. Es ist das kleinste Beacon im diesem Vergleich. SDK Es werden keine SDKs zur Verfügung gestellt.

31 4 Marktanalyse ibeacon Hardware Kontakt.io Der amerikanische Hersteller Kontakt.io bietet seine ibeacons [34] auch in Europa an. In der Analyse wird das sogenannte Smart Beacon betrachtet. Lebensdauer Das Smart Beacon von Kontakt.io besitzt eine Knopfzellen Batterie, die ausgetauscht werden kann. Der Hersteller gibt eine Lebensdauer von bis zu zwei Jahren an beim Verwenden der Standardeinstellungen (Advertising Intervall 350ms). Eine Möglichkeit der externen Stromversorgung hat das Smart Beacon nicht. Sicherheit Die Beacons besitzen ein Software Lock, wodurch sie nicht ausgelesen werden können. Ein Angreifer hat keine Möglichkeit die Daten manuell auszulesen. Sensoren Die Smart Beacon von Kontakt.io besitzen keine Sensoren. Konfiguration Die Konfiguration der Smart Beacon von Kontakt.io geschieht über eine Weboberfläche. Über eine Cloud können die Einstellungen aller Beacons überprüft und geändert werden. Reichweite Die maximale Reichweite des Smart Beacon beträgt 70 Meter. Größe Der Durchmesser beträgt 55 mm und die Höhe 15 mm. SDK Es werden SDKs für Android und ios zur Verfügung gestellt. 4.5 BEACONinside BEACONinside ist ein deutscher Hersteller, auf den viele namhafte Unternehmen (Fujitsu, Frauenhofer, SAP) vertrauen [10]. Es vertreibt aktuell ein ibeacon.

32 4 Marktanalyse ibeacon Hardware 28 Lebensdauer Das Beacon von dem Hersteller BEACONinside hat zwei Optionen zur Stromversorgung. Es lässt sich über Mikro-USB mit Strom versorgen oder über zwei Batterien des Typs AAA. Die Lebensdauer der Batterien beträgt ein Jahr (Sendeintervall 400ms). Sicherheit Zum Schutz des unerlaubten Konfigurierens der ibeacons wird der Bluetooth Pairing Prozess verwendet. Dabei wird ein Passwort benötigt, bevor die Daten verändert werden können. Sensoren Das Beacon verfügt über einen Temperatursensor. Konfiguration Die Konfiguration der Beacons erfolgt durch den Bluetooth Pairing Prozess. Dabei muss der Administrator das Beacon Passwort eingeben, wenn er Einstellungen verändern will. Das Passwort kann über die App des Herstellers geändert werden. Reichweite Die maximale Reichweite des Beacon beträgt 40 Meter. Größe Der maximale Durchmesser beträgt 80 mm und die Höhe 22,5 mm. SDK BEACONinside bietet SDKs sowohl für die Android als auch für die ios Plattform. 4.6 Fazit und Auswahl In diesem Abschnitt sollen die bisher beschriebenen ibeacon Geräte noch einmal kurz zusammengefasst werden und anschließend das für diese Masterarbeit geeignetste Gerät ausgewählt werden. Bei der Lebensdauer haben die Beacons von Estimote beim Verwenden der Standardeinstellungen den höchsten Wert. Sie halten laut Hersteller bis zu drei Jahre. Jedoch muss berücksichtigt werden, dass die Beacons nach Ablauf der Batterie komplett entsorgt werden müssen, weil sich die Batterie nicht wechseln lässt. Die schwächste Lebensdauer haben die Blukii Smart Beacon der Firma Schneider. Sie halten nur rund 100 Tage, danach müssen die Batterien ausgetauscht werden. Die Beacons der Firma

33 4 Marktanalyse ibeacon Hardware 29 BEACONinside sind hier hervorzuheben. Nicht wegen der durchschnittlichen Lebensdauer von einem Jahr, jedoch verfügen die Beacons als einzige im Vergleich über eine externe Stromversorgung. Dadurch lässt sich die Lebensdauer deutlich erhöhen und ein Batterieaustausch ist nicht notwendig. Alle Hersteller bieten eine Möglichkeit an die Parameter der Beacons zu verändern. Dabei wird meistens eine Authentifizierung des Administrators benötigt, entweder in Form eines Passworts oder bei Konfiguration über die Cloud zusätzlich durch einem Benutzernamen. OnyxBeacon gibt an, dass die Konfigurationspakete verschlüsselt übertragen werden und somit vor Manipulation von Dritten besser geschützt sind als die übrigen Geräte. Bei der Reichweite geben die meisten Hersteller eine Reichweite von bis zu 70 Metern an. Nur die SmartBeacons von Blukii haben eine relativ geringe Reichweite von 20 Metern. Das Beacon von BEACONinside gibt eine Reichweite von bis zu 40 Metern an. Eine höhere Reichweite ist nicht empfehlenswert, da das Signal einen weiten Weg bis zum Empfänger zurücklegen muss und die Wahrscheinlichkeit von Signaldämpfern, wie Menschen, Gegenständen und Wänden steigt. Fast alle Hersteller bieten für die beiden populärsten mobilen Betriebssysteme ios und Android SDKs zur einfachen Entwicklung von Anwendungen bereit. Die Ausnahme ist der Hersteller Schneider mit seinen Blukii SmartBeacons. Hier werden keine weiteren Werkzeuge zur Verfügung gestellt. Alle analysierten Beacon haben ihre Vor- und Nachteile. Ist der Sicherheitsaspekt an oberster Stelle, würde die Wahl auf Estimote oder OnyxBeacon fallen. Jedoch sollte ein Beacon ausgewählt werden, dass in der Gesamtheit am besten abschneidet und auch in der Zukunft von der Hochschule in Projekten verwendet werden kann. Am besten haben die Beacons der Berliner Firma BEACONinside abgeschnitten. Die Möglichkeit der externen Stromversorgung bietet eine lange Verwendungszeit ohne lästigen Austausch von Batterien. Eine gute Reichweite von bis zu 40 Metern ist für viele Anwendungen absolut ausreichend. Die Bereitstellung von SKDs für ios und Android ist eine gute Basis um die Möglichkeiten der Beacons schnell zu erkunden.

34 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 30 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation Für eine Navigation ist die Ortsbestimmung eines mobilen Endgeräts die zwingende Voraussetzung. In diesem Kapitel werden Lösungsverfahren vorgestellt, mit denen eine Ortung im Gebäude mit ibeacons stattfinden kann. Diese Lösungen werden bewertet und anschließend das geeignetste Verfahren für die Fallstudie ausgewählt. Anschließend wird anhand des ausgewählten Verfahrens, ein Konzept für die Indoor-Navigation mit ibeacons vorgestellt. Es wird beschrieben aus welchen Komponenten die Softwarearchitektur bestehen muss, um eine sinnvolle Navigation ermöglichen zu können. 5.1 Bewertungskriterien Um das geeignetste Verfahren zur Positionsbestimmung für diese Arbeit auszuwählen werden Kriterien zur Bewertung der vorgestellten Verfahren festgelegt: Genauigkeit - Ein Positionierungsverfahren sollte eine möglichst hohe Genauigkeit haben. Kalibrierung - Das Verfahren soll so einfach wie möglich implementiert und eingerichtet werden. Skalierbarkeit - Soll ein weiterer Bereich im Gebäude erschlossen werden, sollte der Aufwand für eine Erweiterung des Bereichs möglichst gering sein. Aktualität/ Reaktionszeit - Dieses Kriterium definiert wie häufig das System eine Position aktualisiert. Je schneller die Positionen aktualisiert werden, desto besser findet sich der Benutzer in einem unbekannten Gebäude zurecht. Robustheit - Das Verfahren soll möglichst robust gegenüber Veränderungen in der Umgebung sein. Zum Beispiel, wenn Möbel verschoben werden oder wenn sich plötzlich sehr viele Menschen im Gebäude befinden. 5.2 Lösungsverfahren zur Positionsbestimmung mit ibeacons Im folgenden Abschnitt werden verschiedene Lösungsverfahren zur Positionsbestimmung vorgestellt, bei denen ibeacons zum Einsatz kommen. Zu Beginn werden ausschließlich ibeacons zur Positionsbestimmung verwendet. Anschließend werden weitere Technologien in Kombination mit ibeacons betrachtet Trilateration Mit Hilfe des Laterationsverfahrens wird die Positionsbestimmung auf Basis von Abstandsmessungen durchgeführt. Wichtig bei dem Verfahren ist, dass die Position der

