基于藍(lán)牙微功耗的室內(nèi)定位檢測(cè)系統(tǒng)

竇昱欽，張 峰，許寅曦，白志帥

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710032）

室內(nèi)定位，指在室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的位置定位，是集成了無線通訊、基站定位、慣導(dǎo)定位等多種技術(shù)的一套室內(nèi)位置定位體系。

傳統(tǒng)的定位技術(shù)有紅外線、超聲波、Wi-Fi（wireless fidelity）等，大都存在成本高，定位不準(zhǔn)確等問題。隨著無線通信技術(shù)與智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于藍(lán)牙BLE（bluetooth low energy）的室內(nèi)定位具有設(shè)備體積比較小，功耗低，建立連接時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，然而藍(lán)牙BLE用于室內(nèi)距離及定位信息獲取尚存在一些關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)和定位精度不高的問題。在此，利用嵌入式軟硬件技術(shù)、4G技術(shù)開發(fā)了一整套室內(nèi)定位檢測(cè)系統(tǒng)，為室內(nèi)定位技術(shù)提供了一種更優(yōu)的方案。該系統(tǒng)可用于室內(nèi)物體監(jiān)測(cè)定位等領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)防盜、防丟失監(jiān)控等功能，解決實(shí)際的工程問題。

1 基于BLE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 整體方案

所設(shè)計(jì)的藍(lán)牙BLE定位系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)主要由iBeacon定位系統(tǒng)、嵌入式控制平臺(tái)、4G模塊、電源模塊等組成。

圖1 室內(nèi)定位檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design scheme of indoor location detection system

該方案采用STM32作為主處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的處理；系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分采用NORDIC公司的NRF51822藍(lán)牙芯片。在室內(nèi)定位檢測(cè)系統(tǒng)中，將1塊藍(lán)牙BLE模塊固定在被定位物體上作為探測(cè)目標(biāo)。藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)1連接處理器，并通過接收目標(biāo)藍(lán)牙模塊RSSI值實(shí)現(xiàn)對(duì)被定位物體的位置監(jiān)控。藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)1與另外布設(shè)的3個(gè)藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)構(gòu)成四點(diǎn)定位，提高了定位的準(zhǔn)確性進(jìn)而增加系統(tǒng)的可靠性。

藍(lán)牙主機(jī)和錨節(jié)點(diǎn)搜索、接收目標(biāo)藍(lán)牙模塊所發(fā)送的信號(hào)并獲取RSSI值和ID值，然后錨節(jié)點(diǎn)將自己的ID和獲取的RSSI值通過藍(lán)牙通訊發(fā)送給藍(lán)牙主機(jī)，藍(lán)牙主機(jī)再將接收到的數(shù)據(jù)通過串行通信技術(shù)發(fā)送給ARM處理器。ARM處理器利用信號(hào)強(qiáng)度衰減模型，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)至目標(biāo)藍(lán)牙模塊的距離，再采用定位算法計(jì)算出目標(biāo)物體的位置，由此實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位功能。

1.2 基于iBeacon的場(chǎng)強(qiáng)值獲取

在整個(gè)定位系統(tǒng)中，被定位物體與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離測(cè)量是基礎(chǔ)，而這個(gè)距離的測(cè)量需要利用接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值，該值是基于iBeacon體系實(shí)現(xiàn)的。

文中采用iBeacon服務(wù)體系將藍(lán)牙BLE技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定位中，其基本工作方式如圖2所示。

圖2 室內(nèi)定位iBeacon工作方式Fig.2 Indoor positioning iBeacon working mode

配有藍(lán)牙通信功能的設(shè)備，作為iBeacon服務(wù)器向周圍發(fā)送自己特有的ID和RSSI信息。接收到該ID的iBeacon基站，通過軟件根據(jù)該ID采取相應(yīng)的行動(dòng)或執(zhí)行相關(guān)的響應(yīng)。同時(shí)，基于這樣的工作方式，將1個(gè)支持BLE的藍(lán)牙4.0模塊作為定位系統(tǒng)中的iBeacon服務(wù)器，其通過BLE協(xié)議周期性地廣播發(fā)送信號(hào)。由室內(nèi)合理布置的BLE模塊接收iBeacon服務(wù)器發(fā)送的信號(hào)，通過信號(hào)的強(qiáng)度測(cè)定自身與服務(wù)器的距離，再將各模塊的數(shù)據(jù)綜合并借助相應(yīng)的定位算法，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)較精準(zhǔn)定位。

