Sensors 2015, 15, 7571-7595; doi:10.3390/s150407571

Article

OPEN ACCESS

sensors

ISSN 1424-8220

www.mdpi.com/journal/sensors

NFC Internal: An Indoor Navigation System

Busra Ozdenizci, Vedat Coskun * and Kerem Ok

NFC Lab-Istanbul, Department of Information Technologies, ISIK University, Istanbul 34980, Turkey; E-Mails: busraozdenizci@isikun.edu.tr (B.O.); keremok@isikun.edu.tr (K.O.)

* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: vedatcoskun@isikun.edu.tr; Tel.: 90-216-528-71-84.

Academic Editors: Kourosh Khoshelham and Sisi Zlatanova

Received: 4 February 2015 / Accepted: 10 March 2015 / Published: 27 March 2015

Abstract: Indoor navigation systems have recently become a popular research field due to the lack of GPS signals indoors. Several indoors navigation systems have already been proposed in order to eliminate deficiencies; however each of them has several technical and usability limitations. In this study, we propose NFC Internal, a Near Field Communication (NFC)-based indoor navigation system, which enables users to navigate through a building or a complex by enabling a simple location update, simply by touching NFC tags those are spread around and orient users to the destination. In this paper, we initially present the system requirements, give the design details and study the viability of NFC Internal with a prototype application and a case study. Moreover, we evaluate the performance of the system and compare it with existing indoor navigation systems. It is seen that NFC Internal has considerable advantages and significant contributions to existing indoor navigation systems in terms of security and privacy, cost, performance, robustness, complexity, user preference and commercial availability.

Keywords: Near Field Communication; indoor navigation; indoor positioning; NFC Internal; mobile

Introduction

Navigation is the process of monitoring and controlling the movement of an item from an origin to a destination along a path. Navigation systems provide reading, controlling and updating the movement of onersquo;s position and guiding by intelligible visual, audible or tangible means while she is travelling on

an intended route. If any diversion to outside of the route occurs, reorientation or correction to the destination is required [1]. Knowledge of position, called as positioning, is a must for accurate navigation, since it may be reached by extensive effort after repetitive useless corrective travels or else missing the target as the worst case. Human knowledge, or intuitive, might be helpful in navigation efforts; but technical contribution is obviously very much helpful.

Navigation systems are mostly based on Global Positioning System (GPS), which provides reliable location information on the Earth in almost all weather conditions and at all times with the help of multiple satellites [2,3]. GPS satellites are dedicated to positioning, and they orbit around the world solely for this purpose. Making use of GPS satellites for positioning has some requirements though. The foremost condition is that the navigating device has to receive signals from a specific number of satellites—four of them for the best result—to get the position with high accuracy. The signal level between the device and the satellite is normally not hindered by bad weather conditions, but line of sight between the device and the satellite is still a must. This implicitly puts forward the requirement for the device to be outdoors, i.e., out of any buildings. Hence, use of the GPS system is called outdoor navigation.

Contrary to the wide usage of GPS in outdoor navigation, GPS receivers cannot perform satisfactorily in indoor environments because of the absence of line of sight to the satellites [4]. Additionally, indoor navigation in general, is much more complex when compared with well-established outdoor alternatives. As mentioned by [5], indoor environments such as buildings, university campuses and hospitals include various obstacles (i.e., building geometry, walls, equipment), which reduce the propagation capability of electromagnetic waves; hence interference and noise originating from wired and wireless networks within the structures degrade the accuracy of positioning as well. Thus more accurate and reliable indoor navigation systems that will not be affected by the discouraging properties of indoor environments are needed in the next generation of navigation technologies.

Indoor navigation systems are designed to navigate the user within closed environments such as hospitals, gymnasiums, or schools [6], and to help track objects by using wireless concepts, optical tracking and ultrasound techniques [2]. Up to now, variety of navigation technologies have been developed for indoor environments such as sensors, Infrared (IR), Ultra Wide Band (UWB), Wireless Local Area Networks (WLANs), Wi-Fi, Bluetooth, Radio Frequency Identification (RFID), Assisted GPS (A-GPS) and so on [2,4,5]. Actually current navigation technologies cannot satisfy the challenging demands for most indoor navigation applications [6]. They all have limited capabilities (i.e., low accuracy, unreliability, design complexity, low security and high configuration costs) to position, locate and track an object in an indoor environment (as will be discussed thoroughly in Section 2).

