情報処理学会 インタラクション 2016
IPSJ Interaction 2016

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Bluetooth ビーコンを用いた近接情報伝播機構の実装とその応用
渡邊 正人1

大囿 忠親2

新谷 虎松2

概要：我々は，Bluetooth ビーコン（以下，ビーコン）の特長に着目し，ビーコンに基づく新たなユーザインタフェースの構築を目的としている．ビーコンには，一度発信されたビーコン B によって，ビーコンB を受信した複数のビーコン受信機に，インタラクションが可能であるという特長がある．しかし，ビーコンは 2.4GHz 帯の電波であるため，人の体やデバイス自身などの障害物によって減衰することがある．
そのため，インタラクションするデバイスを，ユーザが適切に選択できない可能性がある．本研究では，ビーコン発信機と近接したビーコン受信機に，ビーコンの受信と同時にビーコンを発信させる，近接情報伝播機構を開発した．本機構によって，近接したすべてのビーコン受信機が受信したビーコンの，障害物による減衰を軽減できたことを実験で確認した．本機構をユーザインタフェースに応用することで，物理的に近くにまとまったデバイスとインタラクションが可能である．本稿では，近接情報伝播機構の実装方法および近接情報伝播機構の応用例について述べる．

Implementing an Immediate Information Propagation Mechanism
Using Bluetooth Beacons and Its Applications
Masato Watanabe1

Tadachika Ozono2

Toramatsu Shintani2

Abstract:
We aim to develop a novel user interface based on Bluetooth beacons. The user interface enables all devices
in the same space to interact with each others. However, in some situations, human bodies and beacon
devices absorb 2.4GHz waves. Bluetooth uses the 2.4GHz band. Users and beacon devices in a detection
area can attenuate Bluetooth signals. In this study, we implemented an immediate information propagation
mechanism. In the mechanism, a beacon receiver resends beacons sent from a beacon transmitter to theimmediate receivers. We observed that the mechanism can reduce problems of the attenuation of Bluetooth
signals received by all immediate beacon receivers in experiments. This paper describes the implementationof the mechanism and it’s applications.

1. はじめに複数のデバイスをグループ化し，一括で操作することで，作業効率の改善が見込める場合がある．例えば，教育やビ会議の種類毎に事前に準備して配布できると，会議の参加者への負担が減り，速やかに会議を開始することができる．
タブレットデバイスの準備の一例として，会議毎に異なるトークンによるログインを想定する．

ジネスの現場でタブレットデバイスを配布してペーパレスBluetooth ビーコン（以下ビーコン）に基づく近接情報会議を行うことがある．配布するタブレットデバイスを，を用いたグループ化手法は，近接しているすべてのデバイスを一括でグループ化できる．グループ化のためにグルー

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名古屋工業大学大学院創成シミュレーション工学専攻
Department of Scientific and Engineering Simulation, Graduate School of Engineering, Nagoya Institute of Technology
名古屋工業大学情報工学専攻
Department of Computer Science and Engineering, Graduate School of Engineering, Nagoya Institute of Technology© 2016 Information Processing Society of Japan

プ化対象のすべてのデバイスを操作する必要がない．また，グループ化対象のデバイスを空間的に集めるだけで，グループ化を行う事ができる．そのため，デバイスを直感的にグループ化できる．

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この差は，図 1 の（a）および（b）のような状況下にあるデバイスのグループ化を可能にするために課題となる．
距離による RSSI の減衰と，障害物による RSSI の減衰の区別ができず，ビーコンを受信可能な範囲内のデバイスを，適切にグループ化できない可能性があるからである．
また，2 カ所にまとめて置いたデバイス群を，異なるグループとしてグループ化したい場合，単にビーコン発信機と近接しているかどうかだけでは困難である．
図 1 一カ所にまとめておいたデバイスの Bluetooth ビーコンによるグループ化

Fig. 1 Grouping some devices gathered in one place using bluetooth beacon

デバイスのグループ化が可能な先行研究についていく
つか述べる．本研究で利用している iBeacon は，ジオフェンスとしてよく利用される．He ら [1] の提案システムは，iBeacon をジオフェンスとして利用する典型であり，iBeacon 受信機をもつユーザが iBeacon 発信機に近づくことでBluetooth に基づく近接情報を用いたデバイスのグルーシステムの恩恵を受けることができる．iBeacon 発信機をプ化手法において，デバイスによる電波の減衰，および近中心とするジオフェンスによってグループ化を行うことが隣したグループの区別が課題となる．例えば，一カ所にま考えられるが，図 1 の（a）および（b）のような場面では，とめておいたデバイスが，互いに Bluetooth の電波を減衰

