Bluetoothデバイス位置追跡システム

複数のBluetoothビーコンを使用して、周囲のBluetoothデバイスの位置をリアルタイムで可視化するシステムです。

システム概要

ビーコン側

• Raspberry Pi上で動作するPythonプログラム
• Bluetoothデバイスの検出とRSSI値の取得
• 10秒間スキャンを実行してRSSIの平均値を計算
• 2秒ごとに新しいスキャンを実行
• サーバーへのデータ送信

サーバー側

• Node.js & TypeScriptで実装
• 三点測量法によるデバイスの位置推定
• WebSocketを使用したリアルタイム通信
• SQLiteデータベースによるデータ保存

ウェブクライアント

• Vanilla JavaScriptで実装
• グリッド上にデバイスの位置を表示
• デバイスの種類ごとに色分け表示
• ズーム・パン機能

インストール方法

必要条件

• Raspberry Pi 5（ビーコン用）× 複数台
• Bluetooth機能が有効なLinuxサーバー（または開発用PC）

ビーコン側のセットアップ

1. 依存パッケージのインストール：

   pip install bleak pyyaml aiohttp
   

2. 設定ファイルのカスタマイズ：

   # config.yaml（各ビーコンごとに設定）
   beacon_id: "beacon-01"  # ビーコンの固有ID
   zone: "building-A"      # 設置ゾーン
   x: 10                   # X座標（メートル）
   y: 20                   # Y座標（メートル）

3. ビーコンプログラムの実行：

   python beacon.py --config config.yaml --server http://server-ip:3000/api/beacons/data
   

サーバー側のセットアップ

1. 依存パッケージのインストール：

   npm install
   

2. TypeScriptのコンパイル：

   npm run build
   

3. サーバーの起動：

   npm start
   

   開発モードで起動する場合：

   npm run dev
   

使用方法

1. ビーコンを配置する場所を決め、各ビーコンの座標を設定ファイルに記録します（1メートル単位）
2. 各ビーコンでスクリプトを実行し、サーバーのIPアドレスを指定します
3. サーバーを起動します
4. ウェブブラウザで http://server-ip:3000 にアクセスすると、デバイスの位置がリアルタイムで表示されます

技術的な詳細

位置推定アルゴリズム

このシステムでは、複数のビーコンから収集したRSSI（受信信号強度）データを使用して三点測量法によりデバイスの位置を推定します。

1. RSSI値を距離に変換：

   距離 = 10 ^ ((送信出力 - RSSI) / (10 * 環境係数))
   

   ここで、送信出力は一般的に-59dBm（1m距離での理論値）、環境係数は2.0〜4.0の間（オープンスペースで2.0、壁などの障害物がある場合は高い値）を使用します。

2. 最小二乗法による位置推定： 複数のビーコンからの距離情報を基に、最小二乗法を用いてデバイスの最も確からしい位置を計算します。

3. デバイスが3箇所未満のビーコンで検出された場合は、最も強いRSSI値を持つビーコンの位置を採用します。

RSSIの不安定性への対応

BluetoothのRSSI値は、以下の要因により不安定になりがちです：

• 人や物による信号の遮断
• マルチパス効果（反射波による干渉）
• デバイス自体の特性

これに対応するため、本システムでは以下の工夫を実装しています：

• 10秒間の連続スキャンによるRSSI値の平均化
• 高频度のスキャン更新（2秒おき）
• 位置推定結果の丸め処理
• 複数ビーコンからのデータ統合

プロジェクトの構成

bluetooth_tracker/
├── beacon.py          # ビーコン側のスクリプト
├── config.yaml        # ビーコン設定ファイル
├── package.json       # サーバー側の依存関係
├── tsconfig.json      # TypeScript設定
├── shell.nix          # Nix環境設定
├── src/               # サーバーソースコード
│   ├── server.ts      # サーバーメイン
│   ├── controllers/   # コントローラー
│   ├── models/        # データモデル
│   └── utils/         # ユーティリティ
├── public/            # Webクライアント
│   ├── index.html     # メインUI
│   └── ...
└── data/              # データベースファイル

注意点

• ビーコンは少なくとも3台以上設置することで、精度の高い位置推定が可能になります
• 理想的には、三角形を形成するようにビーコンを配置してください
• 障害物が少ない環境で使用すると精度が向上します
• RSSIは環境によって大きく変動するため、実際の位置と誤差が生じる場合があります

トラブルシューティング

ビーコン側の問題

1. Bluetoothスキャンが失敗する場合：

   sudo systemctl restart bluetooth
   

2. 権限エラーが発生する場合：

   sudo setcap 'cap_net_raw,cap_net_admin+eip' `which python3`
   

サーバー側の問題

1. データベースのアクセス権限エラー：

   chown <ユーザー名> data/bluetooth_tracker.db
   chmod 644 data/bluetooth_tracker.db
   

2. ポート3000が使用中の場合：

   export PORT=3001  # 別のポートを指定してから起動
   npm start
   

将来の拡張

• ビーコン間の自動同期機能
• 機械学習による位置推定精度の向上
• デバイスの移動履歴の追跡と表示
• カスタムフロアマップのサポート
• デバイス種別の自動判別機能の強化

ライセンス

MITライセンス