基于藍牙模塊的機場室內定位技術研究與應用

蔡春昊，何元清，程德昊

(中國民用航空飛行學院 計算機學院，四川 德陽 618307)

0 引言

機場是實現民航的重要組成部分，提高機場的服務管理效率能有效提高民航運輸質量。機場是一個多功能復雜的室內環境，研究機場室內定位技術可以有效提高機場服務效率。常見的室內定位技術有WiFi、藍牙、超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)、射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、ZigBee等[1]。譚凌云[2]和王忠明[3]分別基于ZigBee和WiFi技術研究機場室內定位技術。2018年，胡明[4]建議以藍牙技術設計機場的室內定位系統。2019年，藍牙5.1版本正式發布，藍牙定位進一步提高。藍牙具有易部署、精度高等優點，適用在機場室內定位系統。

1 藍牙室內定位技術

1.1 常用室內定位技術

WiFi定位技術是通過安裝無線基站，利用三邊無線網絡基站與定位終端接收的信號強度，硬件設備成本較低。ZigBee定位技術是一種短距離無線定位技術，有低功耗、成本低等優點，但信號強度易受環境影響，穩定性差。RFID定位技術是一種非接觸式的數據通信技術，定位終端在射頻磁場通過多對雙向通信傳送數據，有精度高、體積小和成本低的優點。UWB定位技術使用固定位置的橋節點和信標點以及定位終端節點通過脈沖進行數據通信，有抗干擾、精度高等優點。

1.2 藍牙定位技術概述

藍牙定位是通過測量定位終端接收到的基站信標信號強度實現的，其定位精度為1～3 m。藍牙成本低、消耗低、體積小、普及率高，適合移動終端多的機場環境。MAC地址和接收信號的強度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)值是藍牙定位的主要參數。

MAC是介質訪問控制，是識別設備的標志符。MAC地址具有唯一性，由廠商的IEEE OUI代碼和24位自編設備號組成。

RSSI是接收信號強度指示器，用來判斷接收信號的質量，是藍牙定位系統測距的重要參數。RSSI值為0是信號功率全部接收的理想狀態，所以實際中RSSI值為負值。RSSI與估算距離D滿足公式(1)。

(1)

其中，a是基站信標單位信號強度，n是環境影響系數。

2 機場藍牙定位系統設計

2.1 定位系統組成

藍牙定位系統由以下5部分組成[5]。(1)藍牙基站信標布設于定位環境，功能是標識位置和計算距離。本系統采用三角均勻部署的方法布設基站信標，兩兩間距5 m左右，實現機場三維空間三角網格狀交錯分布覆蓋。(2)定位終端是指有藍牙標簽的被定位的單元設備，終端接收基站信標的信號強度RSSI值是定位系統的重要參數。(3)數據庫用于存儲定位計算的有關數據，包含機場內基站信標和定位終端的MAC地址、信號強度RSSI以及定位終端的位置坐標等數據。(4)服務器是整個定位系統核心的部分，包含數據訪問層和業務邏輯層。服務器調用數據庫的基站信標的坐標信息，接收定位終端的MAC地址、信號強度RSSI值，實現基于位置服務的算法結構。(5)顯示端是用戶的使用界面，即在PC端或手機客戶端顯示服務器的處理結果。

2.2 定位算法

(1)濾波算法。藍牙信號強度易受環境干擾、不穩定，需要濾波去噪。常見的濾波算法有均值濾波、滑動平均濾波、高斯濾波等，由于RSSI一般服從高斯分布，故采用高斯濾波。

首先計算RSSI的均值μ和標準差σ，則RSSI的概率密度函數為式(2)。

(2)

其置信區間(μ-σ≤RSSI(k)<μ+σ)的概率為式(3)。

P(μ-σ≤RSSI(k)<μ+σ)=F(μ+σ)-F(μ-σ)=2φ(1)-1=0.682 6

(3)

濾波后的RSSI值為式(4)。

(4)

式中，RSSI(k)∈(μ-σ，μ+σ)。

(2)測距定位算法。使用RSSI值測距并采用三角質心算法計算位置坐標。如圖1所示，在無噪聲干擾情形下，假設基站信標A、B、C和定位終端T的位置坐標分別為(xa，ya)、(xb，yb)、(xc，yc)和(xt，yt)，則T到A、B、C的距離分別為Da、Db和Dc，距離關系滿足方程(5)，并且通過求解方程即可得到T估計的位置坐標。

(5)

圖2 機場環境模型

(6)

3 定位系統應用研究

3.1 旅客服務應用

機場藍牙室內定位系統最重要的應用是導航服務，旅客只需打開手機藍牙，進入機場室內地圖即可獲得導航服務。導航服務可以實現地圖縮放、移動等基本展示功能，旅客還可以根據目標位置的信息搜索完成登機口、洗手間等位置引導功能，可以改善旅客的服務體驗，提高機場的服務水平。

此外，藍牙定位系統還可以實現乘機流程時間提示功能，通過手機藍牙實時定位監視，系統將計算的旅客位置到達安檢口、登機口時間與規劃的旅客航班最優的安檢、登機時間結合，提示旅客及時完成安檢、登機，避免誤機。機場還可以實現兒童安全監控服務，兒童佩戴藍牙標簽，家長設置兒童安全活動區域，當該區域的藍牙基站未檢測到藍牙信號，藍牙定位系統將自動確定兒童位置并向家長發送警示信息，保障兒童安全。

3.2 機場管理應用

藍牙室內定位系統應用在機場內部工作人員可以緩解工作人員的壓力，提高管理效率。電子圍欄是藍牙室內定位最基礎的應用，可以應用于機場設備設施的監控，比如在一些貴重的可移動設備上貼上藍牙標簽，管理人員在后臺管理系統中可以實時查看位置，并且可以設置安全范圍，當設備超出安全范圍會自動警示，管理人員可以通過移動線路追查原因。

藍牙室內定位還可以用于緊急情況防備。應急設施設備如消防栓等要貼上藍牙標簽，平時可以通過定位系統確定其位置分布。當險情發生，可以及時利用設備位置信息和旅客位置信息及時搶險救災、疏散人群，減少人員傷亡，降低機場損失。

4 結語

綜上，藍牙具有功耗低、成本低、易部署等優點適合移動終端較多的機場環境。機場藍牙定位系統由藍牙基站信標、定位終端、數據庫、服務器和顯示端5部分組成，采用高斯濾波算法去除噪聲、三角質心定位算法測距定位。藍牙機場定位系統可以為旅客提供室內導航、登機提醒等服務，還可應用于機場設備管理與安全預警，能有效提高機場服務質量和管理效率。