上記の RSSI の減衰に対応できない．

させてしまい，近接しているかどうか判別できず，グルーKao ら [2] は，人の爪にフィットするほど小型な，爪形プ化ができない場合がある．また，二カ所にデバイスをまの入力インタフェースを実現した．本インタフェースへのとめて置いた際，それらを二種類のグループとしてグルー入力データを，Bluetooth Low Energy(BLE) 規格の信号プ化するのか，一つのグループとしてグループ化するのかによって，PC かあるいはスマートフォンに送信している．の区別が困難である．

Kao らの提案インタフェースでは，単なる通信技術として本稿では，Bluetooth に基づく近接情報を用いたデバイBLE を利用している．しかし，このような小型の入力インスのグループ化手法における 2 つの問題を解決するため

タフェースに我々の研究を応用することで，距離に基づくの手法について述べる．一つ目の課題を解決するため，近多彩な入力インタフェースの構築が期待できる．

接情報伝播機構を開発した．近接情報伝播機構をもちいるデバイスを識別する手法として，Aumi ら [3] は，ドッと，一カ所にまとめておいたデバイス間で，Bluetooth のプラー効果を応用したデバイス選択手法を提案している．

電波を逐次的に伝播させることができる．また，二つ目のユーザが手に持ったデバイスのスピーカーからは音が発生課題が解決可能か議論するため，2 カ所にまとめておいたしており，手に持ったデバイスを振るジェスチャーや，選デバイス群の，各デバイスの受信信号強度を計測する実験

択したいデバイスに向かって押し出すようなジェスチャーを行った．実験の結果以降，本稿では 2 章でグループ化手によって，ドップラー効果が生じる．音を受信したデバイ法における課題とその解決手法について議論する．3 章でスが適切にドップラー効果を認識したとき，音を認識したは，近接情報伝播機構の実装方法およびその応用についてデバイスが選択される．Aumi らの手法は，スピーカーお述べる．4 章では，デバイスによる電波の減衰を確認する

よびマイクを持つデバイスに応用が可能であり，適用範囲実験および近隣したグループの区別に向けた予備実験につに優れている．また，スピーカーつきのデバイスを用いたいて述べる．

自然なジェスチャーによってデバイスの識別が可能である．

2. Bluetooth に基づく近接情報を用いたグ
ループ化手法における課題

我々の研究では，デバイスの識別のためにデバイス間の距離の制約を設けることで，ユーザに対して，どのデバイスに対して識別を行っているかを把握させる狙いがある．

図 1 の（a）のように，テーブルにビーコン受信機を並べ

鈴木ら [4] は，タブレットデバイスを画面をまたぐようてビーコンを受信させると，最大で −30dBm(デシベルミにスワイプすることで，インタラクションするデバイスのリ) 程度の受信信号強度（RSSI）の差が生じた．図 1 の（b）識別を可能にするペアスワイプを提案している．ペアスワのように，ビーコン受信機を重ねて設置した場合も，重ねイプは，直感的な操作によってデバイスの識別が可能な点て置いたビーコン受信機毎の RSSI の差が最大で −30dBmと，一つのデバイスを識別するための操作時間に優れる点程度計測された．（a）の場合では，iPad Air 7 台を並べ，が指摘できる．しかし，ペアスワイプは同時に複数のデバ端の一台の上にビーコン発信機置いて計測した．
（b）の場

イスを識別することを考慮しておらず，一度に複数台のデ合では，iPad Air 7 台を縦に重ねて置き，その上にビーコバイスを識別する際，識別対象の全てのデバイス上でスワン発信機を置いて計測した．

