揭秘藍(lán)牙定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)室內(nèi)導(dǎo)航

提及定位，我們首先想到的是GPS定位系統(tǒng)。然而，GPS主要適用于室外環(huán)境，在室內(nèi)定位方面存在局限性，這主要?dú)w結(jié)于兩個(gè)原因：首先，GPS信號(hào)功率極低，接收要求相當(dāng)高，只有在天線對(duì)空無(wú)遮擋物的情況下才能接收到衛(wèi)星信號(hào)并實(shí)現(xiàn)定位；其次，由于現(xiàn)代建筑材料的特性，GPS信號(hào)很容易受到墻體的阻擋或反射，無(wú)法順利進(jìn)入室內(nèi)，從而導(dǎo)致無(wú)法接收到衛(wèi)星信號(hào)，無(wú)法在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位。

那么，在室內(nèi)應(yīng)如何定位呢？隨著B(niǎo)LE（藍(lán)牙低功耗技術(shù)）的不斷成熟和發(fā)展，基于RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）、AoA（到達(dá)角）和AoD（出發(fā)角）的定位功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位場(chǎng)景。

RSSI 定位

在無(wú)線通信中，信號(hào)傳播距離越遠(yuǎn)，能量衰減越嚴(yán)重。若接收設(shè)備能測(cè)量收到信號(hào)的能量大小，就能推算出****設(shè)備與接收設(shè)備之間的距離。藍(lán)牙設(shè)備能夠接收到信號(hào)的能量大小，即RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示），通常以dBm為單位。RSSI數(shù)值多為負(fù)值，因?yàn)樗{(lán)牙芯片的最大****功率通常只有幾dBm，經(jīng)過(guò)路徑損失后，接收端設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度通常為負(fù)值。但RSSI不會(huì)低于芯片的接收靈敏度，因?yàn)榈陀诮邮侦`敏度的信號(hào)無(wú)法被藍(lán)牙芯片測(cè)量。

RSSI越大，距離越近，RSSI越小，距離越遠(yuǎn)。當(dāng)然，接收設(shè)備需要事先了解發(fā)送設(shè)備的****功率。例如，同一位置設(shè)備A的****功率為0dBm，設(shè)備B的****功率為10dBm，接收設(shè)備所讀取的兩個(gè)設(shè)備的RSSI值必然不同，因此判斷它們的距離也會(huì)有差異。

藍(lán)牙信號(hào)傳播距離和強(qiáng)度受多種因素影響。在商場(chǎng)等場(chǎng)景中，移動(dòng)的人群會(huì)嚴(yán)重干擾RSSI的穩(wěn)定性，使距離測(cè)量變得困難。盡管可以通過(guò)增加接收點(diǎn)或采用算法來(lái)提高穩(wěn)定性，但目前基于RSSI的定位精度通常僅為1-2米。這樣的精度僅能將目標(biāo)定位到一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，想要進(jìn)一步提高精度較為困難。

采用RSSI定位時(shí)，設(shè)備一致性要求較高。在相同環(huán)境和距離下，不同廣播設(shè)備的RSSI值差異應(yīng)盡可能小，且波動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。目前，基于RSSI的定位系統(tǒng)分為主動(dòng)式、被動(dòng)式以及主被動(dòng)一體式三種類型。

1.1 主動(dòng)式RSSI藍(lán)牙定位

主動(dòng)式RSSI藍(lán)牙定位系統(tǒng)，又叫終端側(cè)RSSI藍(lán)牙定位系統(tǒng)，原理是通過(guò)RSSI值來(lái)確定藍(lán)牙終端設(shè)備和藍(lán)牙信標(biāo)（Beacon）之間的相對(duì)位置，由信標(biāo)****信號(hào)，藍(lán)牙終端設(shè)備接收，定位精度在米級(jí)（2-3米），可以實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、語(yǔ)音導(dǎo)航、反向?qū)ぼ嚨裙δ?，可集成于微信小程序、APP之中。

定位原理：

1 ?  在定位區(qū)域部署藍(lán)牙信標(biāo)，一般需要至少3個(gè)信標(biāo)，信標(biāo)會(huì)每隔一定的時(shí)間廣播數(shù)據(jù)包到周圍；

2 ?  當(dāng)終端設(shè)備（智能手機(jī)、平板等）進(jìn)入信標(biāo)廣播覆蓋范圍，會(huì)掃描接收到信標(biāo)廣播出來(lái)的數(shù)據(jù)包（包含MAC、RSSI等信息）；

3 ?  終端設(shè)備通過(guò)定位算法以及云端后臺(tái)地圖引擎數(shù)據(jù)庫(kù)，即可在地圖上標(biāo)記出設(shè)備當(dāng)前位置。

