基于藍(lán)牙技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)定位系統(tǒng)

葛敏婕，趙子涵

（中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫 214072）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)世界的愿景，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和硬件配置能力的快速發(fā)展，基于位置的服務(wù)（LBS）作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)服務(wù)之一[1-2]，已經(jīng)逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匾枨蟆Ｄ壳皯?yīng)用最廣泛的位置服務(wù)技術(shù)是全球定位系統(tǒng)（GPS），它在室外環(huán)境下的定位精度很高；但在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下，建筑物對衛(wèi)星信號(hào)的遮擋會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減甚至被屏蔽，這會(huì)使定位難度加大并且無法獲得準(zhǔn)確的位置信息[3]。

目前國內(nèi)外室內(nèi)定位技術(shù)較多，常見的有無線局域網(wǎng)（Wireless Fidelity, WiFi）、 射 頻 識(shí) 別（Radio Frequency Identification, RFID）、藍(lán)牙低功耗（Bluetooth Low Energy,BLE）、超寬帶（Ultra Wide Band, UWB）技術(shù)等。近幾年智能設(shè)備的迅速發(fā)展和藍(lán)牙設(shè)備的生產(chǎn)制造成本越來越低，使得基于藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。藍(lán)牙定位系統(tǒng)建設(shè)成本較為低廉、使用較為方便，因此有許多廠商采用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。但是，大部分廠商更關(guān)注于平臺(tái)端的展示效果，而忽略了對定位精度的優(yōu)化。

本文提出的藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)，包括本地端和平臺(tái)端兩大模塊。該系統(tǒng)由藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)采集待定位點(diǎn)標(biāo)簽（iBeacon）的藍(lán)牙信號(hào)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過LoRa基站傳輸至平臺(tái)服務(wù)器，采用高斯濾波和多點(diǎn)定位的方法進(jìn)行定位坐標(biāo)初步計(jì)算；然后通過定位修正策略得到最終標(biāo)簽位置信息，最終待定位點(diǎn)的位置信息將展示在平臺(tái)端Web頁面。

藍(lán)牙定位標(biāo)簽具有體積較小、便于攜帶的特點(diǎn)，因此該系統(tǒng)應(yīng)用場景較為廣泛，比如在化工園區(qū)、大型工廠、智造車間、隧道施工等需要對人員或物品進(jìn)行實(shí)時(shí)定位的典型場景，同時(shí)在一些需要室內(nèi)導(dǎo)航的場景也具有廣泛的應(yīng)用，如博物館、景區(qū)、商場等。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用藍(lán)牙信標(biāo)的方式進(jìn)行定位，藍(lán)牙信標(biāo)廣播當(dāng)前的信號(hào)強(qiáng)度，經(jīng)過濾波處理后進(jìn)行距離轉(zhuǎn)換，通過在具體場景下布設(shè)的多網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的LoRa上報(bào)；由基站進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總并傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器通過定位引擎中的多點(diǎn)定位算法獲取定位終端的位置數(shù)據(jù)，并將位置信息實(shí)時(shí)展示在Web頁面。圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)涉及到以下幾個(gè)部分，包括定位終端、藍(lán)牙LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa基站和室內(nèi)位置信息服務(wù)云平臺(tái)。

