基于蓝牙技术的室内导航系统的构建

2019-10-21姚志刚李博

科学与财富 2019年7期

姚志刚李博

1.研究背景

室内定位技术通过智能设备上的传感器和无线发射器追踪网络，实时获取用户坐标，实现室内定位导航。

目前室内定位主要有WIFI匹配、红外定位、微波定位、ZigBee定位、蓝牙测距等技术，其中WIFI匹配定位方案虽然通用性好、基础设施建设相对完备，但存在功耗大、精度不高的缺陷;红外定位精度差;微波定位虽然精度高，可达厘米级，但是终端设备昂贵，通用性不好，仅适用于军事领域，民用领域难以推广;ZigBee定位技术延时高且作用距离短，而蓝牙测距技术精度高、功耗超低、作用距离较远，比较适合在大型建筑体如商场、医院等场景进行室内定位导航，本文主要讨论基于蓝牙技术的室内导航系统的构建。

2.总体方案

蓝牙室内定位通过在室内安装蓝牙发射器信标进行定位铺点，用户使用手机获得到三个点以上的距离以及三个点自身坐标，通过方程迭代获得待测坐标点。蓝牙定位技术优点是易部署、体积小、终端设备支持多且功耗超低，基于蓝牙技术的室内定位解决方案具有很强的实用性。只要手机保持蓝牙开启，便可以实时获得用户位置。

本文研究在使用无线传输模块和数据通信协议的基础上，开发交互式服务和应用，以便在便携式通信设备上实现蓝牙室内定位。本地设备和远端设备需要使用相同的协议，不同的应用需要不同的协议栈，所有的应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。利用蓝牙，将需要数据和语音通信的各个设备之间连成一个网即微微网，或将几个网进一步互连，组成一个更大的网即分布式网络。

3.硬件设计

蓝牙定位基站直接安装建筑物墙体上，在高度不超3米的建筑内也可安装在吊顶上。蓝牙定位基站安装密度要求每27m3 至少有两台基站（至少三台定位基站才能获取准确位置信息）。每个蓝牙定位基站通过局域网连接交换机，交换机通过网络连接云端处理器。

采用BlueCore4芯片作为硬件系统的核心，集成了射频无线电、RAM、数字信号处理、微处理器以及I/O接口。

接收器具有接收接近零中频结构，这个结构允许把信道滤波集成到内核中，在低噪声放大器输入端足够高的带外截止性能指标允许射频模块靠近GSM和CDMA手机发射器使用。

RF接口形成一个50欧姆的不平衡输出/输入，可以直接连接到天线，不需要阻抗匹配网络。RF接口电路如图2。

4、软件设计

RSSI方法即接收信号强度指示方法，基本原理是：己知发射机信号发射功率，测得接收机接收到的信号强度值，然后通过无线信号空间传播模型化功率值为距离，计算出发射机与接收机距离，最后通过三角形质心算法计算出待测人员坐标位置。

定位原理是：已知发射机信号发射功率，测得接收机接收到的信号强度值，即RSSI值。然后通过无线信号空间传播模型化功率值为距离，计算出发射机与接收机距离，最后通过三角形算法计算出待测人员坐标位置。

三角测量法是基于非测距的算法，算法原理为：假设平面上有三个不在同一直线上的三个节点A、B、C和一个未知节点D，并己测得未知节点相对于己知节点的角度，即己知∠ADB、∠ADC、和∠BDC，则根据∠ADB和未知节点D可唯一确定一个圆o1，根据∠ADC和未知节点D可唯一确定一个圆o3，根据∠BDC和未知节点D可唯一确定一个圆o，三圆相较于一点，即为未知节点D，三角形算法如图3所示。

解此方程组，可得圆O1的圆心坐标和半径，同理可得圆O2和圆O3的圆心坐标和半径，然后再根据三边测量法即可求得未知节点 D 的坐标。

蓝牙定位基站不断发送beacon广播报文，搭载蓝牙5.0模块的终端设备收到播报文后，测量出接收功率，带入到功率衰减与距离关系的函数中，测算出距离该beacon基站的距离。

5.小结

处理器通过位置数据的对比，结合建筑内部的电子地图，即可精确计算出用户所在位置，根據指定的目的地，规划引导路线并通过网络发送给用户。基站会不断测量用户位置，用户位置信息刷新频率为2次/秒以上，以保证引导信息的实时更新。

本文研究的基于蓝牙技术的室内导航系统可以解决目前GPS无法解决的大型建筑体内精确导航的问题，具有十分广阔的市场应用前景。

参考文献：

[1]赵方，罗海勇，马严，徐俊俊.“基于公共信标集的高精度射频指纹定位算法”，计算机研究与发展，ISSN 1000-1239/CN 11-1777/TP，49（2）：243-252，2012

[2]倪巍，王宗欣.“基于接收信号强度测量的室内定位算法”，复旦学报（自然科学版），Vol.43 NO.1 Feb.2004

[3]徐凤燕，石鹏，王宗欣.“基于参数拟合的距离-损耗模型室内定位算法”，电路与系统学报，Vol.12 NO.1 Feb.2007

[4]陈永光，李修和.“基于信号强度的室内定位技术”，电子学报，Vol.32 NO.9 Sep.2004

作者简介：

姚志刚（1996-），男，汉族，浙江杭州人，在校学生，主要从事建筑智能化工程技术、智能家居研究。