It is true that navigation systems in indoor environments will be highly useful to potential users. For instance, a person might need to attend a meeting in a building, but does not have much t

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摘要：

由于室内GPS信号微弱，室内导航系统已经成为近几年来研究的热点。一些室内导航系统已经被提供来消除缺陷，然而每个系统都有一些技术和可用性限制。在这项研究中，我们提出了基于近场通信的室内导航系统——NFC Internal，它允许用户通过简单的位置更新，只需触摸分布在建筑物周围的近场通信标签，并将用户定向到目的地，来完成在建筑物或建筑群中的导航。本文首先介绍了系统需求，给出了该系统的设计细节，并通过原型应用和案例研究了NFC Internal的可行性。此外，我们还评估了该系统的性能，并与现有的室内导航系统进行了比较。从安全性和隐私性、成本、性能、稳健性、复杂性、用户偏好和商业可用性等方面来看，NFC Internal相较于现有的室内导航系统具有相当的优势和显著的贡献。

关键词：

近场通信；室内导航；室内定位；NFC Internal；移动技术

引言

导航是一个监视和控制一个项目沿着路径从起点移动到终点的过程。导航系统提供读取、控制和更新一个人位置的移动，并在当她在预定路线上行驶时，通过可理解的视觉、听觉或图形手段进行引导。如果路线发生任何转向，则需要重新定位或纠正目的地[1]。位置的知识——定位，是精确导航的必要条件，因为在重复无用的修正行程甚至错过目标后，可能需要大量的努力才能到达。人类的知识或直觉可以有助于导航工作；但技术贡献显然更加有帮助。

导航系统主要基于全球定位系统（GPS），在地球上，它在几乎所有天气条件下以及任何时候都能借助多颗卫星提供可靠的定位信息[2,3]。全球定位系统（GPS）卫星专门用于定位，它们在世界各地的轨道上运行就是为了这个目的。然而，利用GPS卫星进行定位有一些要求。其中至关重要的条件是导航设备必须接收来自特定数量卫星的信号——其中四个卫星，才能获得最佳结果，即高精度的位置。设备和卫星之间的信号电平通常不会受到恶劣天气的影响，但设备和卫星之间的链接仍然是必须的。这暗指了GPS必须在户外，即建筑物之外才能使用。因此，GPS的使用又被成为室外导航系统。

与GPS在户外导航中的广泛应用相反，由于卫星无法建立指向设备的视线，GPS接收器无法在室内环境中正常工作[4]。此外，与成熟多样的户外应用相比，室内导航要复杂得多。如[5]所述，像是楼房、大学校园、医院之类的室内环境内有许多的障碍物（即建筑物内的几何结构、墙壁、设备），这些障碍物降低了电磁波的传播能力，此外，建筑物内有线和无线网络产生的干扰和噪声也会降低定位系统的精度。因此，下一代导航应用需要更精确和可靠的室内导航系统，这些系统不会受到室内环境的负面特性的影响。

室内导航系统被设计用于在医院、体育馆或学校等封闭环境中导航用户[6]，并通过无线概念、光学跟踪和超声波技术来追踪对象[2]。到目前为止，已经为室内环境开发了多种导航技术，如传感器、红外（IR）、超宽带（UWB）、无线局域网（WLAN）、Wi-Fi、蓝牙、射频识别（RFID）、辅助GPS（A-GPS）等[2,4,5]。实际上，目前的导航技术不能满足大多数室内导航应用的具有挑战性的需求[6]。它们在室内环境中定位、定位和跟踪对象（将在第二部分中详细讨论）都有局限性（即低精度、不可靠性、设计复杂性、低安全性和高配置成本）。

的确，室内环境中的导航系统对潜在用户非常有用。例如，一个人可能需要参加一栋大楼中的会议，但所剩时间不多，且他希望能轻松且快速的找到会议室。正如我们之前的研究[7]中所讨论的那样，在当今忙碌的生活中，这种情景对大多数人都是有效的，而且发生频率很高。诚然，人们会喜欢一种在这种情况下有助于节省他们时间和精力的解决方案[7]。

本文介绍了一种创新的、人性化的、低成本的基于NFC技术的室内导航系统——NFC Internal。NFC Internal的主要理念是面向拥有NFC手机并且安装了室内导航应用程序的用户。当应用程序接收来自用户的目标位置的名称或描述来定向用户时，移动设备将从分布在导航区域的NFC标签来收集用户的即时位置。因此，用户可以通过移动设备触摸NFC标签来确定他或她在建筑物内的当前位置。

NFC Internal的触发框架是允许在短程、移动和无线条件下进行通信的NFC技术。NFC通信发生在两个具有NFC功能的设备彼此靠近（基本上是接触）时，如图1所示。用户需要使用他们的NFC手机与智能对象交互，智能对象可以是NFC标签、另一个NFC手机或NFC阅读器。在触碰之后，NFC手机可以进一步使用接收到的数据，或者使用可用的移动服务，例如下载网页、初始化网络服务连接等[8]。

图一. NFC 交互作用.

