基于蓝牙技术的移动终端室内定位方法

文/任航辰 刘文华

在移动互联网快速发展的大背景之下，很对移动设备如手机等也得到了广泛的普及，基于位置服务的需求也在不断增加。典型的GPS定位系统虽然能够在室外能够发挥重要的作用，但在室内由于信号衰减、折射反射致使其应用效果不佳。因此有必要对蓝牙技术下的移动终端室内定位方法进行研究，对于推动定位技术发展具有重要的意义。

1 蓝牙室内定位技术

蓝牙虽然体积相对较小，但从理论上来讲，只要在室内选择合适的位置，进行蓝牙局域网接入点安装，并将网络连接设置模式改成基于多用户环境下的网络连接模式，当开启移动端蓝牙功能时，系统依然会收到网络信号，实现室内用户当前位置信息定位。另一方面，伴随着蓝牙低耗能技术（BLE）的不断发展，苹果等公司开始将目光转向了室内定位服务需求，也正是由于蓝牙功耗的逐渐降低，使得移动端室内长时间精准定位得以有效实现。早在2013年，苹果公司在蓝牙室内定位技术上便提出了提出基于BLE4.0的iBeacon技术，促使以蓝牙为载体的室内精准定位技术得到了快速发展。

2 蓝牙技术下的移动终端室内定位方法研究

2.1 RSSI测距方法

RSSI测距原理。信号传播需要一段时间，在这段时间内，信号强度会发生一定衰减，与此同时，在不同位置处，相应信号接收强度值也各不相同，因此我们先测算接收到的信号强度值，然后将其代人RSSI信号衰减模型中，可以计算出信号发射节点与接收节点之间的距离，从而完成室内准确定位。但信号在实际传递过程中，还会受到其他因素干扰致使其强度发生一定的改变，例如噪声干扰、信号反射干扰等，因此在实际进行定位测距时，需要对室内环境因素加以充分考虑。其中RSSI信号衰减模型如下公式：

在（1）式中，距信号源发射点距离用d表示，d0表示参考距离，通常数值为1m，距离单位为m。测量端接收信号的功率用P(d)表示，P(d0)表示参考距离d0的接收信号的功率，功率单位是dBm。ξ表示一个变量，该变量服从正太分布，均值是0，具体意义是指接收信号功率发生的变化，信号单位也是dBm。n表示电磁波衰减因子，与具体环境相关，通过对接收信号强度强度进行测量，就可以直接求出信号发射源与目标接收点的距离，n具有如下几种典型值，当在户外时，若是自由环境，n取值为2；若空间存在遮蔽物，那么n取值则处于2.7至5范围之间。当在室内时，如空间无遮挡，n取值在1.6至8范围之间。若室内空间有遮挡障碍物，则n取值在4至6范围之间。

RSSI滤波处理。对于无线信号而言，其自身有着非线性时变特点，简单来说，即是即使在相同的位置获得的多个信号，其信号强度值也会发生随机性变化，并且难以直接判断出哪一个信号强度才是正确的强度。为更好的进行判断，文章通过进行100次相同位置蓝牙信号值测试，最终发现，虽然同一位置采集的信号值强度各不相同，一直处于波动状态，但整体波动范围却很稳定，因此可以利用平均值模型进行最终信号强度值确定。

2.2 基于RSSI测距的LANDMARC系统定位算法

LANDMARC系统是一种基于RFID信号强度与测距法动态识别的定位系统。在该系统中，通过引入参考标签概念，该参考标签在系统定位中起到辅助定位校准的作用，即如果待测与参考标签距离很近，那么在同样的条件下，它们的信号强度值也会很接近，因此可以通过利用阅读器将二者进行对比，利用“K邻近”算法，选择若干参考标签，即可完成对目标物体的位置估计定位。该算法表示如下：

假设LANDMARC系统阅读器有N个，已知参考位置为M个，待测定位标签T个，那么参考标签与定位标签的距离可用如下公式表示：

在（2）式中，STi表示第i个阅读器获取到的某个参考标签的信号强度，依次类比，SRi是指为第i个阅读器获取到的某个参考标签的信号强度。然后围绕定位标签，找出与其距离最近的K个标签，采用加权求和公式，最终得出对第i个参考标签权重计算公式为 ：

3 实验验证与结论

实验场地为一个室内长方形空地，长15m，宽5.4m，底板格栅规格为60×60mm，BLE蓝牙位置分别置于长方形空地四角处，高度2m，具体表示为N1、N2、N3、N4，在测试时，蓝牙节点与测试点垂直高度差为1m。

在实际进行实验时，可以随机选择信标节点和测试节点的数量与位置，其中信标节点应尽量平均分布，确保其覆盖位置较多，在选取测试节点时，应确保其周围信标节点较多。在采集点布置上，信标节点每个1.8m布置一个，共24个，并依次做好1至24序号标记，在进行测试点布置时，为保证测试点周围具备足够多的信标点，可以选择将测试点放置在原5、7、9、11、14、16、18、20号信标点之上，为区分信标点与测试点，可以将信标点标记成灰色，测试点为白色。

在应用LANDMARC系统定位算法时，需要先做好K取值，大量实践经验证明，当K取值为6时，测量精度最高。在利用LANDMARC系统定位算法测定出具体位置后，通过将其与实际位置进行比对，并计算其与真实位置的误差，其中5、7、9、11、14、16、18、20号测试点的误差分别为：1.05、1.1、1.6、1.15、1.6、2.1、2.3、0.8m。从最终结果我们可以看出，误差基本在0.8至2.4m之间徘徊，说明基本可符合定位需求。

4 总结

综上所述，文章在分析了蓝牙室内定位技术的基础之上，从介绍RSSI测距原理方法入手，在分析了RSSI信号衰减模型后，随后对基于RSSI测距的LANDMARC系统定位算法进行了详细分析，最后为证明算法的可行性，文章进行了实验验证，对基于蓝牙技术下的室内移动端定位进行了分析，期望能够对相关研究提供一些小小的参考。