35 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 31 sendenden Objekte fest und bekannt ist. In dieser Arbeit sind die sendenden Objekte die ibeacons. Das zu ortende Objekt ist das Smartphone, dass sich frei im Raum bewegt. Die Abstandsmessung zu den ibeacons wird über die Signalstärke, auch als RSSI (Received Signal Strength Indicator) bekannt, möglich. Die Signalstärke sinkt mit steigendem Abstand zum ibeacon. Abbildung 12: Positionsbestimmung mit Hilfe von Lateration: Beispiel für ein (a), zwei (b) und drei (c) Basisstationen Die Abbildung 12 zeigt die Lateration mit unterschiedlicher Anzahl an sendenden Objekten. Im dem ersten Fall (a) der Abbildung 12 ist die Position eines ibeacons und der Abstand zum Smartphone bekannt. Der Abstand ist gleichzeitig auch der Radius, mit dem sich ein Kreis um das ibeacon bilden lässt. Daraus lässt sich jedoch nicht die genaue Position bestimmen. Diese kann sich an beliebiger Stelle des Kreises befinden. Durch ein zweites ibeacon (b) lässt sich die mögliche Position auf zwei Fälle eingrenzen. Dem Smartphone sind die Standpunkte der ibeacons, sowie die Abstände zu diesen bekannt. Die beiden Kreise bilden zwei Schnittpunkte, welche die möglichen Positionen des Smartphones sind. Ist es nicht möglich einen der beiden Punkte durch eine Schlussfolgerung auszuschließen, ist auch diese Alternative unbrauchbar und man benötigt ein weiteres ibeacon. In diesem Fall spricht man von Trilateration. Wie in der Abbildung 12 (c) zu sehen ist, lässt sich eine eindeutige Position durch den Schnittpunkt der drei Kreise bilden. Dadurch lässt sich die Position im Raum eindeutig bestimmen. Aus der Signalstärke lässt sich die Distanz anhand folgender Formeln ausrechnen, wobei die Formel eine Umformung der Gleichung ist : RSSI = (10nlog 10 d + A) (5.2.1)

36 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 32 d = 10 A rssi 10 n (5.2.2) A ist die absolute Signalstärke in dbm, welche der durchschnittliche RSSI Wert ist, der in einem Meter Abstand bei direktem Sichtkontakt zum ibeacon gemessen wurde. Die Variable n ist eine Konstante, die abhängig von der Umgebung ist. Um n zu bestimmen wird die Distanz d auf ein Meter gesetzt und die dazugehörige Signalstärke für A eingesetzt. Zur Bestimmung der Position lässt sich die euklidische Distanz verwenden: d M,R = (x R x M ) 2 + (y R y M ) 2 (5.2.3) mit (x M, y M ) = Position des Smartphones M (x R, y R ) = Position des ibeacons R d M,R = Distanz zwischen M und R Bewertung des Trilaterationsverfahrens Genauigkeit Die Genauigkeit beim Trilaterationsverfahren hängt einerseits von der Größe der Fläche ab, in der die Position ermittelt werden soll. Anderseits ist auch die Anzahl der eingesetzten ibeacons entscheidend. In [20] wurden zwei verschiedene Raumszenarien getestet, bei denen jeweils 5 Beacons eingesetzt wurden. In einer kleinen Umgebung (8 x 11 m) wurden Abweichungen von unter drei Metern registriert. Bei einer großen Fläche(20,5 x 16 x 25 m) wurden schlechtere Werte gemessen. Die Abweichung lag bei verschiedenen Messungen im Durchschnitt über fünf Metern. Kalibrierung Das Verfahren ist leicht zu implementieren. Aus den durchschnittlichen Signalstärken lässt sich die Distanz zu den ibeacons anhand der Gleichung berechnen. Es muss nur der Standort zu den ibeacons bekannt sein. Skalierbarkeit Trilateration lässt sich gut auf kleineren Flächen verwenden. Je größer das Gebäude, desto mehr ibeacons müssen eingesetzt werden damit möglichst viele Störfaktoren überwunden werden und die Signale nicht zu sehr verfälscht werden können. In einem größeren Gebäude müssen demnach eine hohe Anzahl an ibeacons angebracht werden, um die bereits erwähnten Abweichungen zu verringern.

37 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 33 Aktualität/ Reaktionszeit Alle ibeacons senden ihre Informationen mehrfach die Sekunde an alle Empfänger. Demnach kann die Position des Smartphones, abzüglich der Berechnungszeit, in der Regel jede Sekunde aktualisiert werden. Robustheit Das Verfahren ist abhängig von der Genauigkeit der Signalstärke. Sind plötzlich Hindernisse im Weg, werden die Signale abgeschwächt und es kommt zu großen Ungenauigkeiten. Das ist eine große Schwäche dieses Verfahrens Fingerprinting Ein weiteres Verfahren, dass für die Positionsbestimmung mit ibeacons in Frage kommt, ist das sogenannte Fingerprint-Verfahren. Bei diesem Verfahren muss die Position der ibeacons nicht bekannt sein. Fingerprinting wird innerhalb von 2 Phasen durchgeführt. Abbildung 13: Positionsbestimmung mit Hilfe von Fingerprint Offline-Phase In der ersten Phase, der Offline-Phase, wird ein Raster mit Punkten in der Region erstellt, die für die Navigation genutzt werden soll. Dazu wird an jedem Punkt des Rasters die Signalstärke (RSSI) aller erreichbaren ibeacons gemessen. Diese Informationen, genannt Fingerprint, beinhalten neben der Position im Raum auch die an dieser Stelle gemessene Signalstärke zu allen in der Umgebung befindlichen ibeacons. Die Abbildung 13 zeigt einen Raumplan, der aus einem Raster

38 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 34 von Punkten besteht. Dabei werden zu jedem Punkt des Rasters sämtliche erreichbare ibeacons und deren Signalstärke erfasst. Jeder Fingerprint wird in der Regel in einer Datenbank, der sogenannten Radio Map, gespeichert und dient als Vergleichswert für die echte Positionsbestimmung. Online-Phase Die zweite Phase wird Online-Phase genannt. Nachdem sämtliche Fingerprints der gewünschten Räume erstellt und abgespeichert worden sind, kann die eigentliche Positionsbestimmung erfolgen. Hierbei werden die aktuell empfangenen Signalstärken mit denen der Radio Map abgeglichen und versucht, möglichst eine genaue Position zu ermitteln. Welche Arten des Abgleichs es gibt wurde in Kapitel erläutert. Bewertung des Fingerprint-Verfahrens Genauigkeit Beim Fingerprint Verfahren werden bei gleichen Bedingungen zwischen der Offlineund der Online-Phase gute Werte erzielt. Gleiche Bedingungen sind z.b. leere Räume, Türen offen/geschlossen, etc. Dabei spielt die Größe des Raumes oder des Bereichs, in dem es eingesetzt wird, keine Rolle. Bei unterschiedlichen Bedingungen kann es zu größeren Abweichungen kommen und die genaue Position kann nicht ermittelt werden. Kalibrierung Der Aufwand für die Einrichtung ist sehr groß. In der Offline-Phase müssen viele Testwerte im Gebäude gespeichert werden. Der Zeitaufwand kann je nach Größe des Bereichs sehr intensiv werden. Skalierbarkeit Wird der Bereich für die Positionsbestimmung erweitert, so muss die Offline- Phase für diesen Bereich wiederholt werden. Werden die Messungen bei möglichst gleichen Bedingungen durchgeführt, ist der Aufwand überschaubar. Aktualität/ Reaktionszeit Es können gute Reaktionszeiten erzielt werden. Die aktuellen Werte müssen nur mit den Werten in der Datenbank abgeglichen werden. Anschließend kann die passende Position ausgegeben werden. Robustheit Verfälschte Signalstärken durch Hindernisse sind ein Hauptproblem dieses Verfahrens [2]. Gibt es bei der eigentlichen Phase der Positionsbestimmung andere Bedingungen, zum Beispiel Signaldämpfungen durch viele Menschen, wird die

39 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 35 berechnete Position von der realen, je nach Dämpfung, unterschiedlich stark abweichen Proximity Werden ibeacons in ihrer puren Form verwendet, fällt der Begriff Proximity (Nähe oder Näherung) sehr oft [26],[48],[16]. Es können Informationen ausgelesen werden, wie nah sich ein Smartphone zu einem ibeacon befindet. Im Kapitel wurden die vier verschiedenen Proximity Werte bereits vorgestellt. Werden die beiden Werte Immediate (Unmittelbar) oder Near (Nah) verwendet, können bereits Einschränkungen der Position auf bis zu zwei Metern erreicht werden. Voraussetzung ist, dass die Position aller im Gebäude befindlichen ibeacons bekannt ist. Abbildung 14: Verteilung der ibeacons in einem Gebäude für das Proximity-Verfahren In der Abbildung 14 ist eine mögliche Verteilung von ibeacons in einem Gebäude abgebildet. Die blauen Kreise zeigen dabei die ibeacons, die an Eingängen angebracht sind. Das sind alle möglichen Bereiche an denen Menschen vorbeigehen müssen, um in das Gebäude oder in die Etage zu gelangen. Dadurch ist es möglich dem Besucher eine Eingrenzung der eigenen Position auf der Karte anzuzeigen. Die orangefarbenen Kreise dienen als Erweiterung. Dabei werden zusätzliche ibeacons in einem gewissen Abstand an sogenannten HotSpots angebracht. Das sind Orte, an denen ein Besucher mit einer großen Wahrscheinlichkeit vorbeigehen könnte. So kann die Position des Besuchers öfter aktualisiert werden.