（1）定位終端（待定位點(diǎn)）：具備藍(lán)牙4.0以上功能的標(biāo)簽、手環(huán)、工卡等均可作為能夠持續(xù)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度值和自身的mac地址信息的定位終端。本系統(tǒng)采用自主研發(fā)的定位終端設(shè)備和BlueNRG-2藍(lán)牙低功耗片上系統(tǒng)，使用Beacon方式定時(shí)廣播信號(hào)（定時(shí)時(shí)間可調(diào)），通過加速度傳感器（G-Sensor）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測。當(dāng)終端設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)下，可設(shè)置每隔一段時(shí)間（時(shí)間可調(diào)）發(fā)送一次心跳數(shù)據(jù)。對于不同的部署場景，可對定位終端進(jìn)行相關(guān)配置以滿足定位實(shí)時(shí)性和功耗等需求。例如，在固定資產(chǎn)的定位場景中，定位終端（通常為標(biāo)簽）需固定在資產(chǎn)物體上，對于功耗的要求較高且其位置并不經(jīng)常移動(dòng)的，只有當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)，才對其實(shí)時(shí)定位；物體保持靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，每隔固定時(shí)間發(fā)出信號(hào)，若接收不到，后臺(tái)根據(jù)判斷機(jī)制觸發(fā)報(bào)警。對于特殊區(qū)域的人員定位場景，人員隨身攜帶定位終端（通常為工卡、手環(huán)），對定位的實(shí)時(shí)性要求較高，但對功耗要求不高。因此，定位終端有必要設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測、心跳上報(bào)等功能以滿足不同定位場景的需求。

（2）藍(lán)牙LoRa網(wǎng)關(guān)（定位錨節(jié)點(diǎn)）：藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)部署在定位終端所在的室內(nèi)環(huán)境中，部署方式根據(jù)實(shí)際環(huán)境驗(yàn)證后決定。本系統(tǒng)采用自主研發(fā)的藍(lán)牙LoRa網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)采用BlueNRG-1低功耗藍(lán)牙系統(tǒng)級(jí)芯片接收藍(lán)牙信號(hào)，以Cortex-M4內(nèi)核的STM32f407為主控芯片，將接收到的藍(lán)牙信號(hào)數(shù)據(jù)采用SX1276芯片進(jìn)行LoRa擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸。

（3）LoRa基站：系統(tǒng)的LoRa基站采用SX1302芯片進(jìn)行8路數(shù)據(jù)接收，首先將多信道的LoRa信號(hào)接收到基站中，接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過整合后通過MQTT協(xié)議發(fā)送至服務(wù)器。

（4）室內(nèi)位置信息服務(wù)云平臺(tái)：具有云平臺(tái)集成數(shù)據(jù)庫、定位算法引擎和Web展示等功能。云平臺(tái)接收從基站發(fā)來的各類數(shù)據(jù)并保存至數(shù)據(jù)庫中，調(diào)用定位算法引擎進(jìn)行計(jì)算，得到定位終端的坐標(biāo)信息并保存，定位數(shù)據(jù)可發(fā)送給Web端進(jìn)行地圖顯示等。

室內(nèi)定位系統(tǒng)的工作原理為：將多個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備部署在待定位點(diǎn)所在的室內(nèi)環(huán)境，網(wǎng)關(guān)中的藍(lán)牙接收器接收定位終端（iBeacon）定時(shí)廣播的信號(hào)并進(jìn)行匯總打包；通過網(wǎng)關(guān)的SX1276芯片進(jìn)行LoRa發(fā)送，LoRa基站接收到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包信息后將這些數(shù)據(jù)入網(wǎng)，并通過4G/WiFi/有線等方式遠(yuǎn)距離傳輸至室內(nèi)位置信息服務(wù)云平臺(tái)，高精度的定位引擎實(shí)時(shí)計(jì)算定位終端位置，最終在Web端展示。

1.2 RSSI測距模型的確立

無線信號(hào)通過發(fā)送端發(fā)射，一般信號(hào)所帶的能量在發(fā)射過程中會(huì)存在衰減[4]，即無線信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著距離的增大而衰減。通常無線設(shè)備常利用接收信號(hào)強(qiáng)度指示值（Receive Signal Strength Indicator, RSSI）表示信號(hào)到達(dá)接收端的信號(hào)強(qiáng)度值?；赗SSI的測距方法利用信號(hào)衰減程度與距離有一定數(shù)學(xué)關(guān)系，一般歸納為自由空間傳播模型[5]。但近幾年的研究和實(shí)際應(yīng)用表明，對數(shù)路徑損耗模型的準(zhǔn)確度更高[6]，表達(dá)式為：