イプイベントを発生させる必要がある．本機構ではビーコ© 2016 Information Processing Society of Japan768

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2016/3/3ンの受信によってデバイス間のインタラクションが可能なため，ビーコンが受信可能な範囲内においては，インタラクションのためにユーザの操作が必要ない点が優れる．
直感的なジェスチャーによってデバイス同士の通信を可能にする手法が研究されている．Goel ら [5] は，共有のテーブル上に置いたスマートフォンの間をなぞることで，デバイス間の通信をコントロールするシステムを実現した．スマートフォンに内蔵された加速度センサーおよびバイブレーションモーターを利用し，さらに追加でスマートフォンにスピーカーを装着し，利用することで，デバイス同士が共有のテーブルに置かれているかどうかを検知する．さらにデバイス間で行ったジェスチャーを検知する．
図 2 近接情報伝播機構の構成図

デバイス間の通信やデバイスとのインタラクションに関わる手法は，複数のデバイスに適用することを考えると，デFig. 2 Proximity information propagation module.

バイスに新しく機器を装着しないで適用可能な方が望まし
い．デバイスの数が増加するにつれ，デバイスに新しく装た IB の Proximity が，近接判定条件を満たすかどうかを着する機器を用意する必要があり，コストがかかるからで判定する．近接判定条件は，IB .proximity ≤ Immediate，ある．さらに，デバイスだけでなく新しく装着する機器もIB .proximity ≤ N ear および IB .proximity ≤ F ar から一管理および維持する必要があり，運用のためのコストを高つ選択して設定する．IB .proximity ≤ Immediate は，IBめてしまう．我々は，多くのデバイスに既に普及しているの Proximity が Immediate 以上に近い評価値であると言Bluetooth の発信機能および受信機能を利用することで，うことを表している．本機構は，他の機構 O から近接判

上記のコストの発生を抑えた．

定条件を変更することができる．近接判定条件を満たす場

3. Bluetooth ビーコンを用いた近接情報伝播機構
3.1 基盤技術

合，IB をビーコン情報変換機構に入力する．ビーコン情報変換機構では，機構 O に IB を入力し，他の機構 O から00
ビーコン情報 IBを取得する．その後，IBをビーコン情報
0000
IBに代入し，IBをビーコン発信機構に入力する．機構 O

本機構では，ビーコンを用いて近接情報を発信する．

0000と連携しない場合は，IB を IBに代入し，IBをビーコン

ビーコンは，iBeacon に基づく 2.4GHz 帯の信号である．

00
発信機構に入力する．ビーコン発信機構は，IBをもとにビーコン受信機がビーコン B を受信すると，ビーコン情ビーコン B 00 を生成し，発信する．以上を，本機構を組み報 IB を取得することができる．IB には，B を発信する際込んだ複数のデバイス間で繰り返すことを，近接情報伝播に UUID，Major および Minor という 3 種類の ID が付与と呼ぶ．

され，B を受信する際に RSSI および Proximity が付与さデバイス D1 ∼ Dn に近接情報伝播が起きたとすると，近れる．RSSI は，B の受信信号強度であり，Proximity は，接情報伝播の終了条件を定めない限り，D1 ∼ Dn はビーコ

RSSI を元に概算した，ビーコン発信機とビーコン受信機間ンを発信し続けてしまう．近接情報伝播の終了条件は，デの距離の評価値である．Proximity は，Immediate，Near，バイス D1 ∼ Dn に近接情報伝播が起き始めた時刻 t からFar および Unknown の 4 種類である．

tl 秒経過したときとする．デバイス Dm (1 ≤ m ≤ n) が近図 2 に本機構の構成図を示す．本機構は，iOS アプリ

接情報伝播によって伝播するビーコン B を受信したとき，ケーションを開発する際に組み込むライブラリの一つと受信した時刻 tDm および B のビーコン情報 IB をサーバにして実装した．そのため，iOS アプリケーションを開発す送信する．サーバサイドではまず，IB に紐付いた tDm がる際，開発者が独自に実装した他の機構 O（図 2 中の iOS保存されているかを確認する．保存されていない場合は，アプリケーション A に組み込まれた別の機構）と連携がtDm を t として，IB に紐付けて保存する．保存されている可能である．本機構が，ビーコン B を受信してからビー場合は，時刻 tDm が，時刻 t から tl 秒経過しているか判定

コン B 00 を発信するまでの流れを，実線の矢印で表していする．tl は，本機構を組み込んだ iOS アプリケーションかる．破線の矢印は，本機構が他の機構 O と連携する場合ら設定可能である．の入出力を表している．本機構は，ビーコンの受信を契機に動作する．ビーコン受信機構がビーコン B を受信する