40 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 36 Bewertung des Proximity-Verfahrens Genauigkeit Die Genauigkeit der Position ist abhängig von der gewählten Proximity Region, der Region des ibeacons, die der Benutzer des Verfahrens betreten muss, um Signale vom ibeacon erhalten zu können. Dadurch hat er die Information, dass er sich in der Nähe zu einem bestimmten ibeacon befindet. Die Abweichung kann bei Feinjustierung weniger als einen halben Meter betragen oder bei gröberer Einstellung bis zu zwei Meter. Auch hier muss berücksichtigt werden, dass es bei Hindernissen zu Schwankungen bei der Signalstärke kommen kann und die Genauigkeit schlechter wird. Kalibrierung Die Einrichtung lässt sich in relativ kurzer Zeit erledigen. Die ibeacons müssen an den geplanten Positionen verteilt werden und in der Applikation zur Beobachtung eingetragen werden. Skalierbarkeit Bei Erweiterung des Gebiets, z.b. bei Erschließung einer neuen Etage, müssen weitere ibeacons installiert und registriert werden. Der Aufwand ist relativ gering. Aktualität/ Reaktionszeit Das ist der größte Schwachpunkt dieses Verfahrens. Die Position wird nur dann aktualisiert, wenn der Benutzer an einem bekannten ibeacon vorbeigeht. Dies ist von der Anzahl der eingesetzten ibeacons abhängig. Setzt man die ibeacons nur an den Eingängen ein, kann nur dort die Position angezeigt werden. Robustheit Wie alle Verfahren, die auf die Signalstärke setzen, sind auch hier die gleichen Schwächen vorhanden. Der Vorteil in diesem Verfahren ist, dass nur geringere Entfernungen zu den ibeacons betrachtet werden (z.b. unter zwei Metern). Die Wahrscheinlichkeit, dass Hindernisse im Weg sind, ist damit geringer als bei größeren Entfernungen Proximity in Verbindung mit Smartphone Sensoren Dieses Verfahren setzt auf den Ansatz aus Abschnitt an. Im gesamten Gebäude sollen weiterhin ibeacons an den HotSpots verteilt sein. Geht ein Besucher zum ersten Mal an einem der ibeacons vorbei, wird seine Position registriert und angezeigt. Seine Position ist gleichzeitig auch die Position des ibeacon, welches sich in unmittelbarer Umgebung zum Besucher befindet. Die Erweiterung dieses Ansatzes besteht nun darin, die weiteren Positionen des Besuchers anhand der vorhandenen Smartphone Sensoren zu berechnen, bis der Besucher an einem weiteren ibeacon vorbeigeht.

41 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 37 Abbildung 15: Proximity-Verfahren in Verbindung mit Sensoren des Smartphones Wie die verschiedenen ibeacons im Gebäude verteilt werden könnten, wird in der Abbildung 15 dargestellt. Die ibeacons markieren dadurch den Startpunkt der Positionsermittlung. Durch das Bekanntsein des Startpunkts vom Nutzer, ist die Voraussetzung gegeben, dass Sensoren verwendet werden können um die weitere Position zu bestimmen. Die in Abbildung 15 mit Textur hinterlegte Fläche zeigt an, in welchen Bereichen die Sensoren zur Positionsbestimmung verwendet werden können. Durch den Beschleunigungssensor können die Schritte des Nutzers registriert werden. Die Voraussetzung ist, dass der Nutzer das Smartphone in der Hand vor seinem Körper hält. In der Abbildung 9 des Kapitels ist das Koordinatensystem eines Smartphones abgebildet. Demnach würde ein Schritt durch einen Ausschlag in die positive Y-Achse, gefolgt durch einen Ausschlag in die negative Y-Achse erkannt werden. Der Kompass hilft die Richtung, in die sich der Besucher bewegt, zu ermitteln. Dieser Ansatz wird auch Inertiale Navigation genannt. Dabei wird ausgehend von einer bekannten Position, die nächstfolgende Position durch Bewegung (Geschwindigkeit, Distanz und Richtung) berechnet. In verschiedenen Arbeiten [13], [11],[18], [37] wurde bereits erläutert, wie man aus Rohdaten der verschiedenen Sensoren Schritte berechnen kann und anhand der Richtung die nächste Position bestimmt kann. Dabei konnten gute Ergebnisse erzielt wer-

42 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 38 den. Die Fehlerrate konnte beispielsweise bei einem Spaziergang von über vier Kilometer auf fast zwei Prozent reduziert werden[11]. Abbildung 16: Identifizierung eines Schrittes mit Vorwärtsbewegung und Rückwärtsbewegung[18] Die Abbildung 16 ist ein Auszug aus der Arbeit [18]. Hier konnten mit Hilfe des Beschleunigungssensors Schritte vorwärts und rückwärts identifiziert werden. Dabei wurde festgestellt, dass die Identifizierung eines Schrittes nur dann erfolgen musste, wenn der Graph innerhalb einer Sekunde einen bestimmten Ausschlag sowohl in die positive sowie negative Richtung beinhaltete. Dies wurde als Schritt nach vorne identifiziert. Der umgekehrte Fall stellte den Schritt rückwärts dar. Sobald die Schritterkennung gegeben ist, werden zwei weitere Faktoren benötigt um die nächste Position berechnen zu können. Zum Einen ist es die Länge eines Schrittes. Und zum Anderen die Richtung in die sich die Person bewegt. Mit Hilfe dieser Informationen und der letzten Position kann die weitere Position berechnet werden. Bewertung des Verfahrens Proximity in Verbindung mit Smartphone Sensoren Genauigkeit Das Verfahren kann eine Genauigkeit mit einer Abweichung von bis zu zwei Metern erzielen. Diese Abweichung beruht auf die initiale Positionsbestimmung durch die ibeacons, wobei hier schon eine gewisse Abweichung bestehen kann. Die Aktualisierung der Position durch die Sensoren konnte in mehreren Arbeiten [37], [11] gute Ergebnisse erzielen. Kalibrierung Die Einrichtung und Installation dieses Verfahrens ist relativ einfach. ibeacons müssen an den vorgesehenen Positionen angebracht werden. Dies sind die Ausgangspositionen für die Berechnung der weiteren Positionen, die durch Verwendung der Sensoren des Smartphones erfolgt.

43 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 39 Skalierbarkeit Das Verfahren lässt sich leicht und ohne großen Aufwand auf größere Flächen adaptieren. Es sollte nur darauf geachtet werden, dass in regelmäßigen Abständen die Positionen durch ibeacons bestätigt bzw. aktualisiert werden. Aktualität/ Reaktionszeit Das Berechnen der Schritte und Distanz aus den Sensoren benötigt eine gewisse Zeit. Aus diesem Grund kann die Position nur alle paar Sekunden aktualisiert werden. Robustheit Gegenüber Veränderungen in der Umgebung ist das Verfahren sehr robust. Es spielt keine Rolle wie viele Menschen sich im Gebäude befinden oder ob irgendwelche Signale durch Hindernisse abgeschwächt werden, da die in Betracht kommende Entfernung zu den ibeacons zu gering für Signaldämpfungen ist. 5.3 Bewertung der Lösungsverfahren Alle vorgestellten Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile in bestimmten Bereichen. Nichtsdestotrotz wurde anhand der Kriterien versucht sich ein Bild zu machen, welches Verfahren für die Fallstudie am geeignetsten sein könnte. Die Tabelle 3 gibt einen Überblick über die Bewertung der Verfahren. Trilateration Fingerprinting Proximity Proximity + Sensoren Genauigkeit o + o + Kalibirierung Skalierbarkeit o o + ++ Akt./ R.zeit o Robustheit Tabelle 3: Bewertung aller Verfahren Bei der Genauigkeit schneiden die beiden Verfahren Fingerprint und Proximity mit Sensoren am besten ab. Beim Fingerprint könnten bei gleichen Bedingungen gute Werte erzielt werden, weil in der Datenbank Vergleichswerte abgespeichert sind und die Position abgeglichen werden kann. Ebenfalls gute Ergebnisse kann die Lösung Proximity mit Sensoren erzielen. Hier konnten Arbeiten [37], [11] bestätigen, dass mit Sensoren die Position relativ genau berechnet werden kann. Im Punkt Kalibrierung schneiden fast alle Verfahren gut ab, da die Einrichtung und Implementierung der Verfahren relativ einfach ist. Nur beim Fingerprinting-Verfahren ist ein hoher Voraufwand zu leisten, der nicht unterschätzt werden darf. Je nach Größe des Gebäudes kann der Aufwand zum Messen der Signalstärken immens sein. Und sollte es dazu kommen, dass in dem Gebäude irgendwann unterschiedliche Bedingungen