圖1. 1 主動(dòng)式RSSI藍(lán)牙定位

應(yīng)用場(chǎng)景：商超、景點(diǎn)、停車場(chǎng)定位導(dǎo)航（反向?qū)ぼ嚕⑨t(yī)院、養(yǎng)老院、展會(huì)、機(jī)場(chǎng)、火車站、展館博物館等。

1.2 被動(dòng)式RSSI藍(lán)牙定位 

被動(dòng)式RSSI藍(lán)牙定位系統(tǒng)，又叫RSSI藍(lán)牙探測(cè)定位系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)側(cè)RSSI藍(lán)牙定位系統(tǒng)。依托于基于RSSI的藍(lán)牙定位引擎算法、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙定位標(biāo)簽（手環(huán)、工卡、Beacon信標(biāo)等），可實(shí)現(xiàn)2~3米左右的定位精度。

被動(dòng)式藍(lán)牙定位系統(tǒng)架構(gòu)包括：終端顯示設(shè)備、服務(wù)器、藍(lán)牙定位引擎和算法、云端數(shù)據(jù)傳輸、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)和藍(lán)牙定位標(biāo)簽（手環(huán)、工卡、Beacon信標(biāo)等），如圖1.2所示。 

定位原理： 

1 ?  藍(lán)牙定位標(biāo)簽（手環(huán)、工卡、Beacon信標(biāo)等）工作在信標(biāo)廣播狀態(tài)，將自身的MAC地址、電量、RSSI、心率等信息進(jìn)行廣播；

2 ?  藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)（4G/Wi-Fi/RJ45三種通信方式）掃描到藍(lán)牙定位標(biāo)簽的廣播信息，將相關(guān)信息傳輸?shù)街醒攵ㄎ灰?，中央定位引擎?duì)有關(guān)信息進(jìn)行計(jì)算，獲取到藍(lán)牙定位標(biāo)簽的位置信息；

3 ?  終端顯示軟件將藍(lán)牙定位標(biāo)簽的位置信息進(jìn)行顯示，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置跟蹤、軌跡回放、電子圍欄、心率監(jiān)測(cè)等功能。

圖1. 2 被動(dòng)式RSSI藍(lán)牙定位

應(yīng)用場(chǎng)景：醫(yī)院、養(yǎng)老院等。

1.3 主被動(dòng)一體RSSI藍(lán)牙定位

主被動(dòng)一體藍(lán)牙定位系統(tǒng)，集成前臺(tái)用戶自主定位導(dǎo)航和后臺(tái)實(shí)時(shí)定位監(jiān)測(cè)功能于一體的室內(nèi)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由藍(lán)牙定位引擎算法，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙工卡和Beacon信標(biāo)等一系列藍(lán)牙定位硬件，可以最大限度減少藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的使用，節(jié)省用戶部署藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的成本，是低成本室內(nèi)定位系統(tǒng)較好的選擇，可實(shí)現(xiàn)2-5米以內(nèi)的定位。

定位原理： 

1 ?  Beacon信標(biāo)工作在廣播狀態(tài)，將自身的MAC地址、電量等信息進(jìn)行廣播出去； 

2 ?  藍(lán)牙工卡掃描采集Beacon信標(biāo)的廣播信息，并將Beacon信標(biāo)的廣播信息通過(guò)藍(lán)牙轉(zhuǎn)發(fā)給藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)； 

3 ?  藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)收集工卡的信息，將藍(lán)牙工卡轉(zhuǎn)發(fā)出來(lái)的Beacon信息通過(guò)Wi-Fi或者RJ45方式（二選一）發(fā)送給定位服務(wù)器；

4 ?  定位服務(wù)器根據(jù)藍(lán)牙工卡和Beacon的信息，通過(guò)運(yùn)行位置定位引擎算法，計(jì)算出藍(lán)牙工卡的位置，終端顯示軟件將藍(lán)牙工卡的位置信息進(jìn)行顯示，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置定位跟蹤、軌跡回放、電子圍欄等功能。

圖1. 3 主被動(dòng)一體RSSI藍(lán)牙定位

該方案可廣泛應(yīng)用于博物館、貴重資產(chǎn)定位管理、景點(diǎn)、醫(yī)院、停車場(chǎng)定位導(dǎo)航（反向?qū)ぼ嚕?、養(yǎng)老院智慧養(yǎng)老、展館、機(jī)場(chǎng)、火車站、訪客人員定位管理等室內(nèi)定位場(chǎng)景。

1.4 三種定位方案對(duì)比

三種定位方案對(duì)比如下表所示：

表 1.1定位方案對(duì)比

終端側(cè)RSSI定位實(shí)現(xiàn)起來(lái)最簡(jiǎn)單，成本也最低，藍(lán)牙Beacon單獨(dú)工作，紐扣電池供電，待機(jī)時(shí)間可以達(dá)到幾年，不需要聯(lián)網(wǎng)，安裝方便，只需要在室內(nèi)間隔6-8米距離部署藍(lán)牙Beacon，配合手機(jī)App即可完成系統(tǒng)搭建。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)和主被動(dòng)一體RSSI定位需要藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)和管理后臺(tái)的支持，部署成本會(huì)顯著增加，更適用于人員實(shí)時(shí)監(jiān)控的場(chǎng)景。