式中：d為信號(hào)發(fā)送端和接收端的距離，一般取參考距離d0=1 m；n表示路徑損耗因子，取值依賴于環(huán)境和建筑物情況；一般環(huán)境下ε表示均值為零的高斯分布隨機(jī)變量。通常室內(nèi)定位系統(tǒng)采用的簡化模型為：

其中A=PL（d0），表示距離為1 m時(shí)的RSSI值。根據(jù)公式（2）可得發(fā)送端和接收端的距離為：

A和n值需要根據(jù)真實(shí)定位環(huán)境數(shù)值測量后進(jìn)行擬合，才能更準(zhǔn)確地反映當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境中的信號(hào)傳播特性。因此在系統(tǒng)部署前，有必要事先根據(jù)應(yīng)用場景對A和n進(jìn)行測量計(jì)算并優(yōu)化。

在實(shí)際定位環(huán)境中，存在人員的走動(dòng)和物品位置的移動(dòng)，導(dǎo)致接收端接收的RSSI值存在抖動(dòng)。如果直接通過接收信號(hào)的RSSI值和公式（3）換算得到接收端與發(fā)送端的距離，會(huì)造成測距與真實(shí)距離誤差過大，最終的定位點(diǎn)大幅度漂移。因此，對于采集到的定位點(diǎn)RSSI值要經(jīng)過一系列濾波處理后再進(jìn)行距離的換算。

1.3 信號(hào)濾波方式

大量研究和實(shí)驗(yàn)表明，待定位點(diǎn)位于信號(hào)發(fā)送端固定距離的位置時(shí)，采集到的RSSI值近似呈現(xiàn)為高斯分布[7]。因此，本文采用基于高斯濾波的方法對采集到的RSSI值進(jìn)行濾波處理，該處理方式的特點(diǎn)在于能夠過濾掉因環(huán)境突變而出現(xiàn)的短時(shí)RSSI過大或過小的抖動(dòng)值。對于出現(xiàn)概率較大的值進(jìn)行均值處理，從而得到對應(yīng)距離的RSSI特征值。具體濾波方法如下：

（1）首先存儲(chǔ)每個(gè)采樣時(shí)間段內(nèi)的RSSI值，作為RSSI樣本數(shù)據(jù)。

（2）RSSI服從（μ, σ2）的高斯分布，其概率密度函數(shù)為：

（3）對于高斯分布來說，區(qū)間 [μ-σ, μ+σ]上取值的概率為 0.682 6，區(qū)間 [μ-3σ, μ+3σ]上取值的概率為 0.997 3。結(jié)合實(shí)際需求，選用3σ區(qū)間能夠有效過濾RSSI樣本中的異常值，即對于某一采樣時(shí)間段的RSSI經(jīng)過高斯濾波并取均值后，作為樣本數(shù)據(jù)的特征RSSI，即：

1.4 定位算法

基于RSSI測距是一種簡單并容易實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)定位方法。具體做法是利用RSSI值與距離的關(guān)系，得到待定位點(diǎn)（定位終端）與定位錨節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）的距離，接著應(yīng)用三邊（三角）定位算法[8]或多點(diǎn)定位算法[9]將待定位點(diǎn)的位置估算出來，由此實(shí)現(xiàn)了對定位終端的位置測算。

傳統(tǒng)三邊定位算法是基于圓形相交的原理，以三個(gè)定位錨節(jié)點(diǎn)為圓心，以錨節(jié)點(diǎn)到待定位點(diǎn)的距離為半徑做圓。由于信號(hào)的損耗，三個(gè)圓一般不會(huì)相交于一點(diǎn)，連接兩個(gè)圓的圓心以及兩個(gè)圓的交點(diǎn)、兩條直線的交點(diǎn)即為策略點(diǎn)，則三個(gè)圓會(huì)得到三個(gè)策略點(diǎn)，策略點(diǎn)連線為一個(gè)三角形的區(qū)域，該區(qū)域的質(zhì)心即為要求得的待定位點(diǎn)的坐標(biāo)位置[10]。