44 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 40 herrschen als zur Aufnahmezeit der Vergleichswerte, müsste dieser Schritt wiederholt werden, damit korrekte Informationen ermittelt werden können. Das Verfahren Proximity mit Sensoren schneidet auch in dem Punkt Skalierbarkeit am besten ab. Der Aufwand ist minimal, wenn die Fläche der Positionsbestimmung vergrößert werden soll. Es benötigt in der Regel nur einige weitere ibeacons und die Speicherung derer Position. Mehr ibeacons müssten auch bei den Verfahren Trilateration und Fingerprinting angebracht werden. Bei der Trilateration sind das eine erhebliche Menge an ibeacons, die zusätzlich installiert werden müssen, da die Abstände zwischen den ibeacons nicht zu groß sein dürfen. Beim Fingerprinting kommt der hohe Aufwand der Offline-Phase hinzu. Die besten Verfahren bei der Aktualität und Reaktionszeit sind Trilateration und Fingerprinting. Die neuen Positionen können bei beiden Verfahren in sehr kurzer Zeit berechnet werden. Das Schlechteste bei diesem Punkt ist Proximity, da die Position des Nutzers nur angezeigt werden kann, wenn dieser sich gerade in der Nähe eines ibeacons befindet. Somit müssen eine hohe Anzahl an ibeacons in regelmäßigen Abständen im Gebäude angebracht werden damit der Nutzer eine gewisse Aktualität der Position erhält. Bei der Robustheit gegenüber Veränderungen in der Umgebung schneiden die Proximity Varianten am besten ab, da beide nicht mehr so viel auf die Signalstärke setzen, beziehungsweise die Distanz zwischen Nutzer und ibeacon gering sein kann, um die Position zu bestimmen. In einer kurzen Distanz von bis zu zwei Metern, können nicht viele Veränderungen in der Umgebung auftreten. Am meisten zu kämpfen mit Veränderungen in der Umgebung haben die Verfahren Trilateration und Fingerprinting. Beide setzen vollkommen auf die Signalstärke und wenn diese durch Wände, Möbel oder Personen gedämpft wird, haben beide Verfahren ein Problem. Werden nun alle Bewertungen betrachtet wird deutlich, dass ein Verfahren am meisten heraussticht. In allen Kriterien erreicht das Verfahren Proximity mit Sensoren solide bis sehr gute Werte. Es kann relativ leicht konfiguriert und eingerichtet werden. Sollte aus irgendeinem Grund die Umgebung für die Positionierung vergrößert werden, bringt das einen kaum erwähnenswerten Mehraufwand mit sich. Des Weiteren soll auch die Genauigkeit der Position gute Ergebnisse erzielen. Aus diesen Gründen wird dieses Verfahren für die Positionsbestimmung in dieser Arbeit ausgewählt. Weitere Verfahren wie die Kombination von ibeacon mit WLAN wurden nicht betrachtet, da beide Technologien zur Positionsbestimmung auf die Signalstärke setzen und somit beide dieselben Vor- und Nachteile in den bereits erwähnten Bewertungskriterien hätten. Aus diesem Grund wird eine Kombination beider Technologien nicht weiter betrachtet.

45 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation Entwurf des Konzepts zur Indoor-Navigation Anhand des ausgewählten Verfahrens "Proximity mit Smartphone Sensoren" soll in diesem Kapitel der Entwurf eines Konzepts für die Indoor-Navigation der Fallstudie vorgestellt werden. Zunächst werden Anforderungen an das zu implementierende System gestellt. In diesem Teil soll geklärt werden, welche Aufgaben die App übernehmen soll. Anschließend wird die Architektur der Software entwickelt und die einzelnen Komponenten und deren Zusammenspiel erläutert Anforderungen Genauigkeit der Positionsbestimmung Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde ein Prototyp entwickelt, der eine Indoor-Navigation in dem Gebäude der Fakultät IV der Hochschule Hannover ermöglichen soll. Die Navigation soll zunächst auf eine Etage beschränkt sein. Mit Hilfe des im vorherigen Kapitel ausgewählten Verfahrens soll die Position des Nutzers festgestellt werden können. Dazu sollen an allen Eingängen der Etage ibeacons angebracht werden. Dies sind die Bereiche an denen jeder Besucher der Hochschule vorbeigeht, um in die Etage zu gelangen. Er soll eine Nachricht erhalten, dass eine Navigation in dieser Etage möglich ist und hat die Möglichkeit die App zu öffnen. Anschließend soll die Karte der Gebäudes zu sehen sein, mit der aktuellen Etage und der Position des Nutzers der App. Es soll eine Genauigkeit der Position von bis zu drei Metern angestrebt werden. Das reicht dem Nutzer, um sich im Gebäude orientieren zu können und den Weg zu seinem Ziel zu finden. Hier soll noch einmal erwähnt werden, dass die exakte Positionsbestimmung nicht Ziel dieser Arbeit ist. Es sollen die Möglichkeiten zur Positionsbestimmung mit ibeacons getestet werden und evaluiert werden, ob eine Indoor-Navigation mit der Technologie möglich und sinnvoll ist. Dabei ist es vollkommen ausreichend, wenn das System dem Nutzer bei der Orientierung hilft und ihn zu seinem Ziel navigiert. Navigation zum Ziel Der Prototyp soll dem Nutzer mögliche Zielorte im Gebäude anzeigen können. Dazu sollen im System mögliche Zielorte hinterlegt werden. Der Nutzer hat die Möglichkeit in einer Suche den Zielort einzugeben. Auf Basis seiner aktuellen Position wird eine Route zum Zielort berechnet. Dabei gibt es verschiedene Algorithmen, um den kürzesten Pfad von einem Punkt zum Nächsten zu berechnen. Der bekannteste Algorithmus ist der Dijkstra Algorithmus[52]. Dieser Algorithmus berechnet von einem Startknoten aus die kürzesten Wege zu allen anderen Knoten. Der Vorteil dieses Algorithmus ist, dass immer ein optimales Ergebnis geliefert wird. Vorausgesetzt es sind keine negativen Gewichtungen im Graph vorhanden.

46 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 42 Ein weiterer Algorithmus zur Routenberechnung ist der Bellman-Ford Algorithmus. Eine Erläuterung zu diesem Algorithmus gibt es in [49] nachzulesen. Im Vergleich zu dem Dijkstra Algorithmus kann dieser auch mit negativen Gewichtungen umgehen. Der Nachteil ist die steigende Rechenkomplexität. In dieser Arbeit werden allerdings keine negativen Gewichtungen benötigt, wodurch dieser Algorithmus nicht weiter betrachtet wird. Ein weiterer möglicher Algorithmus ist der A*Algorithmus[51], der dem Dijkstra- Algorithmus sehr ähnlich ist. Allerdings geht dieser Algorithmus gezielter bei der Suche vor. Anstatt alle Wege zu allen Knoten zu berechnen, schließt dieser einige Wege aus, weil sie zum Beispiel in einer anderen Richtung liegen und somit der Weg über diese Knoten zum Ziel nicht der Kürzeste sein kann. Um genau die anderen Wege auszuschließen, muss eine sogenannte Schätzfunktion gefunden werden. Die Schätzfunktion entspricht in der Regel der geschätzten Distanz zum Zielknoten. In dieser Arbeit wird der bekannte Dijkstra Algorithmus verwendet, weil es nicht primär um die Laufzeit geht, sondern um die Funktion selbst. Da es sich um einen Prototypen handelt, wird der entwickelte Graph auch nicht sonderlich groß ausfallen, sodass die Laufzeitunterschiede nicht so sehr ins Gewicht fallen werden Softwarearchitektur Im Folgenden wird eine geeignete Softwarearchitektur mit den benötigten Komponenten für eine Indoor-Navigation mit ibeacon beschrieben. In der Abbildung 17 ist das Komponentendiagramm dargestellt, dass aus den Hauptkomponenten View, Gebäudedaten, Positionsbestimmung und Navigation besteht. Diese Komponenten werden im Einzelnen beschrieben. Gebäudedaten Die Komponente Gebäudedaten enthält sämtliche Informationen zum Gebäude (Position der Räume, Raumbelegung, etc.). Die Gebäudedaten werden als Graph gespeichert (siehe Abbildung 18). Dadurch lassen sich Routen berechnen. Die Daten werden von der Navigationskomponente zur Routenberechnung verwendet und von der View- Komponente zur Darstellung der Routensuche. Die Anzeige des Gebäudeplans übernehmen die bereits im Kapitel 2.2 erwähnten Indoor Maps von Google. Da der Gebäudeplan der Fakultät IV von der Hochschule Hannover bei Google Maps vorhanden ist, kann dieser auch verwendet werden um die Positionsbestimmung zu ermöglichen. Eine Voraussetzung ist allerdings eine Internetverbindung, da die Kartendaten nicht in der App gespeichert werden können und aus dem Internet heruntergeladen werden müssen. Positionsbestimmung Bei der Positionsbestimmung sollen verschiedene Daten verwendet werden. Einerseits