1.3 空間立體定位的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的三點(diǎn)定位算法難以實(shí)現(xiàn)空間立體點(diǎn)位，在此引入四點(diǎn)定位算法，且對(duì)錨節(jié)點(diǎn)的布局進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。室內(nèi)定位的布局如圖3所示。

圖3 室內(nèi)藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)布局Fig.3 Indoor bluetooth node layout

圖中，將1塊藍(lán)牙主機(jī)固定在被定位物體5上作為探測(cè)目標(biāo)，周期性地向四周輻射電波。4個(gè)藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)垂直擺放，使它們的信號(hào)都能輻射整個(gè)被定位物體的活動(dòng)區(qū)域，這樣藍(lán)牙主機(jī)與藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)就能夠進(jìn)行無線通信。藍(lán)牙主機(jī)搜索藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)所發(fā)送廣播信號(hào)，為了降低藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)的功耗，距離的計(jì)算與定位在ARM處理器中完成，藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)直接將獲取的RSSI值和自己的ID通過藍(lán)牙無線通訊發(fā)送給藍(lán)牙主機(jī)，藍(lán)牙主機(jī)將接收到數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)與處理器相連接的藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)，最后該節(jié)點(diǎn)通過串口將接受的數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM處理器，處理器將場(chǎng)強(qiáng)值轉(zhuǎn)化為距離。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)位置信息采集部分采用Nordic公司的NRF51822藍(lán)牙芯片。NRF51822是一款強(qiáng)大、靈活的多協(xié)議單芯片解決方案，采用32位ARM Cortex-M0處理器，配備256 kB Flash和16 kB RAM，嵌入式2.4 GHz收發(fā)器支持低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧和2.4 G協(xié)議棧。NRF51822所有數(shù)字I/O引腳可自由定義和映射，便于開發(fā)；其藍(lán)牙協(xié)議和應(yīng)用代碼的存儲(chǔ)空間相互分開，互不干擾，使用簡(jiǎn)單。

NRF51822外圍及射頻電路如圖4所示。

圖4 NRF51822外圍電路及射頻電路的設(shè)計(jì)Fig.4 Design of NRF51822 peripheral circuit and RF circuit

圖中，NRF51822供電范圍為1.8～3.6 V，芯片通過XC1和XC2為其并聯(lián)外接16 MHz晶體振蕩器提供時(shí)鐘信號(hào)。模塊射頻天線設(shè)計(jì)是利用ANT1和ANT2差分天線接口外接倒F天線，并通過片上功率放大器輸出端口ADD_PA為天線提供軟件可調(diào)發(fā)射功率。NRF51822的P0.09和P0.11被映射為芯片串行接口分別連接處理器的接收和發(fā)送端口。

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊選型及電路原理設(shè)計(jì)

系統(tǒng)處理器部分負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的處理，而數(shù)據(jù)處理中的定位算法需要大量的運(yùn)算。為了滿足定位的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體推出的基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407ZGT6高性能微控制器。STM32F407集成了單周期 DSP指令和 FPU，168 MHz的高速性能便于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)控制器應(yīng)用和快速的產(chǎn)品開發(fā)，提升了控制算法的執(zhí)行速率和代碼效率。主控模塊原理設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖中，STM32F407通過USART串行接口獲取藍(lán)牙主機(jī)接收的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過定位算法計(jì)算出放射源的位置，然后做出狀態(tài)判斷。STM32F407另一路串口連接SIM7100模塊，可發(fā)送AT指令控制模塊工作。處理器的時(shí)鐘電路通過并聯(lián)外接32 MHz石英晶振和2個(gè)10 pF電容構(gòu)成，復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位。

3 基于RSSI定位算法

3.1 RSSI測(cè)距算法

式中：n為信號(hào)傳播系數(shù)；d為接收者與發(fā)送者之間的距離；A為距離發(fā)送者1 m時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度。測(cè)距精度的高低受n與A實(shí)際取值大小的影響較大，為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可以通過測(cè)量距離發(fā)送者1 m時(shí)的Sr，s得到；n是用于描述信號(hào)強(qiáng)度隨距離增加而遞減的參量，其值依賴具體的測(cè)量環(huán)境。