多點(diǎn)定位算法的基本原理是利用最小二乘法的思想，即定位環(huán)境中有多個(gè)已知位置的定位錨節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為（x1,y1）, （x2, y2）, ..., （xn, yn），待定位點(diǎn) P 的坐標(biāo)為 （x0, y0）；定位錨節(jié)點(diǎn)接收到待定位點(diǎn)廣播的信息，得到相應(yīng)的RSSI值為（RSSI1,RSSI2, ..., RSSIn）；經(jīng)過測距模型（式3）計(jì)算得到待定位點(diǎn)到各定位錨節(jié)點(diǎn)的距離為（d1, d2, ..., dn），可建立如下方程組：

用前面n-1個(gè)方程分別減去第n個(gè)方程，得到結(jié)果為：

其中：

采用最小二乘法求得方程組的解為：

求得的P即為待定位點(diǎn)位置坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對定位終端的室內(nèi)定位。

2 數(shù)據(jù)通信與定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

一般藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式有以下兩種：

（1）利用手機(jī)作為定位終端，通過手機(jī)實(shí)時(shí)掃描布設(shè)在定位環(huán)境中的藍(lán)牙信標(biāo)，通常利用手機(jī)應(yīng)用程序（APP）實(shí)現(xiàn)對手機(jī)的定位，由此完成對室內(nèi)人員定位與導(dǎo)航等功能[11]。

（2）在定位環(huán)境中部署多個(gè)定位藍(lán)牙基站，待定位的人或物體攜帶或安裝定位信標(biāo)，信標(biāo)收集附近基站的通用唯一識(shí)別碼以及對應(yīng)的RSSI后，通過藍(lán)牙傳輸至藍(lán)牙基站，基站再將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)并對物體或人物進(jìn)行位置測算[12-13]。

對相對復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中（如：化工園區(qū)、大型工廠、隧道施工等）的人員和物品定位，往往無法攜帶手機(jī)等智能設(shè)備，也無法部署過多的iBeacon基站。與上述兩種方式不同，為了適應(yīng)復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)尺寸較小的藍(lán)牙標(biāo)簽作為定位終端，便于人員佩戴或安裝在物品上。如圖2（a）所示標(biāo)簽可安裝在物品上，尺寸為（50×40×20）mm，安裝方式為3M背膠粘貼，帶有防拆開關(guān)；如圖2（b）所示標(biāo)簽設(shè)計(jì)為人員工卡，尺寸為（90×60×8）mm，側(cè)邊帶有TypeC充電接口。

圖2 防拆型電子標(biāo)簽和人員工卡

標(biāo)簽不斷廣播數(shù)據(jù)包，藍(lán)牙LoRa網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)包接收后通過LoRa擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送到基站，基站通過無線/有線等方式將數(shù)據(jù)匯總后發(fā)送至云平臺(tái)，云平臺(tái)嵌入定位算法引擎和地圖展示等功能，實(shí)現(xiàn)對定位終端的定位和展示。

2.1 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸

本系統(tǒng)采用自主研發(fā)的藍(lán)牙LoRa網(wǎng)關(guān)，通過雙藍(lán)牙模組同時(shí)接收標(biāo)簽廣播的信號(hào)，網(wǎng)關(guān)以Cortex-M4內(nèi)核的STM32f407為主控芯片，將接收到的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包利用SX1276芯片進(jìn)行LoRa擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送給基站。系統(tǒng)使用私有LoRa協(xié)議，以確保定位數(shù)據(jù)的安全性，網(wǎng)關(guān)連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)連接結(jié)構(gòu)圖

藍(lán)牙LoRa網(wǎng)關(guān)的軟件部分包含以下六個(gè)模塊：網(wǎng)絡(luò)管理、電源管理、藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LoRa通信模塊。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)圖

LoRa基站采用SX1302芯片進(jìn)行8路數(shù)據(jù)接收，具有較高的接收靈敏度，視距覆蓋范圍可達(dá)5 km以上。該基站包括兩個(gè)接收通道及兩個(gè)發(fā)射通道。這四個(gè)通道可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，具有低功耗和高靈敏度的特點(diǎn)，同時(shí)滿足網(wǎng)關(guān)對基站上行數(shù)據(jù)的即時(shí)接收及基站對網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)的即時(shí)響應(yīng)，基站結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基站結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 定位策略