47 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 43 Abbildung 17: Komponentendiagramm für die geplante Indoor-Navigation mit ibeacon die Signaldaten, die von ibeacons gesendet werden und dadurch die Nähe ermittelt werden kann. Anderseits sollen die Sensordaten vom Smartphone dazu verwendet werden, um die Positionen zu berechnen wenn kein ibeacon in der Nähe ist. Aus den Daten des Beschleunigungssensors und des Gyroskops können Rückschlüsse auf die Geschwindigkeit und Distanz gemacht werden. Daraus lässt sich die Anzahl an Schritten berechnen. Um die Richtung der Distanz zu bestimmen wird der Kompass des Smartphones verwendet. Die Positionsdaten werden sowohl von der Navigationskomponente zur Routenberechnung genutzt als auch von der View-Komponente zur Darstellung auf der Karte. Navigation In der Komponente Navigation wird ein Algorithmus zur Routenfindung implementiert. Es existieren verschiedene Algorithmen um den kürzesten Weg von A nach B zu finden. Wie bereits erwähnt wird der Dijkstra-Algorithmus hierzu verwendet. Die

48 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 44 Gebäudedaten sollen als Graph gespeichert werden und können weitere Informationen beinhalten, wie z.b. Raumart und Personen, die den Raum als Büro nutzen. Die Gebäudedaten werden der View zur Verfügung gestellt, sodass Informationen der Räume auf der Karte angezeigt werden können. Abbildung 18: Erstellter Graph für die Navigation in der Hochschule Die Erstellung eines Graphen ist für die Navigation unabdingbar. Nur mit Hilfe eines Graphen kann der Dijkstra Algorithmus den kürzesten Weg zwischen zwei Punkten berechnen. In der Abbildung 18 ist der für diese Arbeit verwendete Graph abgebildet. Dabei gibt es drei unterschiedliche Arten von Knoten. Es gibt Knoten die auf Räume hinweisen. Diese werden als blaue Punkte in der Grafik dargestellt. Die Namen der Raumknoten beginnen mit einem R und enden mit der Raumnummer. Der Knoten des Poolraums 348 wird demnach als R348 hinterlegt. Alle Knoten, die sich im Flur der Etage befinden werden alphabetisch geordnet, gefolgt von der Ebene des Gebäudes, und im Graphen gespeichert. Da mehr Knoten als Buchstaben im Alphabet vorhanden sind, wird nach dem Z ein weiterer Buchstabe, beginnend bei A, z.b. AA3 verwendet. So können eine große Menge an Knoten für den Flur erstellt werden, ohne das die zwei Knoten dieselbe Bezeichnung haben.

49 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 45 Der letzte Knotentyp sind die Knoten, die auf Ausgänge hindeuten. Diese werden mit dem Präfix EX gefolgt von der Etagennummer und einer aufsteigenden Ziffer gespeichert, z.b. EX31. Abbildung 19: Gewichtungen des Graphen Das Konzept hinter diesem Graphen ist, dass jeder Ausgang eines Raumes mit einem Knoten verbunden ist. Dieser Knotenpunkt ist damit der Ausgangspunkt für die Navigation. Anhand dieses Punktes kann eine genauere Navigation ermöglicht werden. Wenn zum Beispiel der Weg zwischen zwei Punkten im Gebäude gering ist, der Weg zwischen zwei Knotenpunkten jedoch länger ist, wird eine ungenaue Routenführung angezeigt und der Weg ist dementsprechend länger als der tatsächliche Weg. In der Abbildung 19 sind die Gewichtungen des Graphen dargestellt. Zu sehen sind nur die Gewichtungen des Flures. Alle anderen Kanten haben das Standardgewicht von 1, da der Weg zwischen den beiden Knoten gering ist. Da es sich bei dem Gebäude um ein rechtwinkliges Gebäude handelt, wurde darauf geachtet, dass die Summe der beiden gegenüberliegenden Seiten gleich groß ist. Die Strecke zwischen A3 und I3 (siehe Abbildung 18 und 19) kommt auf die Summe von 18, genau wie die Strecke von AB3 zu V3. Auch in dem anderen Fall, der anderen gegenüberliegenden Seiten, haben beide

50 5 Konzept zum Einsatz von ibeacons für die Indoor-Navigation 46 Flure dieselbe Gewichtung: Die Strecke A3 zu AB3, sowie die Strecke I3 zu V3 haben dieselbe Gewichtung von 22. Dadurch gibt es zwei mögliche Wege um von einer Ecke in die andere Ecke zu gelangen. Das Zufallsprinzip muss in dem Fall entscheiden, welcher Weg dem Benutzer angezeigt werden soll. View Die Komponente View ist für die Darstellung verantwortlich. Die verschiedenen Funktionen sind in der Abbildung 20 zu sehen. Hier gibt es eine Sicht für die Indoor Map des Gebäudes (a), in dem die Positionsbestimmung erfolgen soll. Der Benutzer hat die Möglichkeit sich die Karte des Gebäudes anzuschauen. Des Weiteren wird seine eigene Position im Gebäude auf der Karte angezeigt. Es soll eine Möglichkeit vorhanden sein, dass der Benutzer sein Ziel eingeben kann (b) und eine Route vom aktuellen Standort zum Ziel berechnet wird. Die Route wird in einer Sicht auf der Karte (c) angezeigt. Abbildung 20: Darstellung des Prototypen: a) Normale Kartenansicht mit Position, b) Ansicht zur Routensuche, c) Kartenansicht mit Routendarstellung

51 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 47 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 6.1 Beschreibung der Fallstudie Für die Fallstudie wird das Gebäude der Fakultät IV - Wirtschaft und Informatik der Hochschule Hannover genutzt. Dabei werden auf einer Etage ibeacons installiert und der Gebäudeplan soll in der Applikation abgelegt werden. Die Fallstudie soll zeigen, dass eine Indoor-Navigation inklusive Positionsbestimmung mit der Technologie ibeacon realisiert werden kann. In dem vorherigen Abschnitt wurden verschiedene Verfahren vorgestellt, mit denen eine Positionsbestimmung erfolgen kann. Dabei wurde das Verfahren Proximity in Kombination mit Smartphone Sensoren als das geeignetste Verfahren für die Fallstudie ausgewählt. In diesem Abschnitt wird dieses Verfahren bei der Entwicklung eines Prototypen verwendet. Dabei soll herausgestellt werden, wie gut das Verfahren in der Realität funktioniert. 6.2 Prototypische Implementierung Entwicklungsumgebung Für die prototypische Implementierung wird ein iphone 6 mit dem aktuellen Betriebssystem ios 9 verwendet, weil die ibeacon-technologie eine gute Unterstützung für ios gewährleistet. Um eine App für das ios Betriebssystem entwickeln zu können, wird ein Mac benötigt, denn nur unter OS X - dem Betriebssystem des Mac - stehen die SDKs und Frameworks zur Entwicklung für ios zur Verfügung. Zur Entwicklung der App wird außerdem Xcode eingesetzt. Xcode ist die komplette IDE (Integrated Development Environment) von Apple zur Softwareentwicklung für ios und OS X. Es enthält alle Werkzeuge, die für die Entwicklung von Apps benötigt werden, inklusive aller SDKs und Simulatoren. Xcode ist kostenlos und lässt sich über den App Store des Mac herunterladen. Die Software für ios wird in den Sprachen Objective C und Swift geschrieben. Swift wurde erst im Juni 2014 als neue Programmiersprache vorgestellt. Es wird empfohlen [47] neue Apps mit Swift zu programmieren, weil es eine moderne und im Vergleich zu Objective C einfachere Sprache ist und diese in Zukunft auch ablösen soll. Aus diesen Gründen wird für die Programmierung des Prototypen die Sprache Swift verwendet.

