基于定向天線的藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)

溫拓樸 丁文浩 潘長(zhǎng)勇

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)定位; 藍(lán)牙信號(hào); 定向天線; 高精度定位; RSSI; 最小二乘估計(jì); 距離度量

中圖分類(lèi)號(hào)： TN92?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）03?0006?04

Abstract： Bluetooth， known as an inexpensive wireless communication scheme， plays a prominent role in indoor localization scheme based on received signal strength indicator （RSSI）. However， the Bluetooth signal may result in low measurement precision in indoor environment with a large number of multipath reflection. Therefore， a method to improve the effect of Bluetooth indoor localization is proposed emphatically in this paper. The directional antenna is added as the receiving antenna of the inexpensive Bluetooth transceiving module. The inexpensive directional antenna as an assistant means can restrain the long?distant Bluetooth signal， and improve the signal?to?noise ratio （SNR） of short?distance Bluetooth receiving signal， so as to get a more reliable RSSI value as the reference value of distance. The proper number of reference points is selected and the least square method is used to estimate the plane position of transmitting signal. The accuracy of the proposed Bluetooth positioning method is increased by about 45% than that of the Bluetooth positioning method based on omnidirectional antenna.

Keywords： indoor localization; Bluetooth signal; directional antenna; high?precision positioning; RSSI; least square estimation; distance measurement

0 ?引 ?言

室內(nèi)定位技術(shù)一直有著廣大的需求與前景，精確的室內(nèi)定位技術(shù)能極大程度地創(chuàng)造更精確的位置服務(wù)。目前的室內(nèi)定位技術(shù)并沒(méi)有得到廣泛普及，主要由于高精度的定位方式（如超寬帶等）存在造價(jià)較高、部署不易等問(wèn)題。另一方面，對(duì)于價(jià)格低廉的藍(lán)牙基站，WiFi定位方式同樣也存在困難與挑戰(zhàn)?；赗SSI的定位算法是藍(lán)牙與WiFi在室內(nèi)定位中較為簡(jiǎn)易而有效的手段[1]，然而由于室內(nèi)環(huán)境中障礙物較多，信號(hào)在受限的空間中傳播容易發(fā)生多次反射與折射。此時(shí)，利用藍(lán)牙的RSSI進(jìn)行距離估計(jì)會(huì)存在較大偏差。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，藍(lán)牙指紋[2?4]，WiFi融合定位[5?6]，可見(jiàn)光定位[7?8]等方式也先后被提出。更進(jìn)一步，采用基于濾波的定位算法[9?10]，以及增加行人航位預(yù)測(cè)[11?12]等輔助方式來(lái)提高定位精度。但其算法本身過(guò)于復(fù)雜，難以實(shí)際使用。本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要將定向天線的技術(shù)引入藍(lán)牙設(shè)備模塊，通過(guò)定向天線能量更集中的波束，減少藍(lán)牙多徑的干擾，從而克服室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜因素，提供更加穩(wěn)定的RSSI指標(biāo)，再通過(guò)最小二乘估計(jì)，在價(jià)格低廉的情況下，提高藍(lán)牙在室內(nèi)定位的精度。

1 ?定位算法

傳統(tǒng)的藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)常用全向天線作為發(fā)射天線，其特點(diǎn)是天線的方向圖在空間上呈球形狀，即理想模型下在任意方向信號(hào)強(qiáng)度相等。而在該系統(tǒng)中，藍(lán)牙的發(fā)射天線為波束較小的定向天線，其近似模型在角度[（-α，α）]內(nèi)發(fā)射功率較大，而在方向角度[（-α，α）]之外發(fā)射功率迅速衰減。

可以看到，全向天線由于在距離較遠(yuǎn)、方向角較大的地方無(wú)法快速衰減，在近距離時(shí)波束不集中，從而導(dǎo)致接收的遠(yuǎn)處發(fā)射信號(hào)與近處發(fā)射信號(hào)的RSSI值較難區(qū)分，信噪比較低。而定向天線恰好能彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，將遠(yuǎn)處發(fā)射信號(hào)與近處發(fā)射信號(hào)的RSSI值更好地區(qū)分開(kāi)。因此得到的RSSI結(jié)果在均方誤差的指標(biāo)下要比全向天線有更好的表現(xiàn)。從曲線結(jié)果來(lái)看，最優(yōu)的情況下，定向天線的定位誤差大約在[（36±6） ?cm]，相比全向天線，誤差降低了約45%。