區(qū)別于普遍的做法，本系統(tǒng)新增設(shè)備端 本地邊緣計(jì)算算法，即利用網(wǎng)關(guān)剩余算力，將對信號(hào)RSSI值的高斯濾波過程通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理，以此釋放信道傳輸壓力，提高運(yùn)算效率。

基于RSSI測距的室內(nèi)定位系統(tǒng)，RSSI值的質(zhì)量直接影響到定位的準(zhǔn)確性；由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，雖然大部分情況可以通過高斯濾波濾除掉異常值，但當(dāng)定位終端處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，高斯濾波的濾波效果并不理想。因此有必要根據(jù)定位終端的情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的定位策略。

定位終端帶有加速度傳感器（G-Sensor），可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測。當(dāng)系統(tǒng)判定定位終端靜止時(shí)，每間隔10 min發(fā)送一次心跳數(shù)據(jù)；當(dāng)系統(tǒng)判定定位終端處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，每間隔500 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包包含自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和mac地址等信息。上述定位策略按照如下思路進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）當(dāng)定位終端為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，云平臺(tái)每隔2 s對定位終端進(jìn)行定位并在地圖展示。

（2）當(dāng)定位終端為靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，云平臺(tái)不對定位終端進(jìn)行定位，地圖界面保持上一次的定位位置。系統(tǒng)始終監(jiān)聽定位終端的心跳，確認(rèn)定位終端在線，但不會(huì)對其反復(fù)定位。

對于處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的定位終端，如果每次更新定位點(diǎn)的坐標(biāo)僅是依靠多點(diǎn)定位算法，定位位置會(huì)出現(xiàn)明顯的離散性，這種現(xiàn)象是不合理的，應(yīng)當(dāng)考慮到運(yùn)動(dòng)軌跡的平滑性，即當(dāng)前時(shí)刻位置應(yīng)當(dāng)與之前的時(shí)刻具有線性相關(guān)性。由此，引入卡爾曼（Kalman）濾波器，Kalman濾波理論是針對線性離散系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行線性最小方差估計(jì)的最優(yōu)估計(jì)方法。其特點(diǎn)是利用系統(tǒng)離散狀態(tài)的時(shí)間轉(zhuǎn)移關(guān)系，得出時(shí)域上的遞推計(jì)算公式。它的計(jì)算過程簡單、直接，迭代算法便于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，并能夠?qū)ΜF(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新和處理。

如果已知上一時(shí)刻定位目標(biāo)的位置和速度信息，則當(dāng)前時(shí)刻的位置可以根據(jù)上一時(shí)刻的位置數(shù)據(jù)預(yù)測出來，這便是該動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的預(yù)測值；而通過多點(diǎn)定位算法計(jì)算得到的位置恰好對應(yīng)系統(tǒng)的觀測值?？柭鼮V波的預(yù)測和更新過程如下：

Step 1：時(shí)間更新，完成如下兩步：

（1）狀態(tài)先驗(yàn)估計(jì)值：

（2）狀態(tài)先驗(yàn)誤差協(xié)方差矩陣：

其中：A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；B為控制矩陣；Q為預(yù)測噪聲協(xié)方差矩陣；u（k）表示k時(shí)刻外界對系統(tǒng)的作用。更新過程中，已知 k-1時(shí)刻最優(yōu)估計(jì)值 x（k-1|k-1），由式（9）、式（10）得狀態(tài)先驗(yàn)估計(jì)值x（k|k-1）和誤差協(xié)方差矩陣P（k|k-1）。