根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制出RSSI衰減模型曲線，如圖6所示。

圖5 主控制模塊原理設(shè)計(jì)Fig.5 Main control module principle design

3.2 提高測(cè)距精度與算法優(yōu)化

式（1）所示的RSSI衰減模型在相關(guān)參數(shù)合理確定的情況下為圖6所示的曲線。由于室內(nèi)環(huán)境較為復(fù)雜，在建立模型時(shí)往往由于A與n不夠準(zhǔn)確，使得Sr，s實(shí)測(cè)值呈現(xiàn)出圖6所示的特征，勢(shì)必影響定位的準(zhǔn)確度。為此，需要對(duì)參數(shù)A和n進(jìn)行優(yōu)化，擬采用最小二乘多項(xiàng)式擬合的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。 設(shè)每次測(cè)量的值為（xi，yi），有

圖6 RSSI衰減模型曲線Fig.6 RSSI attenuation model curve

則當(dāng)擬合函數(shù)為多項(xiàng)式時(shí)，即為多項(xiàng)式擬合。即令

也即

式（5）是關(guān)于 a0，a1，a2，…，an的線性方程組，其矩陣形式為

該方程組的系數(shù)矩陣是一個(gè)對(duì)稱的正定矩陣，存在唯一解。 解出 ak（k=0，1，2，…，n），即可確定式（2）的多項(xiàng)式，進(jìn)而確立衰減模型。

經(jīng)過對(duì)衰減模型參數(shù)A和n的進(jìn)一步優(yōu)化處理，可以使模型的相關(guān)參數(shù)更加準(zhǔn)確，定位的準(zhǔn)確性得以提高。后續(xù)的實(shí)測(cè)結(jié)果也驗(yàn)證了A和n的進(jìn)一步優(yōu)化為整體系統(tǒng)定位的精度提供可靠的保障，

3.3 室內(nèi)定位算法

四邊定位原理如圖7所示。

圖7 四邊定位原理Fig.7 Four-edge positioning principle

如圖所示，藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)1—4分別到藍(lán)牙主機(jī)（被定位物體）的距離為 A1，B1，A2，B2，根據(jù)三角形的幾何關(guān)系，藍(lán)牙主機(jī)的位置坐標(biāo)（X，Y，Z）為

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果與測(cè)試

在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，對(duì)其中一對(duì)主從機(jī)的藍(lán)牙模塊之間每隔10 cm距離進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)值的測(cè)試，得到距離與場(chǎng)強(qiáng)值之間的數(shù)據(jù)信息，見表1。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test result

表1以x，y軸為平面，z軸為垂直方向，并在垂直方向每間隔0.1 m平面方向隨機(jī)取值并進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比測(cè)量結(jié)果誤差，結(jié)果在非理想情況下依據(jù)距離的變化而使信號(hào)的衰減產(chǎn)生依次遞減的趨勢(shì)。雖然尚產(chǎn)生一些波動(dòng)，但對(duì)比之前未優(yōu)化參數(shù)的情況要好，定位精度達(dá)到亞米級(jí)，能夠滿足日常定位需要。

5 結(jié)語

基于藍(lán)牙BLE技術(shù)，借助于iBeacon體系、RSSI測(cè)距算法及四點(diǎn)定位原理，完成了一套室內(nèi)定位的設(shè)計(jì)與開發(fā)，并進(jìn)行了功能與定位精度的測(cè)試試驗(yàn)。研究表明，利用藍(lán)牙BLE技術(shù)開發(fā)室內(nèi)定位系統(tǒng)具有低成本、低功耗、布局方便等優(yōu)點(diǎn)；利用四點(diǎn)定位算法，結(jié)合合理的錨節(jié)點(diǎn)布局，能有效的實(shí)現(xiàn)空間立體定位；利用曲線擬合對(duì)RSSI測(cè)距公式進(jìn)行優(yōu)化，可提高系統(tǒng)的定位精度；優(yōu)化后的BLE室內(nèi)定位定位系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中可達(dá)到亞米級(jí)定位精度。所開發(fā)的定位檢測(cè)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于室內(nèi)定位工程項(xiàng)目中，解決了放射源位置實(shí)時(shí)監(jiān)管問題。對(duì)該系統(tǒng)稍加改造與拓展，可用于其他需要較高定位精度的場(chǎng)合。

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