52 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover Der Aufbau von ios Für die Entwicklung von Apps ist im Vorfeld wichtig zu wissen, wie dieses System aufgebaut ist und wie die Architektur aussieht. Aus diesem Grund wird das System kurz vorgestellt. Die vier Schichten von ios ios besteht aus vier Schichten (siehe Abbildung 21). Von unten nach oben aufgezählt wären das die Schichten Core OS, Core Services, Media und CocoaTouch. Der Entwickler verwendet verschiedene Funktionen der einzelnen Schichten, um seine Anwendung zu entwickeln. So werden auch in dieser Arbeit Frameworks und Funktionen aus diesen Schichten verwendet, um den Prototypen zu implementieren. Im Folgenden werden die verschiedenen Schichten vorgestellt: Abbildung 21: Die vier Schichten von ios, chronologisch geordnet von unten nach oben [5] Core OS Das Core OS ist die unterste Schicht des Systems. Es enthält die grundlegenden Funktionen und Frameworks zur Arbeit mit ios. In dieser Schicht befinden sich beispielsweise das Core Bluetooth, das Security und das External Accessory Framework. Ebenso enthält diese Schicht Frameworks für die Netzwerkkommunikation, Input/Output, Zugriffe auf das Dateisystem und mathematische Operationen. Es ist ein sehr wichtiges Framework, weil es das Fundament des Betriebssystems ist, jedoch werden meistens die darüber liegenden Schichten für die Entwicklung von ios Apps verwendet. Die anderen Schichten bauen auf Core OS auf und erlauben einen leichteren Zugang zu diesen Ressourcen. Core Services Die Core Services Schicht bietet grundlegende Dienste an und baut auf Core OS auf. Es enthält beispielsweise das Foundation Framework, das grundlegende Datentypen wie Strings, Arrays etc., Funktionen zur Berechnung von Datum und Uhrzeit und weitere Klassen liefert, die für die tägliche Arbeit benötigt werden.

53 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 49 Diese Schicht ist die wichtigste Schicht für diese Arbeit, denn Sie enthält die Frameworks Core Location und Core Motion. Das Core Location Framework bietet Zugang zu Kompassdaten, mit denen die Ausrichtung des Smartphones ausgelesen werden kann. Des Weiteren bietet das Framework Funktionen zum Monitoring und Ranging (siehe 2.1.1), um herauszufinden ob und welches ibeacon sich in der Nähe befindet. Das Core Motion Framework bietet Zugriff zu den Bewegungsdaten, die auf dem Gerät verfügbar sind. Es werden sowohl rohe Daten als auch verarbeitete Daten von dem Beschleunigungssensor und dem Gyroskop angeboten. Weiterhin befindet sich hier auch die Klasse Pedometer, in dem die Anzahl der Schritte direkt abgefragt werden kann. Media Diese Schicht bietet Frameworks zur Arbeit mit Bildern, Videos, Animationen und Audio. Hier finden Entwickler jede Menge Werkzeuge zur Arbeit mit Medien. Für diese Arbeit wird diese Schicht nicht benötigt. CocoaTouch Die oberste Schicht des Systems ist CocoaTouch. Es enthält alle Frameworks und Funktionen, um Apps für ios entwickeln zu können. Das Wichtigste dabei ist das UIKitFramework, welches verschiedene Views und Controller zum Erstellen von ios-apps enthält und sich damit um das komplette Aussehen und Design einer App kümmert. Zur Entwicklung vom ios-apps ist dieses Framework das Wichtigste und für grundlegende Apps auch ausreichend Systemkomponenten Die View-Controller Das ios Betriebssystem verwendet das Design Pattern MVC (Model View Controller) bei der Entwicklung einer App. MVC legt dabei fest, dass jede Klasse, die erstellt wird, einer der drei genannten Gruppen zuzuordnen ist. Das wurde in dieser Arbeit auch strikt eingehalten. Dabei übernehmen Klassen der Gruppe View die Aufgabe Dinge auf dem Display darzustellen. Die Gruppe Model kümmert sich um die Logik der App (Datenhaltung und -verarbeitung). Und die Controller Gruppe ist das Bindeglied zwischen Model und View. In der ios-entwicklung gibt es eine spezielle Art der Controller: die sogenannten View-Controller. Dabei handelt es sich um Klassen, die mit einer View gekoppelt sind. Wann immer eine View benötigt wird, die Interaktionen und andere Events enthält, wird ein entsprechender ViewConroller benötigt, der sich um die Ausführung der Aktionen kümmert. Der Prototyp enthält zwei Ansichten: eine für die Kartenansicht und eine für die Auswahl des Navigationsziels (siehe Abbildung 25). Diese beiden Ansichten wurden

54 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 50 mit dem Interface Builder erstellt. Mit dem Interface Builder können Ansichten in einer grafischen Oberfläche erstellt und alle benötigen Elemente per Drag & Drop platziert werden. Anschließend müssen Verbindungen zwischen den Elementen und dem dazugehörigen ViewControllern hergestellt werden, um Ansichten zu beeinflussen oder auf Events (Betätigen eines Buttons) zu reagieren. BeaconManager Der BeaconManager ist für die Verwaltung und Beobachtung der verwendeten ibeacons verantwortlich. Die verwendeten ibeacons werden in einer XML Datei (siehe Listing 1) gespeichert. 1 <?xml version=" 1.0"?> 2 <Beacons> 3 <Beacon> 4 <name>1</name> 5 <uuid>f0018b9b XXXX XXXX XXXX XXXXXXXXXXXX</ uuid> 6 <major>48948</ major> 7 <minor>63959</ minor> 8 <l a t i t u d e> </ l a t i t u d e> 9 <l o n g i t u d e> </ l o n g i t u d e> 10 </ Beacon> 11 <Beacon> 12 <name>2</name> 13 <uuid>f0018b9b XXXX XXXX XXXX XXXXXXXXXXXX</ uuid> 14 <major>14630</ major> 15 <minor>25004</ minor> 16 <l a t i t u d e> </ l a t i t u d e> 17 <l o n g i t u d e> </ l o n g i t u d e> 18 </ Beacon> </ Beacons> Listing 1: Verwaltung der verwendeten ibeacons in einer XML-Datei Es wird die Kennung jedes ibeacons (UUID, Major-ID, Minor-ID) sowie die GPS- Position gespeichert. Mit Hilfe dieser Informationen kann die App die Position eines Benutzers mit der Position des ibeacons abgleichen. Mit Hilfe eines XML Parsers, wird die XML Datei bearbeitet und die ibeacons als Objekte angelegt. Zur Verwendung der Monitoring Funktion wird mit Hilfe des CoreLocation-Frameworks eine Region definiert, auf die gehorcht werden soll. Mit Region ist nicht ein Bereich eines Radius in Metern gemeint sondern, ob das Smartphone Signale von einem oder mehreren definierten ibeacons empfängt. Betritt man mit dem iphone diese Region oder verlässt sie, wird eine entsprechende Methode aufgerufen. Die Region kann die UUID enthalten, dann wird auf alle ibeacons mit derselben UUID gehorcht oder es kann sogar bis auf ein einzelnes ibeacon angewendet werden, indem neben der UUID,

55 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 51 die Major-ID und die Minor-ID angegeben wird. In der Fallstudie wird einfachheitshalber auf alle ibeacons derselben UUID gehorcht. 1 l e t b e a c o n I d e n t i f i e r = "beaconinside" 2 l e t beaconuuid = NSUUID( 3 UUIDString : "F0018B9B -XXXX -XXXX -XXXX -XXXXXXXXXXXX" ) 4 5 l e t beaconregion = CLBeaconRegion ( proximityuuid : beaconuuid! 6, i d e n t i f i e r : b e a c o n I d e n t i f i e r ) 7 8 s e l f. locationmanager!. startmonitoringforregion ( beaconregion ) Listing 2: Definieren einer BeaconRegion und das "Horchen" starten Mit Hilfe der Klasse LocationManager aus dem CoreLocation-Framework kann die Monitoring Funktion mit der Methode startmonitoringforregion() gestartet werden (siehe Listing 2). Monitoring funktioniert auch im Hintergrund, wenn die App nicht geöffnet ist. In der Implementierung gibt es eine Methode, die eine Benachrichtigung verschickt, sobald der Benutzer Signale eines bekannten ibeacon erhält. In der Benachrichtigung wird der Benutzer gebeten sich zu einen der Eingänge der Etage zu begeben, damit er seine Position abgleichen kann und so eine Positionsbestimmung und auch eine Navigation stattfinden kann. Die Ranging Funktion wurde ebenfalls implementiert. Dadurch soll der Positionsabgleich stattfinden. Das bedeutet, es wird festgelegt in welchem Empfangsbereich (Proximity Werte) eines ibeacons sich das Smartphone befinden muss, damit eine Aktion ausgeführt werden kann. Es gibt vier verschiedene Proximity Werte, die als Enum-Werte abgefragt werden können. Die verschiedenen Proximity Werte wurden im Kapitel vorgestellt. Im Listing 3 wird die implementierte Ranging Funktion gezeigt. Mit startranging- BeaconsInRegion() wird die Ranging Funktion aktiviert. Sobald sich ibeacons im Empfangsbereich des Smartphones befinden wird die Methode didrangebeacons() aufgerufen, die ein Array mit allen ibeacons enthält, die sich im Empfangsbereich befinden. Das Array ist vorsortiert, dadurch ist das ibeacon, das sich am Nähesten am Smartphone befindet, an erster Stelle. Befindet es sich zudem in einem nahen Bereich, wird eine weitere Aktion ausgelöst. In diesem Fall wird der Controller benachrichtigt, der die Position des ibeacons als Position des Benutzers festlegt.

