基于藍(lán)牙技術(shù)的移動終端室內(nèi)定位方法

文/任航辰 劉文華

在移動互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的大背景之下，很對移動設(shè)備如手機等也得到了廣泛的普及，基于位置服務(wù)的需求也在不斷增加。典型的GPS定位系統(tǒng)雖然能夠在室外能夠發(fā)揮重要的作用，但在室內(nèi)由于信號衰減、折射反射致使其應(yīng)用效果不佳。因此有必要對藍(lán)牙技術(shù)下的移動終端室內(nèi)定位方法進行研究，對于推動定位技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。

1 藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)

藍(lán)牙雖然體積相對較小，但從理論上來講，只要在室內(nèi)選擇合適的位置，進行藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點安裝，并將網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)置模式改成基于多用戶環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)連接模式，當(dāng)開啟移動端藍(lán)牙功能時，系統(tǒng)依然會收到網(wǎng)絡(luò)信號，實現(xiàn)室內(nèi)用戶當(dāng)前位置信息定位。另一方面，伴隨著藍(lán)牙低耗能技術(shù)（BLE）的不斷發(fā)展，蘋果等公司開始將目光轉(zhuǎn)向了室內(nèi)定位服務(wù)需求，也正是由于藍(lán)牙功耗的逐漸降低，使得移動端室內(nèi)長時間精準(zhǔn)定位得以有效實現(xiàn)。早在2013年，蘋果公司在藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)上便提出了提出基于BLE4.0的iBeacon技術(shù)，促使以藍(lán)牙為載體的室內(nèi)精準(zhǔn)定位技術(shù)得到了快速發(fā)展。

2 藍(lán)牙技術(shù)下的移動終端室內(nèi)定位方法研究

2.1 RSSI測距方法

RSSI測距原理。信號傳播需要一段時間，在這段時間內(nèi)，信號強度會發(fā)生一定衰減，與此同時，在不同位置處，相應(yīng)信號接收強度值也各不相同，因此我們先測算接收到的信號強度值，然后將其代人RSSI信號衰減模型中，可以計算出信號發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離，從而完成室內(nèi)準(zhǔn)確定位。但信號在實際傳遞過程中，還會受到其他因素干擾致使其強度發(fā)生一定的改變，例如噪聲干擾、信號反射干擾等，因此在實際進行定位測距時，需要對室內(nèi)環(huán)境因素加以充分考慮。其中RSSI信號衰減模型如下公式：

在（1）式中，距信號源發(fā)射點距離用d表示，d0表示參考距離，通常數(shù)值為1m，距離單位為m。測量端接收信號的功率用P(d)表示，P(d0)表示參考距離d0的接收信號的功率，功率單位是dBm。ξ表示一個變量，該變量服從正太分布，均值是0，具體意義是指接收信號功率發(fā)生的變化，信號單位也是dBm。n表示電磁波衰減因子，與具體環(huán)境相關(guān)，通過對接收信號強度強度進行測量，就可以直接求出信號發(fā)射源與目標(biāo)接收點的距離，n具有如下幾種典型值，當(dāng)在戶外時，若是自由環(huán)境，n取值為2；若空間存在遮蔽物，那么n取值則處于2.7至5范圍之間。當(dāng)在室內(nèi)時，如空間無遮擋，n取值在1.6至8范圍之間。若室內(nèi)空間有遮擋障礙物，則n取值在4至6范圍之間。

RSSI濾波處理。對于無線信號而言，其自身有著非線性時變特點，簡單來說，即是即使在相同的位置獲得的多個信號，其信號強度值也會發(fā)生隨機性變化，并且難以直接判斷出哪一個信號強度才是正確的強度。為更好的進行判斷，文章通過進行100次相同位置藍(lán)牙信號值測試，最終發(fā)現(xiàn)，雖然同一位置采集的信號值強度各不相同，一直處于波動狀態(tài)，但整體波動范圍卻很穩(wěn)定，因此可以利用平均值模型進行最終信號強度值確定。

2.2 基于RSSI測距的LANDMARC系統(tǒng)定位算法

LANDMARC系統(tǒng)是一種基于RFID信號強度與測距法動態(tài)識別的定位系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通過引入?yún)⒖紭?biāo)簽概念，該參考標(biāo)簽在系統(tǒng)定位中起到輔助定位校準(zhǔn)的作用，即如果待測與參考標(biāo)簽距離很近，那么在同樣的條件下，它們的信號強度值也會很接近，因此可以通過利用閱讀器將二者進行對比，利用“K鄰近”算法，選擇若干參考標(biāo)簽，即可完成對目標(biāo)物體的位置估計定位。該算法表示如下：

假設(shè)LANDMARC系統(tǒng)閱讀器有N個，已知參考位置為M個，待測定位標(biāo)簽T個，那么參考標(biāo)簽與定位標(biāo)簽的距離可用如下公式表示：

在（2）式中，STi表示第i個閱讀器獲取到的某個參考標(biāo)簽的信號強度，依次類比，SRi是指為第i個閱讀器獲取到的某個參考標(biāo)簽的信號強度。然后圍繞定位標(biāo)簽，找出與其距離最近的K個標(biāo)簽，采用加權(quán)求和公式，最終得出對第i個參考標(biāo)簽權(quán)重計算公式為 ：

3 實驗驗證與結(jié)論

實驗場地為一個室內(nèi)長方形空地，長15m，寬5.4m，底板格柵規(guī)格為60×60mm，BLE藍(lán)牙位置分別置于長方形空地四角處，高度2m，具體表示為N1、N2、N3、N4，在測試時，藍(lán)牙節(jié)點與測試點垂直高度差為1m。

在實際進行實驗時，可以隨機選擇信標(biāo)節(jié)點和測試節(jié)點的數(shù)量與位置，其中信標(biāo)節(jié)點應(yīng)盡量平均分布，確保其覆蓋位置較多，在選取測試節(jié)點時，應(yīng)確保其周圍信標(biāo)節(jié)點較多。在采集點布置上，信標(biāo)節(jié)點每個1.8m布置一個，共24個，并依次做好1至24序號標(biāo)記，在進行測試點布置時，為保證測試點周圍具備足夠多的信標(biāo)點，可以選擇將測試點放置在原5、7、9、11、14、16、18、20號信標(biāo)點之上，為區(qū)分信標(biāo)點與測試點，可以將信標(biāo)點標(biāo)記成灰色，測試點為白色。

在應(yīng)用LANDMARC系統(tǒng)定位算法時，需要先做好K取值，大量實踐經(jīng)驗證明，當(dāng)K取值為6時，測量精度最高。在利用LANDMARC系統(tǒng)定位算法測定出具體位置后，通過將其與實際位置進行比對，并計算其與真實位置的誤差，其中5、7、9、11、14、16、18、20號測試點的誤差分別為：1.05、1.1、1.6、1.15、1.6、2.1、2.3、0.8m。從最終結(jié)果我們可以看出，誤差基本在0.8至2.4m之間徘徊，說明基本可符合定位需求。

4 總結(jié)

綜上所述，文章在分析了藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)的基礎(chǔ)之上，從介紹RSSI測距原理方法入手，在分析了RSSI信號衰減模型后，隨后對基于RSSI測距的LANDMARC系統(tǒng)定位算法進行了詳細(xì)分析，最后為證明算法的可行性，文章進行了實驗驗證，對基于藍(lán)牙技術(shù)下的室內(nèi)移動端定位進行了分析，期望能夠?qū)ο嚓P(guān)研究提供一些小小的參考。