Step 2 ：觀 測更新

（1）估算Kalman增益：

（2）狀態(tài)后驗(yàn)估計(jì)：

（3）更新誤差協(xié)方差矩陣：

其中：K（k）表示k時(shí)刻的卡爾曼增益矩陣；R為測量噪聲協(xié)方差矩陣；z（k）表示k時(shí)刻的觀測值；H為觀測矩陣。觀測更新過程中，根據(jù)求取觀測器誤差最小方差這一性能指標(biāo)尋求Kalman增益，利用該增益對先驗(yàn)估計(jì)進(jìn)行修正，獲得狀態(tài)更新和協(xié)方差矩陣更新。

對于室內(nèi)定位環(huán)境來說，如果要利用卡爾曼濾波進(jìn)行位置估計(jì)，應(yīng)當(dāng)先建立數(shù)學(xué)模型。因此，假設(shè)當(dāng)定位終端在移動(dòng)時(shí)其基本處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則系統(tǒng)模型可以建立為：

則 k 時(shí)刻的狀態(tài)向量為 xk=（akbkΔakΔbk）T，觀測向量為zk=（akbk）T。wk和vk分別是環(huán)境噪音和觀測噪音且相互獨(dú)立，方差矩陣為Q和R。

對系統(tǒng)建模后，卡爾曼濾波器確定了各狀態(tài)矩陣和觀測矩陣的值，還需確定P、K、Q、R的值。對于增益矩陣K，其值無須設(shè)定，可以通過計(jì)算得出；P是狀態(tài)誤差協(xié)方差矩陣，在經(jīng)過幾輪運(yùn)算后會(huì)自適應(yīng)調(diào)整，可設(shè)為零矩陣。Q和R分別是預(yù)測和觀測狀態(tài)協(xié)方差矩陣，可設(shè)置為對角陣。若Q遠(yuǎn)大于R，則狀態(tài)預(yù)測的噪聲大，觀測值更為可信；反之，則預(yù)測值更為可信。對于狀態(tài)向量xk，可以使用零時(shí)刻的測量值z0來初始化x0。通過卡爾曼濾波方法，當(dāng)定位終端移動(dòng)時(shí)，濾波后的動(dòng)態(tài)軌跡更為平滑，在濾除噪聲后，定位也更為準(zhǔn)確。

3 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

3.1 定位終端功耗分析

對于安裝在固定資產(chǎn)上的定位標(biāo)簽（如圖2（a）所示），電池標(biāo)配為2.4 Ah，電池容量與放電電流關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 容量與電流關(guān)系曲線

定位標(biāo)簽在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，利用功耗分析儀（如圖7（a）和圖7（b）所示）進(jìn)行分析；數(shù)據(jù)發(fā)送期間平均電流為4.67 mA，在500 ms的發(fā)包間隔下，設(shè)備平均電流為0.07 mA。在靜止?fàn)顟B(tài)下，每隔10 min發(fā)送一次心跳數(shù)據(jù)，心跳數(shù)據(jù)發(fā)送持續(xù)3 ms，其余時(shí)間為休眠狀態(tài)，僅有運(yùn)動(dòng)傳感器采樣監(jiān)聽，其電流約為1.7 μA，整機(jī)耗電流約為3 μA。

圖7 功耗分析

配備的電池按照90%的可用量計(jì)算，定位標(biāo)簽在全運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，使用時(shí)間約為3.6年。在實(shí)際使用中，對于資產(chǎn)和重要物品的定位，大多情況下處于靜止?fàn)顟B(tài)，一般使用壽命能達(dá)到5年以上，并不需要頻繁更換電池；而對于用于人員定位的工卡，自身配有充電接口，一次充電可持續(xù)使用7天，滿足基本的使用場景要求。

3.2 定位實(shí)驗(yàn)分析

本文系統(tǒng)部署在真實(shí)辦公環(huán)境中，試驗(yàn)區(qū)平面圖如圖8所示，定位區(qū)域包含：左上角的實(shí)驗(yàn)室區(qū)域（含有大量電氣設(shè)備）、左下角的會(huì)議室區(qū)域以及其余的正常辦公區(qū)域。網(wǎng)關(guān)（圖8中無字母標(biāo)記的圓圈標(biāo)記點(diǎn)）每隔7～10 m布設(shè)一個(gè)，共14個(gè)定位網(wǎng)關(guān)。