56 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 52 1 s e l f. locationmanager!. startrangingbeaconsinregion ( beaconregion ) 2 3 func locationmanager ( manager : CLLocationManager, 4 didrangebeacons beacons : [ CLBeacon ], 5 inregion r e g i o n : CLBeaconRegion ) { 6 7 i f ( beacons. count > 0) { 8 l e t nearestbeacon : CLBeacon = beacons [ 0 ] 9 10 var b e a c o n N o t i f i c a t i o n : N S N o t i f i c a t i o n? i f nearestbeacon. proximity == CLProximity. Near { 13 //Near : m 14 b e a c o n N o t i f i c a t i o n = 15 N S N o t i f i c a t i o n (name : "Beacon", o b j e c t : nearestbeacon ) } i f l e t n o t i f i c a t i o n = b e a c o n N o t i f i c a t i o n { 20 NSNotificationCenter. d e f a u l t C e n t e r ( ). 21 p o s t N o t i f i c a t i o n ( n o t i f i c a t i o n ) 22 } } 25 } Listing 3: Ranging Funktion MotionManager Neben den ibeacons kommen für die Positionsbestimmung in dieser Arbeit auch die Smartphone-Sensoren zum Einsatz. Wie im Abschnitt 2.3 erwähnt, können der Beschleunigungssensor, Gyroskop und digitale Kompass helfen, um Bewegungen eines Smartphones zu registrieren. Dabei kann abgeleitet werden, ob sich der Benutzer gerade bewegt oder nicht. Den Entwicklern von ios basierten Apps stehen dabei eine Reihe nützlicher Klassen aus dem CoreMotion-Framework zur Verfügung. Dabei hat der Entwickler die Möglichkeit auf die Rohdaten der Sensoren zuzugreifen oder durch das Betriebssystem verarbeitete Daten zu erhalten. So bietet Apple zum Beispiel einen Pedometer an, das Daten bezüglich der Anzahl der Schritte, zurückgelegte Distanz und der Anzahl bestiegener Stockwerke liefert. In einem Test wurde untersucht wie gut ein Pedometer geeignet ist, um die Position des Benutzers zu aktualisieren. Bei dem Test ist die Testperson in ca. 90 Sekunden durch ein Gebäude gegangen. Dabei wurde das Smartphone direkt vor dem Körper gehalten. Der Test wurde durch ein Video festgehalten, um die Sensordaten auswerten zu können.

57 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 53 Der Ablauf des Tests war wie folgt: Sekunde: Testperson steht ruhig auf einer Stelle mit dem Smartphone in der Hand vor dem Körper Sekunde: Es werden 14 Schritte geradeaus in einer gleichmäßigen ruhigen Geschwindigkeit gemacht Sekunde: Rechtskurve um 90 Grad gefolgt von drei Schritten Sekunde: Erneute Rechtskurve um 90 Grad gefolgt von drei Schritten Sekunde: Nächste Rechtskurve um 90 Grad gefolgt von zwei Schritten Sekunde: Leichte geschwungene 45 Grad Bewegung nach rechts mit anschließend leichter Linkskurve mit elf Schritten Sekunde: Kurze Pause Sekunde: Acht Stufen werden herabgestiegen mit anschließender 180 Grad Drehung mit fünf Schritten Sekunde: Es werden sieben Stufen hinabgestiegen und es gibt eine 180 Grad Drehung mit vier Schritten Sekunde: Zwei Schritte bis zu der Treppe und sieben Stufen hoch Sekunde: Sechs Schritte in einer 180 Grad Drehung Sekunde: Acht Stufen hinaufsteigen Sekunde: Fünf Schritte gerade aus und anschließend zwei Schritte mit einer leichten 90 Grad nach rechts Drehung Sekunde: Elf Schritte gerade aus Sekunde: 90 Grad Drehung nach rechts und fünf Schritte geradeaus Sekunde: 90 Grad Drehung nach links und ruhig auf einer Stelle stehen In der Summe wurden demnach 103 Schritte von der Testperson zurückgelegt. In der Abbildung 22 sind die aufgezeichneten Bewegungsdaten des Pedometers zu sehen. Darin lässt sich erkennen, dass sich die Anzahl der Schritte am Ende des Versuches nur wenige Schritte von den gezählten, tatsächlichen Schritten unterscheidet. Das Negative an dem Pedometer ist die Aktualität. Beispielsweise werden zwischen der 16. und 27. Sekunde die Schritte nicht aktualisiert, obwohl in dieser Zeit über zehn Schritte zurückgelegt werden. Hinzukommt, dass die Testperson in diesem Zeitraum mehrfach die Richtung wechselt. Für eine Positionsbestimmung wäre dieser Umstand ein großes

58 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 54 Problem. Dadurch ist es nur schwer möglich vorherzusagen, wo sich die Person nach dieser langen Zeit befindet. Sie kann diese Schritte in jede Richtung gelaufen sein. Es werden darum sehr aktuelle Daten der Sensoren benötigt, um die Position so oft es geht zu aktualisieren. Deswegen scheidet der Pedometer zur Berechnung der Schritte aus, obwohl sich die Daten nach einer Minute alle zwei bis drei Sekunden aktualisieren. Doch auch dieser Zeitraum kann für eine genaue Positionsbestimmung zu lang sein. Abbildung 22: Ergebnisse der Pedometer Daten In dem Test wurden jedoch nicht nur Daten des Pedometers aufgezeichnet, sondern sämtliche Sensordaten mit denen eine Bewegung des Smartphones festgestellt werden kann. Das CoreMotion-Framework enthält die Klasse DeviceMotion, die verarbeitete Daten vom Beschleunigungssensor und Gyroskop enthält. In der Framework Referenz [3] wird angegeben, dass die Klasse DeviceMotion in der Lage ist die Haltung des Geräts unter Verwendung des Gyroskops und Beschleunigungssensors zu messen und zwischen der Gravitation und Beschleunigung zu unterscheiden. Tatsächlich konnte aus den Daten dieser Klasse in Verbindung mit dem Testablauf abgeleitet werden, wie Bewegungen und Schritte erkannt werden können. Die Ergebnisse der Y-Werte der verarbeiteten Daten des Beschleunigungssensors erhielten größtenteils Hinweise auf die Anzahl der Schritte. So ist in der Abbildung 23 der gleiche Ablauf des beschriebenen Testversuches zu sehen. Die grünen Bereiche sind Phasen, in denen die Testperson keine Bewegungen vollzog. Hier sind die Ausschläge des Graphen sehr gering. In den roten Bereich bewegt sich die Person relativ gleichmäßig auf der gleichen Ebene. Dabei lassen sich deutliche Ausschläge des Graphen erkennen, die auf Schritte hindeuten. Generell konnte festgestellt werden, dass wenn ein Ausschlag den Wert 0,04 überschritt, dies ein Hinweis auf einen Schritt sein konnte. Unter Hinzunahme des Gyroskops wurde auch die Rotation des Gerätes um die eigene Achse zur Schritterkennung verwendet. In mehreren Versuchen wurde festgestellt,

59 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 55 Abbildung 23: Ergebnisse der DeviceMotion Daten: Die Y-Werte von UserAcceleration dass allein die Betrachtung des Beschleunigungssensors nicht ausreicht um Schritte zu erkennen. Wird das Gerät in der Hand gehalten und erfolgt eine Drehung nach links oder rechts, misst der Beschleunigungssensor ebenfalls starke Y-Werte. Deswegen wird die Rotation des Gerätes ebenfalls zur Schritterkennung hinzugezogen. Dabei wird die Differenz der letzten Rotationswerte der Z-Achse (Yaw) betrachtet. Diese dürfen einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass der Benutzer sich mit dem Smartphone bewegt hat. Im Listing 4 ist dargestellt wie die App einen Schritt erkennt. Zuerst wird abgefragt (Zeile 1 und 3), ob es Daten des Beschleungigungssensors und Gyroskops gibt. Anschließend wird geprüft (Zeile 6), ob die Grenzwerte für die Schritterkennung eingehalten wurden. Ist dies der Fall wird geprüft, ob es Daten für die Himmelsrichtung des Smartphones durch den digitalen Kompass gibt (Zeile 8). Diese Daten werden vom CoreLocation Framework zur Verfügung gestellt. Wurden alle Voraussetzungen erfüllt, wird der MainViewController, der für die Darstellung der Position verantwortlich ist, über das Update informiert. Die Distanz eines Schrittes wird dabei auf einen durchschnittlichen Wert gesetzt, der bei Testpersonen in einer wissenschaftlichen Arbeit [31] gemessen wurde. Die Schrittlänge ist dabei von vielen Faktoren (Alter, Größe, Geschwindigkeit) abhängig, die hier nicht weiter betrachtet werden.

