ビーコンとは、

1.ビーコンとは、

ビーコンとは狼煙(のろし)といった意味で、現代では煙の代わりに電波を使ったデバイスを表現しています。ここで言うビーコンはBluetooth4(BLE)の電波を用いてその役割を果たします。単純にBLEを用いて発信するだけでは、受信側が認識できないため、情報を規格化し認識できる様に決められた方式(データフォーマット)がアップルのiBeacon規格です。

2.GPSとの特徴

GPSは衛星電波を受信し時間差により位置を特定します。衛星を利用することから、世界中どこに居ても受信機のみで位置を知る事ができますが、上下の測位には不向きな点もあったり、壁に囲まれたビル内などでは受信でないことも多くあります。電源が確保でき屋外でしたらGPSが有利となります。

3.ビーコンのメリット

BLEは消費電力が少なく長寿命化、コイン電池を利用し小型軽量化、に適し比較的安価ですので多くの位置を検知する場合には有利になります。また、受信機として、市販スマホやボードコンピューターを利用でき、システム全体でも費用を抑えるメリットがあります。

4.ビーコン例えると

灯台やパトカー回転灯をイメージしてください。強い光であればその存在を判断できますが、離れた場所で弱い光になってしまい見失う可能性もあります。また、周辺の障害物や天候によっても影響される事もあります。

ビーコンの出力はLED1個程度と小さく、発信時間も瞬きするより短い時間にすぎません、受信機の性能も考慮して利用することが大切です。

5.何に使えるか

多くの情報を送る事よりも少ない情報で「存在」「場所」を示す目的とするものです。

単純に電波を見つけ、電波強度から距離や存在を確認するために多く用いられますが、数バイト程度の小さなデータでしたら信号として送る事も可能ですので、温度などのセンサー値を電波に乗せる事もあり、アイデア次第で用途は様々です。

6.利用・用途

「広告起動」 「人数カウント」 「近接感知」 「捜索」 「所在確認」 「存在場所」 「センサー」 「簡易無線」 などや、単純に「電波の有無」や「IoT機器」として利用されます。

7.必要な機器

ビーコン ここで説明するビーコンそのものです。
受信機 Android・iOS・RaspberryPi・各種 Applianceなど ※1
サーバ 受信機からの情報をまとめるため
ソフトウエア 受信アプリ、サーバシステム
通信回線 ビーコン→受信機  受信機→サーバ
※1 PCでも受信は可能ですが、Windows環境ではツールが少なくおすすめしません。

8.受信固定か発信固定

ビーコンの運用方法として2つ方法があります。1つは「1.受信機を固定」し範囲内のビーコンを発見する方法で、もう1つは逆に「2.ビーコンを固定」し、スマホなどで近接を感知する方法で以下の図のようなイメージです。

1.受信機を固定、ビーコンが移動
2.ビーコンを固定し、スマホが移動

9.iBeaconとコード

「iBeacon」はアップルの商標であり、BluetoothVer4.0の省電力機能である BLE(Bluetooth Low Energy) を用いたビーコン用通信プロトコル(データフォーマット)です。主に送信される情報(データ・コード)は以下になります。

Header 発信する自機の情報でMACアドレスなどを含みます。(変更不可)
UUID 主に企業コードになりますが、独自に生成可能です。(固定値)
Major 発信する大分類コードで0から65535の値を任意に設定できます。(変更可)
Minor 発信する小分類コードで0から65535の値を任意に設定できます。(変更可)
TXP ビーコンから1m離れた場所でのRSSI値(電波強度)を設定します。(固定値)

ハイビーコンではHeader以外は専用アプリを用いて書換え可能で、UUID Major Minorでビーコンを特定できるように重複しないコード設定に変更します。

TXPは通常、メーカーが電波暗室で測定した数値が入っています。距離精度を向上させるために変更する場合は、実際の利用現場で1mのRSSIを計測し書き換える事になります。(TXPを変更しても発信出力は変わりません。)

10.発信間隔 Advertise

ビーコンは常に電波を発信しているのではなく、間隔を開けて発信しています。電波発信することをアドバタイズ(advertise)と言い、その間隔をアドバタイズ時間とかアドバタイズ間隔と言います。 iBeaconの仕様では以下の間隔(時間)が定義されています。

一般的なiBeacon発信間隔ミリ秒  1000ミリ秒=1秒
152.50 211.25 318.75 417.50 546.25 760.00 852.50 1022.50 1285.00

11.電池寿命と発信間隔

Bluetooth4からは省電力(Low Energy)機能により、より長時間電波を発信する事が可能になりました。より大容量の電池が有利ですが、携帯性が損なわれたり、重量が増えたりし用途によっては制限されます。

また、発信間隔を長くすれば時間あたりの消費電力が少なくなり、長い期間発信する事ができます。

iBeacon仕様では 0.625[ms]の整数倍で20[ms] 〜 10.24[s]となり、規定外になりますが1分や3分などにすると実質電池交換が不要になるほど長持ちします。しかし受信機側では長い時間見失う事になり、用途によって発信間隔を最適化する必要があります。

12.電波の出力 Class

ビーコンの送信出力でBluetoothの規格としてビーコン以外のBluetooth機器で適応され、用途によって使い分けられ3つのClassがあります。その強さで、Class3が1m、 Class2が10m、 Class1が100mとされています。これは必ず保証できる距離ではなく一般的な最大距離と考えてください。

13.距離計算

ビーコン自体が「発した電波強度」と離れた場所で「受けた電波強度」で判断できますが、具体的には、「ビーコン1mの電波強度」TXP 「受信した場所での電波強度」 RSSI、の差により計算できます。 しかし、降雨や霧、障害物があれば不正確です。見通しの効く場所であれば電波も素直に到達できますが、実際の現場では必ず障害物や反射物が存在し、おおよその距離とすることが現実的になります。

また、1箇所を特定するには、3点計測を行えば理論的に可能となりますが、もともとの距離が不正確なため、あまり精度が上がらないのが現実です。

以下のグラフは見通しのよい市街地で実測したもので、縦軸は実際の距離、横軸はRSSIから計算した距離になります。RSSI値には「バラツキ」があり理論曲線のようにはなりません。

14.Bluetoothの電波性質

ビーコンは2.4G帯と言われる電波を小さな出力で発信します。この2.4G帯は他の機器でも利用されWiFiでは2.4Gと5Gがありますが2.4Gが多く、オフィスなどWiFi電波が多く飛び交う場所では互いに干渉することがあります。 2.4G周波数は水分子の振動周波数(2.45G)と近く、水に吸収されてしまう性質を持っています。水は多くの物に含まれていてBluetooth電波を吸収する事になります。金属も遮蔽や反射がありますが、現実的には障害となる多くが、土・樹木・草・人間で大部分は水であり、人混みの中などで利用すると電波伝搬が阻害されてしまいます。

【参考】電子レンジでは強力な2.45G(マイクロ波)を食品に浴びせ水分子に共鳴させ、熱へとエネルギー変換されています。ただし、Bluetoothは小さな出力なので人体には影響は少ないとされ、医療機器にも用いられます。

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