3.2 近接情報伝播機構を用いたデバイス識別手法と，受信したビーコン B からビーコン情報 IB を抽出し，本機構を用いることで，一カ所に集めたデバイスに ID

近接判定機構に入力する．近接判定機構では，入力されを割り振り，グループ化することができる．デバイスに割© 2016 Information Processing Society of Japan769

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Input: IB
Output: groupID
1: groupID ← getCurrentGroupID()
2: Ib ← getIdentif yingBeacon(groupID)
3: if checkBeacon(IB , Ib ) ∪ Ib is empty then4:
if judgeP roximity(IB .rssi) then5:
BM ← getBeaconM anager()6:
advertise(IB )7:groupID ← createGroupID(IB )8:storeIdentif yingBeacon(IB )
9:
else
10:
stopAdvertise()11:
removeIdentif yingBeacon()12:
end if
13: end if

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図 4 近接情報伝播機構に基づくログインシステムの構成図

Fig. 4 Authentication system based on immediate informationpropagation.

図 3 近接情報伝播によるデバイス識別手法

Fig. 3 Device identification algorithm based on immediate information propagation mechanism.

条件を満たさない場合でも，デバイス識別を行うことができるからである．

り振られた ID を元に，あるデバイスがどのグループに所属しているか判別することを，デバイス識別と呼ぶ．

本デバイス識別手法を用いた，近接情報伝播に基づくアドホックなログインシステムについて述べる．本システ

図 3 は，本デバイス識別手法の一連の流れを示していムでは，近接情報伝播機構を用いてデバイス識別を行い，る．入力は受信したビーコン B のビーコン情報 IB であ

近接情報伝播が起きたデバイスに groupID を割り振る．

る．出力はどのグループかを示す groupID である．まgroupID が割り振られたデバイスは，groupID を用いてず，1 行目の getCurrentGroupID() で，ビーコンを受信ログインに必要な認証情報を取得し，ログインすることで，したデバイスが属する groupID を取得する．どのグルーサーバ上のコンテンツへのアクセスが認可される．本シス

プにも属していない場合は，空の値を取得する．2 行目

テムによって，例えば，必要な台数だけデバイスを用意し，の getIdentif yingBeacon() では，groupID を取得した際デバイス同士が近接判定条件を満たした状態で，一度ビーのビーコン情報を取得し，Ib に格納している．3 行目のコン発信機を近づけることで，用意したデバイスすべてをcheckBeacon(IB , Ib ) は，IB .uuid と Ib .uuid，IB .major とログインさせることができる．用意するデバイスの台数がIB .major および IB .minor と IB .minor を比較し，すべてが増加した場合でも，一度のビーコン発信機を近づける動作一致する場合に真を返す関数である．checkBeacon(IB , Ib )によって，近接判定条件を満たすすべてのデバイスに対しが真であるか，Ib が空の値である場合，4 行目以降のてログインさせることが可能である．

処理に移る．4 行目の judgeP roximity(IB .rssi) は，IB本システムの構成図を，図 4 に示す．本システムは，近が 近 接 判 定 条 件 を 満 た す 場 合 に 真 を 返 す ．IB が 近 接接情報伝播機構，近接情報伝播機構と連携するログイン情判定条件を満たす場合，5,6,7 行目の処理を実行する．

報管理機構，ログイントークン生成サーバおよび認証サー

5 行目の advertise(IB ) では，IB を元にビーコン B をバによって構成される．ログイン情報管理機構は，近接情生 成 し ，B を 発 信 し て い る ．6 行 目 で は ，IB を 元 に

報伝播機構からビーコン情報 IB を受け取ると，IB .uuid，groupID を生成し，図 3 の出力の groupID に格納していIB .major および IB .minor を用いて groupIDB を生成す