目前基于信馳達(dá)RF-B-AR1藍(lán)牙信標(biāo)的終端側(cè)RSSI定位方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商超、展覽館、地下停車場(chǎng)等場(chǎng)所，更多信息可直接訪問(wèn)信馳達(dá)官網(wǎng)及淘寶店鋪。

藍(lán)牙AoA和AoD定位系統(tǒng)

藍(lán)牙5.1協(xié)議中提出了兩種更加精確的定位方法：一種是到達(dá)角（AoA），另一種是出發(fā)角（AoD）。

AoA定位：即藍(lán)牙接收器擁有復(fù)數(shù)個(gè)天線，****天線與每個(gè)接收天線距離有差異，故****出的信號(hào)在每個(gè)接收天線有接收時(shí)差，就可以計(jì)算出相位差。 

AoD定位：則是通過(guò)藍(lán)牙的定位信標(biāo)通過(guò)天線陣列發(fā)出信號(hào)，而接收設(shè)備通過(guò)單根天線接收信號(hào)，通過(guò)解碼接收信號(hào)計(jì)算出信號(hào)的發(fā)送方向。

2.1 藍(lán)牙AoA定位

藍(lán)牙AoA定位是一種較新的室內(nèi)定位技術(shù)得益于藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)的推出。藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)引入了AoA特性，AoA定位算法又叫到達(dá)角度測(cè)距(Angle-of-Arrival，簡(jiǎn)稱AoA)，是一種基于藍(lán)牙信號(hào)到達(dá)角度的藍(lán)牙定位算法，如圖2.1。其優(yōu)點(diǎn)是定位算法通信開(kāi)銷低，定位精度較高。通過(guò)陣列天線感知****節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向，計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)（藍(lán)牙AoA定位****）和****節(jié)點(diǎn)（藍(lán)牙AoA標(biāo)簽）之間的相對(duì)方位或角度，然后再利用三角測(cè)量法或其他方式計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)（藍(lán)牙AoA標(biāo)簽）的位置。

適用場(chǎng)景：資產(chǎn)標(biāo)簽定位，體育場(chǎng)人員定位，養(yǎng)老院定位系統(tǒng)； 

監(jiān)測(cè)技術(shù)：藍(lán)牙到達(dá)角度定位計(jì)算；

涉及軟硬件：藍(lán)牙AoA定位****、藍(lán)牙AoA定位標(biāo)簽（工卡/手環(huán)）、藍(lán)牙 AoA定位算法等；

定位精度：10厘米~30厘米；

功能實(shí)現(xiàn)：人員實(shí)時(shí)定位、施工人員數(shù)量統(tǒng)計(jì)點(diǎn)名、電子圍欄、一鍵呼救、危險(xiǎn)情況預(yù)警等。

2.2 藍(lán)牙AoD定位

AoD定位算法又叫出發(fā)角度測(cè)距(Angle of Departure，簡(jiǎn)稱AoD)，是一種基于藍(lán)牙信號(hào)出發(fā)角度的藍(lán)牙定位算法，如圖2.2。****端由射頻開(kāi)關(guān)和天線陣列組成，通過(guò)****測(cè)向廣播包，在****過(guò)程中切換天線，使其出發(fā)角（AoD）可被檢測(cè)到，接收端使用單個(gè)天線來(lái)接收這些廣播包，并在這些包中捕獲IQ（In-Phase and Quadrature）樣本。方向的確定基于單個(gè)****端天線陣列中的不同天線****無(wú)線電信號(hào)到接收機(jī)天線收到的廣播延遲，IQ測(cè)量可以檢測(cè)廣播延遲。任何具有支持AoD功能的單個(gè)天線的接收端都可以捕獲IQ樣本，并借助指定****端天線布局的配置文件信息，計(jì)算無(wú)線電的入射角度信號(hào)。

圖2. 2 藍(lán)牙AoD定位

藍(lán)牙AoD定位的接收端可集成在設(shè)備端，也可集成在具備藍(lán)牙5.1功能的手機(jī)上，這樣定位的并發(fā)量將不變限制。由于計(jì)算不在****端，藍(lán)牙AoD的****端可采用電池供電，方便安裝與部署。接收端需計(jì)算藍(lán)牙信號(hào)的離開(kāi)角，這樣會(huì)增加接收端的功耗與成本，定位終端的使用時(shí)長(zhǎng)更短并且成本更高。

AoD相比于AoA，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也相對(duì)復(fù)雜，目前主要的還是應(yīng)用AoA方案來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。

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