在简要介绍了本课题的基础上，本文的剩余部分组织如下：第二部分中简要介绍了现有的室内导航系统和NFC技术的要点。第三部分首先介绍了NFC Internal的模型问题，然后给出了模型的系统设计和实施。我们在第四部分中提供了一个案例研究，并且实现了一个NFC Internal系统的原型。在第五部分中，我们对所提出的模型进行了性能评估，并与现有的室内导航技术进行了比较，第六部分则是整个课题的总结。

研究背景

我们现在将指出一些与NFC Internal模型密切相关的重要概念。首先，通过文献中的几项综合研究，简要说明了现有得可实现的室内外导航的定位技术，并给出了这些系统的考验。为了清楚了解NFC Internal系统的NFC通信方面，在第二小节中描述了NFC技术、其操作模式和其他与NFC相关的问题。简要的研究背景将有助于理解基于NFC的导航系统相对于现有导航系统的贡献。

室内定位技术

近年来，定位系统已成为学术界和工业界研究的热门领域，在这一领域已经有了若干研究和商业产品。如引言部分所述，由于GPS在室内环境中的不可用性，室内导航系统最近成为一个特别热门的研究领域。为了规避这种性能的缺陷，文献中对各种技术进行了测试，并为室内导航生成了新的设计。

定位系统能使可用设备确定其位置，并使位置信息可用于基于位置的服务[5]。根据[9,10]，无线定位系统定义了四种不同的系统拓扑结构：（a）远程定位，（b）自定位，（c）间接远程定位和（d）间接自定位。远程定位系统有一个信号发送器和几个固定的测量单元，信号发送器是移动的，固定测量单元接收发送器的信号。在从测量单位收集所有数据后，在主站计算发射器的位置。在自定位系统中，测量单元是移动的，它接收放置在已知位置的多个发射器的信号，并借助这些信号计算其位置。对于间接远程定位，自定位测量单元通过无线数据链路将测量结果发送到远程侧。远程定位单元还可以将测量结果发送到移动单元，即间接自定位。

根据另一项研究[3,11]，室内定位技术可分为两类：网络相关系统和设备相关（网络独立）系统。网络相关系统基于网络技术，如红外、传感器、超声波、WLAN、UWB、蓝牙、RFID技术，而独立的导航系统提供自主用户位置，如A-GPS作为室内GPS系统。

[12]中的研究定义了两种室内定位方法：相对坐标定位和节流点定位。在相对坐标中定位需要使用主动装置（即使用其自身电源的装置）进行定位，但被动装置可用于定位阻流点。图2解释了室内定位技术的简单分类。

在相对坐标定位的情况下，参考发射机决定了用户的位置，定位精度取决于参考发射机的范围和覆盖范围[12]。这些系统通常利用接收时的信号强度来计算移动物体的位置，信号强度由接收信号强度指示（RSSI）技术来表示。该方法使用的技术有红外、超声波技术（例如，活动中的蝙蝠、蟋蟀、海豚[6]）、UWB（例如，Ubisense[5]）、WLAN（例如，Radar、Ekahau、Compas[6,9]）、蓝牙（例如，Topaz[5]）、主动射频识别（例如，Landmarc[13,14]）。

如果定位于阻流点，则传感器位于固定点，该固定点在网络中提供位置值。在这种方法中，包括位置坐标在内的标记对象决定了位置[12]；一些技术如快速响应（QR）码、被动的RFID和NFC均是使用了这种方法。

图二. 室内定位技术分类

红外系统包括位于建筑物或封闭环境中不同位置的多个红外发射器，这些发射器发送其ID，之后，带有红外接收器的计算设备使用这些信号来确定其位置。由ATamp;T Cambridge公司开发的Active Badge是第一个红外定位系统[2]

由于在封闭环境中的红外信号很容易被物体阻挡，因此已经开发出比Active Badge更好、更精确的室内定位系统，这被称为超声波技术。在使用超声波技术的基础上，大量的接收器需要被严格的安装在天花板上的敏感位置 [5]，因此在实践中，这些系统在可扩展性、易于部署和成本方面存在缺点[2]。

