基于藍牙技術的工廠巡檢定位和數據通信研究

閆凱鋒

【摘要】利用藍牙技術的無線通信和定位功能，開發一種工廠巡檢定位和數據通信系統，在工廠車間內架設藍牙模塊，建立基站，當巡檢人員手持藍牙終端在工廠內巡檢時，系統可以實時定位巡檢人員所處的位置，并將巡檢人員得到的巡檢數據實時同步到計算機上，并實時顯示在控制室的屏幕上。

【關鍵詞】藍牙室內定位工廠巡檢數據通信信號強度指紋定位

一、引言

現在正在使用的工廠巡檢設備普遍采用打卡或者簽字等手段監督巡檢人員是否到達現場進行了巡檢，巡檢完成后再將巡檢設備插在計算機上，將數據導入計算機。甚至有些工廠還采用手工記錄巡檢數據的方式，回到辦公室后再將數據手工錄入計算機。這些設備使用極其不方便，而且時常造成錯誤，而且也存在很多管理漏洞。我們將采用室內定位技術對巡檢人員的整個巡檢過程進行監督，同時利用無線通信技術將巡檢數據實時同步到計算機。

目前，比較流行的室內定位和無線通信技術是采用WiFi技術，但是WiFi定位系統具有架設成本較高，功耗較大等弱點，阻礙了室內定位技術的商業化進程。我們采用低功耗藍牙技術來實現室內定位和數據通信功能。

二、定位原理

藍牙終端和基站之間的距離計算可以通過接受信號強度（RSSI）、到達時間（TOA）、到達角度（AOA）、到達時差（TDOA）等技術獲得。近年，信號指紋技術成為一種新興的定位技術。

基于工廠內部有些區域定位精度要求較高，而有些區域定位精度要求較低，我們采用基于信號強度（RSSI）的定位技術和基于指紋的定位技術相結合的方式。

（1）基于信號強度（RSSI）的定位技術

三個藍牙基站（BS1、BS2、BS3）與藍牙終端（MS）之間的位置關系如圖1所示。r1、r2、r3為MS與三個BS之間距離，這個距離可以根據信號強度與距離的函數關系計算得到。

（2）基于指紋的定位技術

接收到的信號由于其對地形和傳播時障礙具有依賴性，因而呈現出非常強的站點特殊性，因此，對于每一個位置來說，該信道的多徑結構對每一個位置是唯一的，如果同樣的射頻信號被從該位置發射，這樣的多徑特征可以被認為是該位置的指紋或者特征簽名。

當使用指紋識別進行定位時，藍牙終端使用接收到的多個基站信號強度構建RSSI向量。為方便描述，假設藍牙終端檢測到的RSSI向量表示為m=（m1，…，mi，…mp），其中mi為第i基站發射的RSSI值，mp為基站總數。

指紋庫表示為nj=（n1，…，np），指紋庫中每個rj所對應的坐標是已知的，表示為：l=f（n）。

在實際使用過程中，當藍牙終端在定位區域某一位置時，其接收來自p個基站的信號，其信號強度可構成RSSI向量m=（m1，…，mi，…mp），此時將m與指紋庫進行比對，從而得到位置坐標。

三、系統組成

在工廠車間內架設藍牙模塊，當巡檢人員在工廠內巡檢時，系統可以實時定位巡檢人員所處的位置，并將巡檢人員得到的巡檢數據實時同步到計算機上，并實時顯示在控制室的屏幕上。

本系統包括三部分：藍牙基站、藍牙終端、上位機。

（1）藍牙基站：主要功能是檢測周圍藍牙終端的RSSI，并將結果上傳給上位機。多臺藍牙基站架設在工廠內。

（2）藍牙終端：與藍牙基站進行通信，從而檢測出藍牙終端的位置。藍牙終端由巡檢人員隨身攜帶。同時藍牙終端可以將巡檢數據輸入藍牙終端，然后數據再通過藍牙基站上傳至上位機。

（3）上位機：通過藍牙基站接收定位信息和巡檢數據，然后通過計算機運算后，將定位數據和巡檢數據顯示在顯示屏上。

工作流程是：通過架設在工廠內的藍牙基站，測出藍牙終端在基站出的RSSI，藍牙基站把這些RSSI數據發送到上位機，上位機對RSSI數據進行處理、計算，得到藍牙終端的位置數據，并顯示在控制室顯示器上。

四、技術優勢

（1）功耗低：目前藍牙基站及終端功耗已經非常低，一個藍牙基站可以依賴紐扣電池持續工作一年。

（2）成本低：藍牙基站的成本非常低。基于CSR芯片的的基站每個只有20元人民幣左右，將來批量生產成本還能進一步降低。

（3）架設容易：藍牙基站體積小，而且可以用電池供電，藍牙基站可以像即時貼一樣隨意用雙面膠把基站粘到需要做定位的區域。

（4）定位精度高：定位精度和藍牙基站的鋪設密度和發射功率有密切關系。即使采用簡單的信號強度算法，如果每隔10米架設一個，定位精度可以控制到1米以內。

五、總結與展望

隨著近幾年藍牙技術的發展，尤其是藍牙4.0標準的發布，藍牙技術的功耗和成本都大大降低，定位的精度也越來越高，藍牙定位技術已經具備商業推廣的條件。未來，藍牙技術將會給人們工作和生活方式帶來更多的便利。基于藍牙技術的產品將會越來越普及。

參考文獻

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