る．6 行目の createGroupID(IB ) は，IB .uuid，IB .major

る．groupID をログイントークン生成サーバに送信する

および IB .minor を入力すると，groupID を出力する関と，認証情報に紐付いた tokenB が，ログイントークン生成数である．7 行目の storeIdentif yingBeacon(IB ) では，サーバから返信される．この時，groupIDB および tokenBgroupID の 生 成 に 用 い た IB を 保 存 し て い る ．9,10 行が認証サーバに送信され，groupIDB ，tokenB および認証目 は ，groupID の 生 成 に 用 い た IB が ，近 接 判 定 条 件情報が紐付けられる．ログイン情報管理機構は．受け取っを満たさない場 合に実行される処理である．9 行目のた tokenB を認証サーバに送信することで，認証が完了し，stopAdvertise() は，ビーコンの発信を停止する関数であ認証サーバから認可情報が送信される．認可情報によっる．10 行目の removeIdentif yingBeacon() では，7 行目のて，本システムは認証サーバ上のコンテンツにアクセスすstoreIdentif yingBeacon(IB ) で保存された IB を削除してることができる．

いる．9,10 行目の処理が実行された段階では，groupID は本システムを用いて，スタンドを用いて棚に iPad を陳削除されない．一度付与された groupID の削除には，別列したまま，iPad 用アプリケーションのログインを行う様途処理を行う仕様にした．groupID を削除せずに保持す

子を図 5 に示す．図 5 中の 7 台の iPad に対して，近接情ることで，同じ groupID を持つデバイス同士が近接判定報伝播機構を用いてログインさせようとする途中である．

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図 5 近接情報伝播機構に基づくログインシステムの動作例

Fig. 5 Behavior of authentication system based on immediate
information propagation.

図 7 デバイスを重ねた際の Bluetooth ビーコン電波強度測定実験の結果

Fig. 7 Experimental result without the immediate informationpropagation.

ンの RSSI を表している．BT R の真下にあった No.1 は，RSSI が −43 ∼ −40dBm で安定しており BT R の Proximity はすべての時刻 t において Immediate であった．BT Rと iPad Air が接触しており，間に障害物がない場合には，安定して Proximity が Immediate となることがわかる．No.1 の真下に置いた No.2 は，すべての時刻 t におい
図 6 デバイスを重ねた際の Bluetooth ビーコン電波強度測定実験の実験環境

Fig. 6 Experimental environment to measure the Bluetooth
signal strength of piled beacon receivers.て No.1 に比べて RSSI が低く，−57 ∼ −56dBm で安定した．Proximity はすべての時刻 t において Near となった．

No.3，No.6 および No.7 は，RSSI が −67 ∼ −62dBm の間でばらつき，Proximity はすべて Near となった．No.4

図 5 では 3 台の iPad 上でアプリケーションがログインし，および No.5 は他の iPad Air と比べ，RSSI は低くなり，画面が遷移している．図 5 の様に，デバイスを保管したま−71 ∼ −66dBm の間でばらついた．No.4 の Proximity は，まアプリケーションのログインを完了し，デバイスを配布

時刻 t4 (0 ≤ t4 ≤ 15) において Far となり，それ以外は Nearするといった運用が可能になる．ログインの手間を配布さとなった．No.5 の Proximity は，時刻 t5 (0 ≤ t5 ≤ 29) にれる側に強いることがなくなり，iPad 用アプリケーション

おいて Far となり，それ以外は Near となった．すべてのの運用性を高めることが期待できる．

No.1∼No.7 は，BT R から 10cm（センチメートル）以内に4. 評価実験
複数のデバイスが近接した状態の時，デバイス同士がありながら，Proximity が Immedigate となったのは No.1のみにとどまり，iPad Air が重なった状態だと，実験結果のようにビーコンが減衰することが確認できた．

ビーコンの障害物となり，ビーコンを減衰させてしまう

次に，図 6 と同様の実験環境で，No.1∼No.7 に，近接場合がある．複数のデバイスが近接した状態の一つとし情報伝播機構を組み込み，No.1∼No.7 が受信したビーコて，デバイスが重なった状態でビーコンを受信させ，時刻ンの，時刻 t(1 ≤ t ≤ 300) における RSSI を計測した．

t(1 ≤ t ≤ 300) における RSSI を計測した．実験環境を図 6

実験結果を図 8 に示す．No.1 および No.2 の RSSI は，に示す．縦 0.8m × 横 1.4m のテーブルの中央に，iPad Air−35 ∼ −32dBm の間で安定した．No.3∼No.7 が計測したを画面を上向きに 7 台設置した．iPad Air は最上位から