另一方面，從參考點(diǎn)的數(shù)量角度觀察，可以發(fā)現(xiàn)隨著參考點(diǎn)數(shù)量的增加，定向天線的解決方案在12個(gè)參考點(diǎn)之后誤差逐漸上升。這是因?yàn)殡S著參考點(diǎn)數(shù)量的增多，越來(lái)越多距離較遠(yuǎn)的參考點(diǎn)也被納入計(jì)算。由于藍(lán)牙的RSSI的最大表示范圍為127，而定向天線在遠(yuǎn)距離處的接收值迅速衰減，無(wú)法準(zhǔn)確刻畫(huà)微弱信號(hào)強(qiáng)度的RSSI。因此，遠(yuǎn)處的參考點(diǎn)RSSI值偏差嚴(yán)重，造成精度的損失。

從計(jì)算復(fù)雜度的角度來(lái)看，參考點(diǎn)數(shù)量的增多會(huì)要求更大的計(jì)算量。最小二乘估計(jì)時(shí)的計(jì)算復(fù)雜度約為[O（n3）]，從而參考點(diǎn)數(shù)量的變化與計(jì)算量之間的曲線如圖3所示。因此，選取的參考點(diǎn)數(shù)量需在計(jì)算量與精度之間進(jìn)行權(quán)衡。在本文實(shí)驗(yàn)中，選取[8]個(gè)參考點(diǎn)的數(shù)量是一個(gè)較為合理的選擇。若環(huán)境更加復(fù)雜，選取更少、信噪比更高的參考點(diǎn)納入計(jì)算是更加合理的選擇。

3 ?硬件設(shè)計(jì)

本課題的硬件部分分為三部分，包括定位的目標(biāo)發(fā)射器，在固定位置呈網(wǎng)格狀排列的帶有定向天線的藍(lán)牙接收器以及負(fù)責(zé)定位解算的計(jì)算中心。對(duì)于發(fā)射器和接收器采用藍(lán)牙芯片CC2540/CC2541作為藍(lán)牙收發(fā)模塊的主體。CC2540集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器，是一款完全兼容8051內(nèi)核的無(wú)線射頻單片機(jī)，它與藍(lán)牙低功耗協(xié)議棧共同構(gòu)成高性?xún)r(jià)比、低功耗的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，非常適合藍(lán)牙低功耗應(yīng)用[15]。在數(shù)據(jù)傳輸方面，選取CAN總線的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)算中心與藍(lán)牙接收模塊之間的快速通信。發(fā)射節(jié)點(diǎn)在測(cè)試環(huán)境下按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行廣播數(shù)據(jù)，同時(shí)接收節(jié)點(diǎn)得到廣播信號(hào)的RSSI值，并且通過(guò)CAN總線將接收到的RSSI值送入計(jì)算中心進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果則儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)中心，以做下一步的應(yīng)用。整體系統(tǒng)框架如圖4所示。

4 ?實(shí)物測(cè)試

根據(jù)上述的硬件設(shè)計(jì)搭建一個(gè)簡(jiǎn)易的測(cè)試場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為辦公區(qū)的空地，天花板離地面高度約為2.5 m。硬件設(shè)計(jì)實(shí)物如圖5所示。其中定向天線3 dB寬度為[60]°。

藍(lán)牙與定向天線的測(cè)試場(chǎng)景如圖6所示。藍(lán)牙接收點(diǎn)之間間隔3 m，定向天線垂直向下，覆蓋一個(gè)半徑約為1.5 m的區(qū)域。圖6中上方的框?yàn)槎ㄏ蛱炀€及藍(lán)牙接收模塊，下方的框表示藍(lán)牙的簡(jiǎn)易發(fā)射模塊。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，相比于全向天線的接收模塊而言，裝載定向天線的接收模塊在近距離時(shí)信號(hào)強(qiáng)度能得到約7～12 dB的提高。而在距離稍遠(yuǎn)于4 m處，其接收到的信號(hào)強(qiáng)度十分微弱，接收機(jī)基本沒(méi)有收到信號(hào)RSSI的數(shù)值。由此可見(jiàn)，定向天線本身帶有的空間濾波特性使得收到的信號(hào)RSSI值在近處更為可靠，過(guò)濾遠(yuǎn)處的信號(hào)，從而讓后續(xù)的計(jì)算結(jié)果魯棒性更好。最終的實(shí)驗(yàn)定位結(jié)果誤差在0.6 m以?xún)?nèi)。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文通過(guò)在藍(lán)牙接收端添加一個(gè)波束更為集中的定向天線，從而抑制較遠(yuǎn)距離的（方向角更大的）信號(hào)，增大較近距離（方向角更小的）信號(hào)的信噪比，優(yōu)化RSSI值在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中的表現(xiàn)，為距離度量提供更可信的參考。通過(guò)估計(jì)藍(lán)牙信號(hào)功率隨距離變化模型中的衰減參數(shù)，以及最小二乘估計(jì)的算法，解算發(fā)射信號(hào)在平面坐標(biāo)下的位置。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，定向天線的藍(lán)牙定位方式相比全向天線的藍(lán)牙而言，能獲得更加精確的定位結(jié)果。最后完成了該方案的硬件設(shè)計(jì)，并提供了整個(gè)系統(tǒng)的工作流程以供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 王益健.藍(lán)牙室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué)，2015.

