基于藍牙技術的室內導航系統的構建

姚志剛 李博

1.研究背景

室內定位技術通過智能設備上的傳感器和無線發射器追蹤網絡，實時獲取用戶坐標，實現室內定位導航。

目前室內定位主要有WIFI匹配、紅外定位、微波定位、ZigBee定位、藍牙測距等技術，其中WIFI匹配定位方案雖然通用性好、基礎設施建設相對完備，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，可達厘米級，但是終端設備昂貴，通用性不好，僅適用于軍事領域，民用領域難以推廣;ZigBee定位技術延時高且作用距離短，而藍牙測距技術精度高、功耗超低、作用距離較遠，比較適合在大型建筑體如商場、醫院等場景進行室內定位導航，本文主要討論基于藍牙技術的室內導航系統的構建。

2.總體方案

藍牙室內定位通過在室內安裝藍牙發射器信標進行定位鋪點，用戶使用手機獲得到三個點以上的距離以及三個點自身坐標，通過方程迭代獲得待測坐標點。藍牙定位技術優點是易部署、體積小、終端設備支持多且功耗超低，基于藍牙技術的室內定位解決方案具有很強的實用性。只要手機保持藍牙開啟，便可以實時獲得用戶位置。

本文研究在使用無線傳輸模塊和數據通信協議的基礎上，開發交互式服務和應用，以便在便攜式通信設備上實現藍牙室內定位。本地設備和遠端設備需要使用相同的協議，不同的應用需要不同的協議棧，所有的應用都要使用藍牙技術規范中的數據鏈路層和物理層。利用藍牙，將需要數據和語音通信的各個設備之間連成一個網即微微網，或將幾個網進一步互連，組成一個更大的網即分布式網絡。

3.硬件設計

藍牙定位基站直接安裝建筑物墻體上，在高度不超3米的建筑內也可安裝在吊頂上。藍牙定位基站安裝密度要求每27m3 至少有兩臺基站（至少三臺定位基站才能獲取準確位置信息）。每個藍牙定位基站通過局域網連接交換機，交換機通過網絡連接云端處理器。

采用BlueCore4芯片作為硬件系統的核心，集成了射頻無線電、RAM、數字信號處理、微處理器以及I/O接口。

接收器具有接收接近零中頻結構，這個結構允許把信道濾波集成到內核中，在低噪聲放大器輸入端足夠高的帶外截止性能指標允許射頻模塊靠近GSM和CDMA手機發射器使用。

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

4、軟件設計

RSSI方法即接收信號強度指示方法，基本原理是：己知發射機信號發射功率，測得接收機接收到的信號強度值，然后通過無線信號空間傳播模型化功率值為距離，計算出發射機與接收機距離，最后通過三角形質心算法計算出待測人員坐標位置。

定位原理是：已知發射機信號發射功率，測得接收機接收到的信號強度值，即RSSI值。然后通過無線信號空間傳播模型化功率值為距離，計算出發射機與接收機距離，最后通過三角形算法計算出待測人員坐標位置。

三角測量法是基于非測距的算法，算法原理為：假設平面上有三個不在同一直線上的三個節點A、B、C和一個未知節點D，并己測得未知節點相對于己知節點的角度，即己知∠ADB、∠ADC、和∠BDC，則根據∠ADB和未知節點D可唯一確定一個圓o1，根據∠ADC和未知節點D可唯一確定一個圓o3，根據∠BDC和未知節點D可唯一確定一個圓o，三圓相較于一點，即為未知節點D，三角形算法如圖3所示。

解此方程組，可得圓O1的圓心坐標和半徑，同理可得圓O2和圓O3的圓心坐標和半徑，然后再根據三邊測量法即可求得未知節點 D 的坐標。

藍牙定位基站不斷發送beacon廣播報文，搭載藍牙5.0模塊的終端設備收到播報文后，測量出接收功率，帶入到功率衰減與距離關系的函數中，測算出距離該beacon基站的距離。

5.小結

處理器通過位置數據的對比，結合建筑內部的電子地圖，即可精確計算出用戶所在位置，根據指定的目的地，規劃引導路線并通過網絡發送給用戶。基站會不斷測量用戶位置，用戶位置信息刷新頻率為2次/秒以上，以保證引導信息的實時更新。

本文研究的基于藍牙技術的室內導航系統可以解決目前GPS無法解決的大型建筑體內精確導航的問題，具有十分廣闊的市場應用前景。

參考文獻：

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

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[3]徐鳳燕，石鵬，王宗欣.“基于參數擬合的距離-損耗模型室內定位算法”，電路與系統學報，Vol.12 NO.1 Feb.2007

[4]陳永光，李修和.“基于信號強度的室內定位技術”，電子學報，Vol.32 NO.9 Sep.2004

作者簡介：

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

*基金項目：（2017年度浙江省大學生科技創新活動計劃（新苗人才計劃）項目，省級，項目編號：2017R445001）