基于藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)建

姚志剛 李博

1.研究背景

室內(nèi)定位技術(shù)通過(guò)智能設(shè)備上的傳感器和無(wú)線發(fā)射器追蹤網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)獲取用戶坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位導(dǎo)航。

目前室內(nèi)定位主要有WIFI匹配、紅外定位、微波定位、ZigBee定位、藍(lán)牙測(cè)距等技術(shù)，其中WIFI匹配定位方案雖然通用性好、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)完備，但存在功耗大、精度不高的缺陷;紅外定位精度差;微波定位雖然精度高，可達(dá)厘米級(jí)，但是終端設(shè)備昂貴，通用性不好，僅適用于軍事領(lǐng)域，民用領(lǐng)域難以推廣;ZigBee定位技術(shù)延時(shí)高且作用距離短，而藍(lán)牙測(cè)距技術(shù)精度高、功耗超低、作用距離較遠(yuǎn)，比較適合在大型建筑體如商場(chǎng)、醫(yī)院等場(chǎng)景進(jìn)行室內(nèi)定位導(dǎo)航，本文主要討論基于藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)建。

2.總體方案

藍(lán)牙室內(nèi)定位通過(guò)在室內(nèi)安裝藍(lán)牙發(fā)射器信標(biāo)進(jìn)行定位鋪點(diǎn)，用戶使用手機(jī)獲得到三個(gè)點(diǎn)以上的距離以及三個(gè)點(diǎn)自身坐標(biāo)，通過(guò)方程迭代獲得待測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)。藍(lán)牙定位技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是易部署、體積小、終端設(shè)備支持多且功耗超低，基于藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)定位解決方案具有很強(qiáng)的實(shí)用性。只要手機(jī)保持藍(lán)牙開啟，便可以實(shí)時(shí)獲得用戶位置。

本文研究在使用無(wú)線傳輸模塊和數(shù)據(jù)通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，開發(fā)交互式服務(wù)和應(yīng)用，以便在便攜式通信設(shè)備上實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙室內(nèi)定位。本地設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備需要使用相同的協(xié)議，不同的應(yīng)用需要不同的協(xié)議棧，所有的應(yīng)用都要使用藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。利用藍(lán)牙，將需要數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信的各個(gè)設(shè)備之間連成一個(gè)網(wǎng)即微微網(wǎng)，或?qū)讉€(gè)網(wǎng)進(jìn)一步互連，組成一個(gè)更大的網(wǎng)即分布式網(wǎng)絡(luò)。

3.硬件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙定位基站直接安裝建筑物墻體上，在高度不超3米的建筑內(nèi)也可安裝在吊頂上。藍(lán)牙定位基站安裝密度要求每27m3 至少有兩臺(tái)基站（至少三臺(tái)定位基站才能獲取準(zhǔn)確位置信息）。每個(gè)藍(lán)牙定位基站通過(guò)局域網(wǎng)連接交換機(jī)，交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接云端處理器。

采用BlueCore4芯片作為硬件系統(tǒng)的核心，集成了射頻無(wú)線電、RAM、數(shù)字信號(hào)處理、微處理器以及I/O接口。

接收器具有接收接近零中頻結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)允許把信道濾波集成到內(nèi)核中，在低噪聲放大器輸入端足夠高的帶外截止性能指標(biāo)允許射頻模塊靠近GSM和CDMA手機(jī)發(fā)射器使用。

RF接口形成一個(gè)50歐姆的不平衡輸出/輸入，可以直接連接到天線，不需要阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。RF接口電路如圖2。

4、軟件設(shè)計(jì)

RSSI方法即接收信號(hào)強(qiáng)度指示方法，基本原理是：己知發(fā)射機(jī)信號(hào)發(fā)射功率，測(cè)得接收機(jī)接收到的信號(hào)強(qiáng)度值，然后通過(guò)無(wú)線信號(hào)空間傳播模型化功率值為距離，計(jì)算出發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離，最后通過(guò)三角形質(zhì)心算法計(jì)算出待測(cè)人員坐標(biāo)位置。

定位原理是：已知發(fā)射機(jī)信號(hào)發(fā)射功率，測(cè)得接收機(jī)接收到的信號(hào)強(qiáng)度值，即RSSI值。然后通過(guò)無(wú)線信號(hào)空間傳播模型化功率值為距離，計(jì)算出發(fā)射機(jī)與接收機(jī)距離，最后通過(guò)三角形算法計(jì)算出待測(cè)人員坐標(biāo)位置。

三角測(cè)量法是基于非測(cè)距的算法，算法原理為：假設(shè)平面上有三個(gè)不在同一直線上的三個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B、C和一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)D，并己測(cè)得未知節(jié)點(diǎn)相對(duì)于己知節(jié)點(diǎn)的角度，即己知∠ADB、∠ADC、和∠BDC，則根據(jù)∠ADB和未知節(jié)點(diǎn)D可唯一確定一個(gè)圓o1，根據(jù)∠ADC和未知節(jié)點(diǎn)D可唯一確定一個(gè)圓o3，根據(jù)∠BDC和未知節(jié)點(diǎn)D可唯一確定一個(gè)圓o，三圓相較于一點(diǎn)，即為未知節(jié)點(diǎn)D，三角形算法如圖3所示。

解此方程組，可得圓O1的圓心坐標(biāo)和半徑，同理可得圓O2和圓O3的圓心坐標(biāo)和半徑，然后再根據(jù)三邊測(cè)量法即可求得未知節(jié)點(diǎn) D 的坐標(biāo)。

藍(lán)牙定位基站不斷發(fā)送beacon廣播報(bào)文，搭載藍(lán)牙5.0模塊的終端設(shè)備收到播報(bào)文后，測(cè)量出接收功率，帶入到功率衰減與距離關(guān)系的函數(shù)中，測(cè)算出距離該beacon基站的距離。

5.小結(jié)

處理器通過(guò)位置數(shù)據(jù)的對(duì)比，結(jié)合建筑內(nèi)部的電子地圖，即可精確計(jì)算出用戶所在位置，根據(jù)指定的目的地，規(guī)劃引導(dǎo)路線并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶?；緯?huì)不斷測(cè)量用戶位置，用戶位置信息刷新頻率為2次/秒以上，以保證引導(dǎo)信息的實(shí)時(shí)更新。

本文研究的基于藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)可以解決目前GPS無(wú)法解決的大型建筑體內(nèi)精確導(dǎo)航的問(wèn)題，具有十分廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙方，羅海勇，馬嚴(yán)，徐俊俊.“基于公共信標(biāo)集的高精度射頻指紋定位算法”，計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，ISSN 1000-1239/CN 11-1777/TP，49（2）：243-252，2012

[2]倪巍，王宗欣.“基于接收信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量的室內(nèi)定位算法”，復(fù)旦學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），Vol.43 NO.1 Feb.2004

[3]徐鳳燕，石鵬，王宗欣.“基于參數(shù)擬合的距離-損耗模型室內(nèi)定位算法”，電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，Vol.12 NO.1 Feb.2007

[4]陳永光，李修和.“基于信號(hào)強(qiáng)度的室內(nèi)定位技術(shù)”，電子學(xué)報(bào)，Vol.32 NO.9 Sep.2004

作者簡(jiǎn)介：

姚志剛（1996-），男，漢族，浙江杭州人，在校學(xué)生，主要從事建筑智能化工程技術(shù)、智能家居研究 。

*基金項(xiàng)目：（2017年度浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃（新苗人才計(jì)劃）項(xiàng)目，省級(jí)，項(xiàng)目編號(hào)：2017R445001）