UWB定位系统使用射频（RF）信号进行室内定位，并提供高精度[2,5]。UWB定位系统也有其自身的局限性:由于一些技术问题，如低功率发射、天线失配和其他系统可能的外部干扰而无法提供有效的室内导航系统[11]。

另一个依赖于网络的定位系统是蓝牙，它是一种简单的短程通信技术。这些系统需要昂贵的接收器，位置精度取决于使用的接收器数量。因此，基于蓝牙的室内定位系统在复杂多变的室内环境中可能会受到影响[5]。同样，基于Wi-Fi的定位系统需要昂贵的接入点来提供更高的定位精度。

位置精度取决于RFID案例中标签的类型，这些标签可以是被动的，也可以是主动的.这些标签的位置密度也会影响精度。被动式标签能够实现较小的通信距离，而电池则集成在主动标签中以增加通信距离。可用的基于RFID的室内导航模型主要是基于RFID标签的使用，因此需要大量的标签才能准确定位[15]。基于有源射频识别的室内定位系统的主要缺点是有源射频识别标签的成本高，这并不能是一个经济高效的解决方案[11]。

另一种流行的既有户外又有室内的技术是A-GPS系统，它是独立于网络的。通过对室内GPS信号的处理，将GPS技术的工作范围扩展到室内环境。然而，室内环境中的信号强度有时过低[11]。

目前的技术无法满足[6]所述的室内定位系统的挑战。户外和室内定位系统的精度和范围都有很大的差异；图3说明了现有的定位技术的多样性。如图3所示，位置精度根据定位技术而变化。

图三. 根据其精度和覆盖范围（经[6]许可）而确定的即时定位系统

总的来说，与室外定位系统相比，室内定位系统的一个主要局限是系统设计的成本更高、 更高。此外，大多数现有的室内定位系统在大型室内环境中无法提供准确的位置[11,15]。因此，人们对低成本但高效的室内导航系统有着巨大的需求，尤其是在由多个隔间、楼层和大厅组成的大型结构中。

NFC技术为室内定位系统的发展做出了贡献。然而，利用NFC技术对室内定位系统的研究尚不充分。为了开发人性化、经济适用和智能化的室内定位系统，我们需要更多地关注NFC技术。

近场通信

NFC是一种双向、短程且无线的通信技术[16]；只有在两个NFC设备之间相距几厘米以内时，才会发生NFC通信。NFC通信使用小于424 kbit/s带宽的13.56 MHz信号。NFC技术的操作模式有：（a）读写器、（b）点对点和（c）卡模拟操作模式（其中一侧的移动电话与另一侧的被动NFC标签、移动电话或NFC读卡器之间分别发生通信[8,17]）。

1. 在读写器操作模式下，NFC移动设备启动无线通信，并可以读取或修改NFC标签中存在的数据。此模式与用于射频层通信的ISO/IEC 14443和Felica标准兼容。使用此操作模式时，NFC Mobile能够读取NFC Forum[16]授权的标签，如NFC智能海报标签。这个过程使移动用户能够接收存储在NFC标签中的数据，然后采取适当的行动（图4）。NFC Forum根据其容量和功能定义了四种标签类型，因此它们被指定为1、2、3和4。NFC标签类型格式基于ISO/IEC 14443 A型或ISO/IEC 14443 B型或Sony Felica标准。

为了在NFC手机和NFC标签之间交换信息，NFC数据交换格式（NDEF）将被采用，这是NFC Forum[16,17]定义的数据格式规范标准。NDEF是包含一个或多个NDEF记录的二进制消息[18]。每个记录由一个最大为2^32-1个八位字节的有效载荷组成，如图5所示。可以链接记录以容纳更大的有效负载。NDEF记录的最重要的字段是类型名格式（TNF），它是一个3位数据。TNF描述了记录类型，并定义了记录的结构和内容。NFC Forum为特定案例定义了各种记录类型：智能海报、URI、数字签名和文本。

图四. 读写器模式： (a) 读取模式 (b) 书写模式

图五. NDEF 记录结构（经[18]许可）。

1. 在点对点操作模式下，两部支持NFC的手机可以建立双向连接，在它们之间交换信息（图6）。他们可以交换手机上的数据，如虚拟名片、数码照片或其他。

图六.点对点模式

1. 在卡模拟操作模式下，启用NFC的移动电话将充当智能卡，并在其安全区域存储称为安全元素（SE）的私有信息，如信用卡、借记卡、身份、护照信息等。当用户将手机接触到NFC读卡器时，NFC读卡器启动通信并从NFC手机获取所需的有价值信息（图7）。

图七. 卡模拟操作模式 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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