基于有向天線和RSSI 的藍(lán)牙無(wú)線定位基站設(shè)計(jì)

楊小青

（山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系，山西 晉中 030619）

0 引言

精準(zhǔn)定位是無(wú)線傳感器工作效率的重要指標(biāo)之一，主流的無(wú)線定位技術(shù)主要基于測(cè)距算法和測(cè)角算法。測(cè)距算法的核心技術(shù)是測(cè)量各節(jié)點(diǎn)間的距離、信號(hào)強(qiáng)度。常用的定位算法有三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法以及最大似然估計(jì)等。三邊測(cè)距技術(shù)包括：接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI（received signal strength indication）測(cè)量法、到達(dá)時(shí)間ToA（time of arrival）測(cè)量法；而測(cè)角算法的思想是通過(guò)信號(hào)相位信息或多輸入多輸出天線，計(jì)算信號(hào)達(dá)到角AoA（angle of arrival）進(jìn)行定位［1］。目前藍(lán)牙定位系統(tǒng)廣泛采用指紋法，該方法網(wǎng)絡(luò)布設(shè)簡(jiǎn)易，但指紋采集需要耗費(fèi)較大人力和較多時(shí)間［2］。為此，本文設(shè)計(jì)了基于有向天線和RSSI 的藍(lán)牙無(wú)線定位基站。

1 總體結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙定位基站設(shè)計(jì)思想及總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

藍(lán)牙無(wú)線定位基站的成功實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于信號(hào)的測(cè)量及準(zhǔn)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(guò)不同方向的天線，增強(qiáng)信號(hào)接收能力，并通過(guò)各方向信號(hào)的接收增益能力來(lái)獲取角度分辨力；中心處使用一根全向鞭狀天線來(lái)獲取均勻的空間增益，對(duì)接收到的信號(hào)強(qiáng)度輔助判定廣播定位節(jié)點(diǎn)的距離。

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

藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議相比，此模式廣播頻率高、接收RSSI 值更穩(wěn)定。對(duì)于MCU 模塊，考慮到需要接收藍(lán)牙模塊UART 接口傳遞的RSSI 值，所以選擇STM32F1 系列實(shí)現(xiàn)定位算法，并以極坐標(biāo)的形式通過(guò)RJ45 接口匯總至服務(wù)器平臺(tái)，供前端用戶進(jìn)行位置展示。

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 定向天線

定向天線的性能要求較強(qiáng)的方向增益、較低的主瓣寬度、較高的前后比等等。設(shè)計(jì)分別與水平面成0°、90°、180°、270°方向的4 根定向天線實(shí)現(xiàn)方向識(shí)別。

針對(duì)2.40 GHz～2.48 GHz 藍(lán)牙頻段，運(yùn)用八木天線原理，設(shè)計(jì)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(jìn)行增益、輻射方向圖等指標(biāo)分析［5］。本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊連接使用50 Ω 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(shí)驗(yàn)過(guò)程中該天線的定向輻射性能較好，定向增益可達(dá)12 dB，水平主瓣波束寬度45°，進(jìn)一步結(jié)合算法可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的信號(hào)測(cè)向。

2.2 全向天線

全向天線廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信領(lǐng)域，因其在水平面上全方向的均勻輻射特性、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)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(hào)強(qiáng)度輔助進(jìn)行距離判定。

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

3 算法設(shè)計(jì)

3.1 廣播節(jié)點(diǎn)的距離估計(jì)

實(shí)驗(yàn)中利用全向天線接收的信號(hào)強(qiáng)度，估計(jì)藍(lán)牙廣播設(shè)備和定位基站的距離。主流的無(wú)線信號(hào)傳播模型包括Shadowing 模型、雙徑地面反射等模型，本設(shè)計(jì)中采用的是Shadowing 模型［6］，該模型為：

其中，RSSId為接收到的信號(hào)強(qiáng)度；d為收發(fā)端的實(shí)際距離；d0 為參考距離；RSSId0是距離為d0 時(shí)的信號(hào)強(qiáng)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(jī)變量。

利用藍(lán)牙廣播手環(huán)進(jìn)行周期廣播，當(dāng)藍(lán)牙手環(huán)與定位基站距離不同時(shí)，準(zhǔn)確測(cè)量全向天線接收到的信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)數(shù)擬合后計(jì)算RSSI 值的公式為：

不同距離對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)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(diǎn)的AoA 角度估計(jì)

本設(shè)計(jì)AoA 角度估計(jì)使用四信道比幅測(cè)向法。其基本原理為：使用4 個(gè)定向天線、4 個(gè)藍(lán)牙接收模塊和1 個(gè)信號(hào)處理模塊組成，可實(shí)現(xiàn)360°全向測(cè)量。通過(guò)比較相鄰?fù)ǖ捞炀€波束接收同一信號(hào)的幅度，來(lái)確定廣播節(jié)點(diǎn)的角度信息［7］。

從比幅測(cè)向系統(tǒng)的原理分析可以看出，角度測(cè)量校正必不可少［8］。將藍(lán)牙定位基站置于轉(zhuǎn)臺(tái)，精確控制轉(zhuǎn)臺(tái)角度，在一定距離外利用位置固定的藍(lán)牙廣播手環(huán)向定位基站進(jìn)行信號(hào)廣播；按固定采樣時(shí)間和固定轉(zhuǎn)動(dòng)角度增量，對(duì)廣播信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，并測(cè)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(shí)際使用中，已知廣播區(qū)間和RSSI 幅度差，即可以查找對(duì)應(yīng)角度值。經(jīng)過(guò)測(cè)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(hào)RSSI 差值）。

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

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的定位精度與性能，選取空曠環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。被定位節(jié)點(diǎn)使用一枚藍(lán)牙廣播手環(huán)，距離地面1.5 m 位置，使用三腳架固定藍(lán)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(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖6 所示。

由測(cè)試結(jié)果可以得出，本藍(lán)牙定位基站定位誤差在1.5 m 左右。與現(xiàn)存藍(lán)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(shè)數(shù)量，具有以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，免除了指紋采集等復(fù)雜的工作，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)布設(shè)簡(jiǎn)便性、提高了網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性。

圖6 8 m 和15 m 時(shí)定位測(cè)試精度Fig.6 Location accuracy of 8 and 15 meters away

5 結(jié)束語(yǔ)

藍(lán)牙無(wú)線定位基站的成功實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于信號(hào)的測(cè)量及準(zhǔn)確獲取。本文基于此設(shè)計(jì)了一種基于有向天線和RSSI 技術(shù)的無(wú)線藍(lán)牙定位基站，并對(duì)系統(tǒng)硬件選擇進(jìn)行介紹，對(duì)天線性能進(jìn)行仿真分。利用全向天線接收的信號(hào)強(qiáng)度輔助進(jìn)行距離判定，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)到達(dá)角AoA 和距離的判定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的定位誤差小，同時(shí)提高了藍(lán)牙定位系統(tǒng)精度，而且極大地簡(jiǎn)便了定位網(wǎng)絡(luò)的安裝、調(diào)試和維護(hù)，降低了網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的人力成本。