圖8 室內(nèi)定位環(huán)境2D圖以及網(wǎng)關(guān)、終端位置

（1）固定點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)：在上述三類定位區(qū)域都設(shè)有定位終端，其真實(shí)位置如圖8中標(biāo)有大寫字母的點(diǎn)位所示，定位終端在晃動(dòng)后靜止放置，其定位坐標(biāo)（圖8中標(biāo)有小寫字母的點(diǎn)位）能夠?qū)崟r(shí)在地圖中顯示。

測試多個(gè)定位終端的位置，平面圖左下角為定位原點(diǎn)坐標(biāo)，定位坐標(biāo)與真實(shí)位置坐標(biāo)之間的誤差由式（16）計(jì)算，結(jié)果見表1所列。由表1可知，所設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的固定點(diǎn)定位誤差都在4 m以內(nèi)，有60%的測試點(diǎn)定位誤差在2.5 m以內(nèi)。對于實(shí)驗(yàn)室區(qū)域的定位，雖有許多電氣設(shè)備的干擾，但仍能正常定位，精度滿足要求。

表1 固定點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

式中：（xn, yn）為定位終端真實(shí)坐標(biāo)；（xest, yest）為定位坐標(biāo)。

（2）移動(dòng)點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)：選取某一定位終端放在辦公區(qū)域，測試人員手持設(shè)備，順時(shí)針繞該區(qū)域行走一周，其定位軌跡能夠在平面圖中進(jìn)行查看。圖9是采用本文的定位策略和對定位點(diǎn)使用卡爾曼濾波算法后得到的定位軌跡，灰色為真實(shí)移動(dòng)軌跡，黑色為移動(dòng)定位軌跡。可以發(fā)現(xiàn)，有60%的測試點(diǎn)定位誤差在2 m以內(nèi)，最大定位誤差控制在3 m以內(nèi)。相較于固定點(diǎn)定位，移動(dòng)點(diǎn)定位有更高的準(zhǔn)確率，一是因?yàn)槎ㄎ唤K端在移動(dòng)時(shí)，定位引擎會(huì)不斷對其定位；二是由于對定位點(diǎn)使用Kalman濾波，從而移動(dòng)過程更為準(zhǔn)確和平滑。

圖9 室內(nèi)移動(dòng)定位點(diǎn)測試

實(shí)驗(yàn)還對60個(gè)定位終端同時(shí)進(jìn)行移動(dòng)定位測試。測試發(fā)現(xiàn)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)關(guān)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)信道存在壓力，計(jì)算和顯示會(huì)有1～3 s左右的延遲；若定位終端之間距離較緊密，藍(lán)牙信號(hào)會(huì)存在相互干擾，造成定位過程節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)漂移，使定位精度降低至4～6 m。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，對于室內(nèi)環(huán)境，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)僅能掃描到15 m以內(nèi)的區(qū)域信號(hào)，一旦超過邊界網(wǎng)關(guān)布設(shè)范圍10 m以外，定位終端會(huì)受到邊界約束。

4 結(jié) 語

與目前的藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)著重考慮了定位終端移動(dòng)時(shí)的定位精度，且兼顧了定位速度和定位準(zhǔn)確性，具有更高的應(yīng)用價(jià)值[14-15]。實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位系統(tǒng)能夠有效降低室內(nèi)定位的誤差，滿足大多數(shù)目標(biāo)場景的定位精度要求；所設(shè)計(jì)的前端界面能夠提供精準(zhǔn)的定位顯示和軌跡查詢等位置服務(wù)。該系統(tǒng)使用低功耗的藍(lán)牙iBeacon方案，每個(gè)定位終端的使用時(shí)間均超過三年，無須頻繁更換硬件。與傳統(tǒng)的人員物資監(jiān)管方式相比較，該系統(tǒng)很大程度地節(jié)約了人力成本，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。