WANG Yijian. Research and implementation on key technologies of Bluetooth indoor positioning [D]. Nanjing： Southeast University， 2015.

[2] 陳國(guó)平，馬耀輝，張百珂.基于指紋技術(shù)的藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（3）：104?107.

CHEN G P， MA Y H， ZHANG B K. Bluetooth indoor positioning based on fingerprinting technology [J]. Electronic technology applications， 2013， 39（3）： 104?107.

[3] 金純，馬金輝，方天恩，等.基于時(shí)空相似模型的藍(lán)牙室內(nèi)定位RSSI指紋插值方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（28）：264?268.

JIN C， MA J H， FANG T E， et al. A method of RSSI fingerprint interpolation based on spatial?temporal similarity model for Bluetooth indoor positioning [J]. Science technology and engineering， 2016， 16（28）： 264?268.

[4] 劉志昆.基于藍(lán)牙4.0和位置指紋的室內(nèi)定位技術(shù)研究和實(shí)現(xiàn)[D].北京：中央民族大學(xué)，2017.

LIU Zhikun. Indoor positioning system implementation based on Bluetooth 4.0 and location fingerprint [D]. Beijing： Minzu University of China， 2017.

[5] 王寶晶.基于WiFi/藍(lán)牙融合的室內(nèi)定位算法及實(shí)現(xiàn)[D].上海：華東師范大學(xué)，2015.

WANG Baojing. Indoor positioning algorithm and implementation based on the fusion method of WiFi and Bluetooth [D]. Shanghai： East China Normal University， 2015.

[6] 華海亮.基于WiFi和藍(lán)牙的室內(nèi)定位技術(shù)研究[D].錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2016.

HUA Hailiang. Study on indoor localization technology based on WiFi and Bluetooth [D]. Jinzhou： Liaoning University of Technology， 2016.

[7] 王旭東，胡晴晴，吳楠.高精度室內(nèi)可見(jiàn)光定位算法[J].光電子·激光，2015，26（5）：862?868.

WANG X D， HU Q Q， WU N. High accuracy indoor visible light positioning algorithm [J]. Journal of optoelectronics·laser， 2015， 26（5）： 862?868.

[8] 高強(qiáng)，隨玉賢，余治中，等.基于RSS的室內(nèi)可見(jiàn)光差分修正定位算法[J].半導(dǎo)體光電，2016，37（4）：536?539.

GAO Qiang， SUI Yuxian， YU Zhizhong， et al. Indoor visible light difference correction positioning algorithm based on RSS [J]. Semiconductor optoelectronics， 2016， 37（4）： 536?539.

[9] 田波.基于濾噪位置指紋的低功耗藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2016.

TIAN Bo. Research on indoor positioning technology by low power Bluetooth based on location fingerprint with filtering noise [D]. Taiyuan： Taiyuan University of Technology， 2016.

[10] 卞合善.基于藍(lán)牙4.0低功耗室內(nèi)定位研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.

BIAN Heshan. Research of low energy indoor location techno?logy based on Bluetooth 4.0 [D]. Beijing： Beijing University of Posts and Telecommunications， 2015.

[11] 趙小平，胡安冬，趙文曄. 藍(lán)牙和地圖輔助行人航位推算的室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].測(cè)繪科學(xué)，2016，41（7）：53?58.

ZHAO X P， HU A D， ZHAO W Y. An indoor location system based on Bluetooth?corrected and map?matching aided PDR algorithm [J]. Science of surveying and mapping， 2016， 41（7）： 53?58.

[12] 謝紅，曹歡，劉利國(guó).基于iBeacon和多自由度MEMS的室內(nèi)融合定位技術(shù)研究[J/OL].[2017?04?24].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20170424.1725.010.html.

XIE Hong， CAO Huan， LIU Liguo. Indoor positioning technology research based on iBeacon fusion and multiple degree of freedom of MEMS [J/OL]. [2017?04?24]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20170424.1725.010.html.

[13] 韓旭海，夏文龍，周淵平.基于線性加權(quán)的藍(lán)牙室內(nèi)定位算法[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2015，24（1）：119?122.

HAN Xuhai， XIA Wenlong， ZHOU Yuanping. Bluetooth indoor positioning based on linear weighted [J]. Computer systems and applications， 2015， 24（1）： 119?122.

[14] 王琦.基于RSSI 測(cè)距的室內(nèi)定位技術(shù)[J].電子科技，2012，25（6）：64?66.

WANG Qi. Research on an indoor positioning technology based on RSSI ranging [J]. Electronic science and technology， 2012， 25（6）： 64?66.

[15] TI. SimpleLink Bluetooth smart and MCU [EB/OL]. [2015?07?13]. http：//www.ti.com.cn/product/cn/cc2541.