RSSI は −45 ∼ −36dBm の間でばらついているが，いずれNo.1，No.2，. . . ，No.7 というラベルが割り当てられておも図 7 よりも RSSI の値が大きい．また，No.1∼No.7 が受り，No.1 の中央にビーコン発信機を設置した．実験に用い信した BT R のビーコンの Proximity は，すべて Immedi-たビーコン発信機は，アプリックス社製の MyBeacon[7] でate となった．1 種類のビーコンを用いて，重ねて置いたある．実験に用いたビーコン発信機を BT R と呼ぶ．BT R

No.1∼No.7 に，Immediate を計測させることに成功した．

は，実験開始までビーコンを発信していないが，実験開始

以上より，Immediate をグループ化の基準とすると，重ね時に人手でビーコンを発信させた．そのため，実験開始後て置いたデバイスをグループ化可能であると考えられる．

5 秒程度の間，実験環境周辺の障害物（人）の配置が変動

5 台ずつ iPad Air 2 を重ねて置き，近接情報伝播によっした．て二つのグループに分けられるかどうか検証するための実験結果を図 7 に示す．図 7 の横軸は，時刻 t（秒）を表予備実験を行った．図 9 の上図の様に，iPad Air2 を 5 台しており，縦軸は時刻 t における BT R が発信したビーコずつ重ねて 20cm 離して置いた．iPad Air2 には，あらか© 2016 Information Processing Society of Japan771

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5. おわりに一カ所にまとめたデバイスのグループ化を可能にする，近接情報伝播機構を実装した．本機構は，Bluetooth ビーコンの発信機能と受信機能を持つ．本機構はビーコンを受信後，近接判定条件を満たす場合，ビーコンを発信する．
近接情報伝播機構を組み込んだ複数のデバイスがビーコンを逐次的に伝播することで，一カ所にまとまったデバイス同士を同じグループとしてグループ化する．Bluetooth
図 8 近接情報伝播機構を用いた場合の実験結果

Fig. 8 Experimental result with the immediate informationpropagation.

ビーコン電波強度測定実験により，近接情報伝播機構が，一カ所にまとめて置いたデバイスを識別できることを示した．デバイスが一カ所にまとめた状態の例として，デバイスを重ねて置いた状態でビーコンの受信信号強度を計測した．計測結果から，デバイスを重ねた状態でのグループ化が可能であると結論づけた．本機構を応用したログインシステムを実装した．iPad を配布し，iPad 用のアプリケーションを運用する場面において，配布する iPad のログインを一括で行うことができる．ログインの手間を配布される側に強いることがなくなり，iPad 用アプリケーションの運用性を高めることが期待できる．
参考文献
[1]

[2]
図 9 近接情報伝播機構によって近隣のグループを区別するための予備実験環境 (上図) と結果（下図）Fig. 9 Preliminary experimental environment and result with[3]

the immediate information propagation for discriminating nearby groups.

じめ番号を割り振り，No.1 ∼ No.5 と No.6 ∼ No.10 に分けておいた．No.1 は重ねた iPad の最上位である．BT R[4]は，No.1 の中心に置き，画面側に垂直に 7c ｍ離れたところに固定した．この状態で，すべてのデバイスにビーコンを発信させ，BT R を除くすべてのデバイスが受信した[5]

ビーコンの RSSI を，図 9 の下部にまとめる．図 9 の下部の表は，行項目に受信側のデバイス名を，列項目に発信側のデバイス名を記載した．図 9 の下部の内，Proximity がImmediate となった箇所をマークした．単純に Proximity
が Immediate となったデバイス同士でグループ化すると，No.6 を No.1 ∼ No.5 のグループとするか，No.7 ∼ No.10

[6]
[7]

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In the Proceedings of the SIGCHI Conference on HumanFactors in Computing Systems. ACM, 2014, pp.13871396.
iBeacon, “https://developer.apple.com/ibeacon/”
MyBeacon, “http://www.aplix.co.jp/product/ mybeacon/mb004ac/”のグループとするか判断できない．本実験では，二つのデバイス群の間の距離および No.1 から BT R までの距離が一定のまま RSSI の計測を行ったが，今後実験を繰り返し，近隣のデバイスのグループを区別できるか検証する．

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