基于有向天線和RSSI的藍牙無線定位基站設計

楊小青

（山西建筑職業(yè)技術(shù)學院 計算機工程系，山西 晉中 030619）

0 引 言

精準定位是無線傳感器工作效率的重要指標之一，主流的無線定位技術(shù)主要基于測距算法和測角算法。測距算法的核心技術(shù)是測量各節(jié)點間的距離、信號強度。常用的定位算法有三邊測量法、三角測量法以及最大似然估計等。三邊測距技術(shù)包括：接收信號強度RSSI（received signal strength indication）測量法、到達時間ToA（time of arrival）測量法；而測角算法的思想是通過信號相位信息或多輸入多輸出天線，計算信號達到角AoA（angle of arrival）進行定位［1］。目前藍牙定位系統(tǒng)廣泛采用指紋法，該方法網(wǎng)絡布設簡易，但指紋采集需要耗費較大人力和較多時間［2］。為此，本文設計了基于有向天線和RSSI的藍牙無線定位基站。

1 總體結(jié)構(gòu)

藍牙定位基站設計思想及總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 藍牙定位基站結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of BLE locating structure

藍牙無線定位基站的成功實現(xiàn)，關(guān)鍵在于信號的測量及準確獲取，使用四根定向天線，與水平面的定向角度分別為0°、90°、180°、270°，通過不同方向的天線，增強信號接收能力，并通過各方向信號的接收增益能力來獲取角度分辨力；中心處使用一根全向鞭狀天線來獲取均勻的空間增益，對接收到的信號強度輔助判定廣播定位節(jié)點的距離。

藍牙模塊選擇符合BLE4.0協(xié)議的低成本、低功耗的CC2541芯片；廣播接收模式選擇私有模式［3］。與傳統(tǒng)標準協(xié)議相比，此模式廣播頻率高、接收RSSI值更穩(wěn)定。對于MCU模塊，考慮到需要接收藍牙模塊UART接口傳遞的RSSI值，所以選擇STM32F1系列實現(xiàn)定位算法，并以極坐標的形式通過RJ45接口匯總至服務器平臺，供前端用戶進行位置展示。

2 天線設計

2.1 定向天線

定向天線的性能要求較強的方向增益、較低的主瓣寬度、較高的前后比等等。設計分別與水平面成0°、90°、180°、270°方向的4根定向天線實現(xiàn)方向識別。

針對2.40 GHz～2.48 GHz藍牙頻段，運用八木天線原理，設計一款小尺寸平板PCB增益天線［4］。利用主流仿真軟件HFSS建模，并進行增益、輻射方向圖等指標分析［5］。本設計中使用的PCB八木天線尺寸為120 mm×100 mm，F(xiàn)R4基板材質(zhì)厚度1 mm，實現(xiàn)與藍牙模塊連接使用50Ω的SMA接頭和同軸饋線。

3D輻射增益圖如圖2所示。其中YOZ面的二維平面增益如圖3所示。實驗過程中該天線的定向輻射性能較好，定向增益可達12 dB，水平主瓣波束寬度45°，進一步結(jié)合算法可以實現(xiàn)準確的信號測向。

圖2 3D輻射增益圖Fig.2 3D gain radiation pattern

圖3 天線YOZ面增益輻射曲線圖Fig.3 YOZ plane gain radiation pattern

2.2 全向天線

全向天線廣泛應用于無線通信領(lǐng)域，因其在水平面上全方向的均勻輻射特性、價格低廉的特點，本設計使用一根2.4GHz具有4dBi增益的全向鞭狀天線，利用全向天線接收的信號強度輔助進行距離判定。

3 算法設計

3.1 廣播節(jié)點的距離估計

實驗中利用全向天線接收的信號強度，估計藍牙廣播設備和定位基站的距離。主流的無線信號傳播模型包括Shadowing模型、雙徑地面反射等模型，本設計中采用的是Shadowing模型［6］，該模型為：

其中，R S S Id為接收到的信號強度；d為收發(fā)端的實際距離；d0為參考距離；R S S Id0是距離為d0時的信號強度；n為信道衰減指數(shù)（由傳輸環(huán)境決定）；Xσ是方差為σ、均值為0的高斯隨機變量。

利用藍牙廣播手環(huán)進行周期廣播，當藍牙手環(huán)與定位基站距離不同時，準確測量全向天線接收到的信號強度，對數(shù)擬合后計算RSSI值的公式為：

不同距離對應的信號強度關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 RSSI值與距離關(guān)系圖Fig.4 Relationship between RSSI and distance

3.2 廣播節(jié)點的AoA角度估計

本設計AoA角度估計使用四信道比幅測向法。其基本原理為：使用4個定向天線、4個藍牙接收模塊和1個信號處理模塊組成，可實現(xiàn)360°全向測量。通過比較相鄰通道天線波束接收同一信號的幅度，來確定廣播節(jié)點的角度信息［7］。

從比幅測向系統(tǒng)的原理分析可以看出，角度測量校正必不可少［8］。將藍牙定位基站置于轉(zhuǎn)臺，精確控制轉(zhuǎn)臺角度，在一定距離外利用位置固定的藍牙廣播手環(huán)向定位基站進行信號廣播；按固定采樣時間和固定轉(zhuǎn)動角度增量，對廣播信號進行采集和存儲，并測量RSSI值及各方向的幅度差，最終得到RSSI幅度差值和角度AoA的數(shù)據(jù)表。在實際使用中，已知廣播區(qū)間和RSSI幅度差，即可以查找對應角度值。經(jīng)過測算，得到ΔRSSI-AoA的曲線如圖5所示（其中A12表示天線A1、A2的接收信號RSSI差值）。

圖5 各區(qū)間天線組ΔRSSI與AoA關(guān)系圖Fig.5 Relation between Antenna pairΔRSSI and AoA

4 實驗結(jié)果分析

為驗證本設計的定位精度與性能，選取空曠環(huán)境進行實驗。被定位節(jié)點使用一枚藍牙廣播手環(huán)，距離地面1.5 m位置，使用三腳架固定藍牙定位基站，定位手環(huán)在距離定位基站分別為8 m、15 m距離的圓周上進行驗證，結(jié)果如圖6所示。

圖6 8 m和15 m時定位測試精度Fig.6 Location accuracy of 8 and 15 meters away

由測試結(jié)果可以得出，本藍牙定位基站定位誤差在1.5 m左右。與現(xiàn)存藍牙定位方案相比，在保證同等的定位精度下，極大地減少了定位基站布設數(shù)量，具有以太網(wǎng)接口進行數(shù)據(jù)傳輸至服務器，免除了指紋采集等復雜的工作，增強了網(wǎng)絡布設簡便性、提高了網(wǎng)絡的可維護性。

5 結(jié)束語

藍牙無線定位基站的成功實現(xiàn)關(guān)鍵在于信號的測量及準確獲取。本文基于此設計了一種基于有向天線和RSSI技術(shù)的無線藍牙定位基站，并對系統(tǒng)硬件選擇進行介紹，對天線性能進行仿真分。利用全向天線接收的信號強度輔助進行距離判定，實現(xiàn)了信號到達角AoA和距離的判定。實驗結(jié)果表明，該設計實現(xiàn)的定位誤差小，同時提高了藍牙定位系統(tǒng)精度，而且極大地簡便了定位網(wǎng)絡的安裝、調(diào)試和維護，降低了網(wǎng)絡布設的人力成本。