60 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 56 1 i f l e t motionuseraccy = data?. u s e r A c c e l e r a t i o n. y { 2 3 i f l e t diffmotionyaw = _diffyaw { 4 5 // Grenzwerte f u e r S c h r i t t e r k e n n u n g 6 i f motionuseraccy > 0.04 && diffmotionyaw < 0.15 { 7 8 i f l e t heading = s e l f!. lastheadingvalue { 9 10 var positionupdate = PositionUpdate ( ) 11 positionupdate. d i s t a n c e = positionupdate. heading = heading var u p d a t e L o c a t i o n N o t i f i c a t i o n : N S N o t i f i c a t i o n? u p d a t e L o c a t i o n N o t i f i c a t i o n = N S N o t i f i c a t i o n ( 17 name : "StepDetection", o b j e c t : positionupdate ) i f l e t n o t i f i c a t i o n = u p d a t e L o c a t i o n N o t i f i c a t i o n { 20 NSNotificationCenter. d e f a u l t C e n t e r ( ). 21 p o s t N o t i f i c a t i o n ( n o t i f i c a t i o n ) 22 } } 25 } 26 } 27 } Listing 4: Schritterkennung anhand des Beschleunigungssensors und Gyroskops IndoorMap Zur Darstellung der IndoorMap wird das Google Maps SDK für ios verwendet. Das SDK stellt sämtliche Klassen und Funktionen zur Verfügung, um die Karten von Google Maps in einer App darstellen und bearbeiten zu können. Listing 5 zeigt wie die Karte in die App integriert wurde. Dazu wird die Map mit Hilfe der SDK Klasse GMSMapView dem MainViewController hinzugefügt. Als nächstes wird ein GMSCameraPosition Objekt benötigt, das GPS Koordinaten von dem gewünschten Ort entgegennimmt und einen Zoom-Level, der angibt, wie nah dieser Ort angezeigt werden soll. Falls Gebäudekarten für ein Gebäude vorliegen, werden diese ab einem bestimmten Zoom-Level automatisch angezeigt. Für die App wurde ein Zoom-Level von 19 gewählt, wodurch das Gebäude komplett auf dem Bildschirm angezeigt wird. Die Kamera muss der ViewMap hinzugefügt werden, damit die Einstellungen übernommen werden.

61 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 57 weak var viewmap : GMSMapView! // Location der Hochschule Hannover 4 l e t camera = GMSCameraPosition. camerawithlatitude ( , 5 l o n g i t u d e : , zoom : 19) 6 s e l f. viewmap. camera = camera Listing 5: Verwendung der Google-Maps Karte Um auf der Karte die aktuelle Position darzustellen wird ein Marker verwendet. Damit lassen sich Orte auf der Karte identifizieren. Dazu wird das Objekt GMSMarker benötigt (siehe Listing 6, Zeile 7), das GPS Koordinaten entgegennimmt. Ein Marker enthält ein Standardicon, das auf der Karte angezeigt wird. Dieses lässt sich durch ein eigenes Bild anpassen. Es wird ein kleiner blauer Punkt verwendet, um die Position im Gebäude darzustellen. Als letztes muss der Marker zu der aktuellen Karte hinzugefügt werden. Da der Marker dauerhaft auf der Karte bleibt, solange diese im Speicher ist, muss der letzte gelöscht werden, wenn eine neue Position angezeigt werden soll. Dazu wird die Funktion clear() aufgerufen, die den sämtlichen gezeichneten Inhalt auf der Karte löscht. Anschließend kann die neue Position auf der Karte gezeichnet werden. 1 func showpositiononmap ( l a t : Double, lng : Double ){ 2 3 // a k t u e l l e P o s i t i o n l o e s c h e n 4 s e l f. viewmap. c l e a r ( ) 5 6 l e t p o s i t i o n = CLLocationCoordinate2DMake ( l a t, lng ) 7 s e l f. currentpositionmarker = GMSMarker( p o s i t i o n : p o s i t i o n ) 8 s e l f. currentpositionmarker. icon = UIImage (named : "pin" ) 9 s e l f. currentpositionmarker. groundanchor = CGPointMake ( 0. 5, 0. 5 ) 10 s e l f. currentpositionmarker. map = viewmap } Listing 6: Neue Position auf der Karte anzeigen Das Google Maps SDK erleichtert deutlich die Arbeit mit Indoor Karten. Hierzu gibt es sämtliche Klassen und Funktionen, um mit der Karte interagieren zu können. Da in der Fallstudie nur die zweite Etage der Fakultät untersucht wird, wurde das anzuzeigende Level des Gebäudes standardmäßig auf zwei gesetzt. BuildingManager Die Systemkomponente BuildingManager ist zur Verwaltung der Gebäudeinformationen vorgesehen. Dazu werden in einer XML-Datei (Listing 7) Informationen zu dem Gebäude der Hochschule erfasst, insbesondere Informationen zu den Räumen. Dazu wird ein eindeutiger Name, die Etage und die Beschreibung des Raumes abgelegt. Ein

62 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 58 XML Parser erstellt aus den Daten ein Array mit allen eingetragenen Räumen, die in der RouteSearchView als Liste angezeigt werden. Durch den eindeutigen Namen können die Räume zu den Knoten im Graphen zugeordnet werden. Mithilfe dieser Verknüpfung kann der RoutingManager eine Navigationsroute zu dem gewählten Raum berechnen. 1 <Building> 2 <name>hochschule Hannover</name> 3 <d e s c r i p t i o n>fakultaet IV Wirtschaft und Informatik</ d e s c r i p t i o n> 4 <l e v e l s>3</ l e v e l s> 5 <Rooms> 6 <Room> 7 <name>r301</name> 8 <d e s c r i p t i o n>raum 301 Buero</ d e s c r i p t i o n> 9 <l e v e l>2</ l e v e l> 10 </Room> </ Building> Listing 7: Verwaltung der Gebäudedaten in einer XML-Datei RoutingManager Die Komponente RoutingManager ist primär für die Navigation vorgesehen. Sie beinhaltet Wissen über den Graphen, der als XML-Datei (Listing 8) abgelegt ist und von einem Parser in die entsprechenden Objekte verarbeitet wird. In der XML-Datei werden Knoten mit einem eindeutigen Namen und den GPS-Koordinaten gespeichert. Diese Koordinaten werden benötigt, um den Navigationspfad auf der Karte zeichnen zu können. Die Kanten enthalten ebenfalls einen eindeutigen Namen und Informationen über die Knoten, die gemeinsam verbunden sind. Darüber hinaus wird das Gewicht der Kante gespeichert, das für die Erstellung der kürzesten Route wichtig ist. Der Graph wurde gemäß des Konzeptes aus dem Kapitel erstellt.

63 6 Fallstudie: Entwicklung eines Prototypen zur Positionsbestimmung und Navigation an der Hochschule Hannover 59 1 <?xml version=" 1.0"?> 2 <Graph> 3 <Vertex> 4 <name>r302</name> 5 <l a t i t u d e> </ l a t i t u d e> 6 <l o n g i t u d e> </ l o n g i t u d e> 7 </ Vertex> <Edge> 10 <edgename>a3r302</ edgename> 11 <source>a3</ source> 12 <t a r g e t>r302</ t a r g e t> 13 <weight>1</ weight> 14 </ Edge> </ Graph> Listing 8: Verwaltung des Graphen in einer XML-Datei Zur Berechnung der kürzesten Route wird der Dijkstra-Algorithmus verwendet. Dieser ist in der Lage bei einem gewichteten Graphen unter Angabe von Startknoten und Zielknoten den kürzesten Pfad zu berechnen. Ausgehend vom Startknoten berechnet der Algorithmus die kürzeste Verbindung zu allen anderen Knoten. Um die Implementierung des Algorithmus zu erklären wird die Abbildung 24 benötigt. Hier sind fünf Knoten dargestellt, die über Kanten miteinander verbunden sind. Die Kanten haben ein Gewicht, das für die Entfernung zwischen zwei Orten stehen kann. Der kürzeste Weg um von Knoten A nach E zu kommen ist demnach über den Knoten D möglich. Denn die Summe aller Kanten beträgt 12 und ist damit die geringste Summe aller möglichen Routen (A -> B -> D -> E = Summe 14). Abbildung 24: Beispiel eines Graphen Die Funktionsweise des implementierten Algorithmus für den Prototypen ist folgender: Beginne beim Startknoten und erstelle für jeden Nachbarn einen Path (Pfad), in dem dieser das Ziel des Pfades ist und das Gewicht der Kante zum Gesamtgewicht