基于定向天線的藍牙室內定位系統

溫拓樸 丁文浩 潘長勇

關鍵詞： 室內定位; 藍牙信號; 定向天線; 高精度定位; RSSI; 最小二乘估計; 距離度量

中圖分類號： TN92?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

室內定位技術一直有著廣大的需求與前景，精確的室內定位技術能極大程度地創造更精確的位置服務。目前的室內定位技術并沒有得到廣泛普及，主要由于高精度的定位方式（如超寬帶等）存在造價較高、部署不易等問題。另一方面，對于價格低廉的藍牙基站，WiFi定位方式同樣也存在困難與挑戰。基于RSSI的定位算法是藍牙與WiFi在室內定位中較為簡易而有效的手段[1]，然而由于室內環境中障礙物較多，信號在受限的空間中傳播容易發生多次反射與折射。此時，利用藍牙的RSSI進行距離估計會存在較大偏差。針對這個問題，藍牙指紋[2?4]，WiFi融合定位[5?6]，可見光定位[7?8]等方式也先后被提出。更進一步，采用基于濾波的定位算法[9?10]，以及增加行人航位預測[11?12]等輔助方式來提高定位精度。但其算法本身過于復雜，難以實際使用。本文系統的設計主要將定向天線的技術引入藍牙設備模塊，通過定向天線能量更集中的波束，減少藍牙多徑的干擾，從而克服室內環境的復雜因素，提供更加穩定的RSSI指標，再通過最小二乘估計，在價格低廉的情況下，提高藍牙在室內定位的精度。

1 ?定位算法

傳統的藍牙節點常用全向天線作為發射天線，其特點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強度相等。而在該系統中，藍牙的發射天線為波束較小的定向天線，其近似模型在角度[（-α，α）]內發射功率較大，而在方向角度[（-α，α）]之外發射功率迅速衰減。

可以看到，全向天線由于在距離較遠、方向角較大的地方無法快速衰減，在近距離時波束不集中，從而導致接收的遠處發射信號與近處發射信號的RSSI值較難區分，信噪比較低。而定向天線恰好能彌補這些缺點，將遠處發射信號與近處發射信號的RSSI值更好地區分開。因此得到的RSSI結果在均方誤差的指標下要比全向天線有更好的表現。從曲線結果來看，最優的情況下，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，從參考點的數量角度觀察，可以發現隨著參考點數量的增加，定向天線的解決方案在12個參考點之后誤差逐漸上升。這是因為隨著參考點數量的增多，越來越多距離較遠的參考點也被納入計算。由于藍牙的RSSI的最大表示范圍為127，而定向天線在遠距離處的接收值迅速衰減，無法準確刻畫微弱信號強度的RSSI。因此，遠處的參考點RSSI值偏差嚴重，造成精度的損失。

從計算復雜度的角度來看，參考點數量的增多會要求更大的計算量。最小二乘估計時的計算復雜度約為[O（n3）]，從而參考點數量的變化與計算量之間的曲線如圖3所示。因此，選取的參考點數量需在計算量與精度之間進行權衡。在本文實驗中，選取[8]個參考點的數量是一個較為合理的選擇。若環境更加復雜，選取更少、信噪比更高的參考點納入計算是更加合理的選擇。

3 ?硬件設計

本課題的硬件部分分為三部分，包括定位的目標發射器，在固定位置呈網格狀排列的帶有定向天線的藍牙接收器以及負責定位解算的計算中心。對于發射器和接收器采用藍牙芯片CC2540/CC2541作為藍牙收發模塊的主體。CC2540集成了2.4 GHz射頻收發器，是一款完全兼容8051內核的無線射頻單片機，它與藍牙低功耗協議棧共同構成高性價比、低功耗的片上系統（SoC）解決方案，非常適合藍牙低功耗應用[15]。在數據傳輸方面，選取CAN總線的通信協議實現計算中心與藍牙接收模塊之間的快速通信。發射節點在測試環境下按照一定的時間間隔進行廣播數據，同時接收節點得到廣播信號的RSSI值，并且通過CAN總線將接收到的RSSI值送入計算中心進行計算，得到的結果則儲存到數據中心，以做下一步的應用。整體系統框架如圖4所示。

4 ?實物測試

根據上述的硬件設計搭建一個簡易的測試場景。實驗場地為辦公區的空地，天花板離地面高度約為2.5 m。硬件設計實物如圖5所示。其中定向天線3 dB寬度為[60]°。

藍牙與定向天線的測試場景如圖6所示。藍牙接收點之間間隔3 m，定向天線垂直向下，覆蓋一個半徑約為1.5 m的區域。圖6中上方的框為定向天線及藍牙接收模塊，下方的框表示藍牙的簡易發射模塊。

實驗中發現，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信號強度能得到約7～12 dB的提高。而在距離稍遠于4 m處，其接收到的信號強度十分微弱，接收機基本沒有收到信號RSSI的數值。由此可見，定向天線本身帶有的空間濾波特性使得收到的信號RSSI值在近處更為可靠，過濾遠處的信號，從而讓后續的計算結果魯棒性更好。最終的實驗定位結果誤差在0.6 m以內。

5 ?結 ?語

本文通過在藍牙接收端添加一個波束更為集中的定向天線，從而抑制較遠距離的（方向角更大的）信號，增大較近距離（方向角更小的）信號的信噪比，優化RSSI值在室內復雜環境中的表現，為距離度量提供更可信的參考。通過估計藍牙信號功率隨距離變化模型中的衰減參數，以及最小二乘估計的算法，解算發射信號在平面坐標下的位置。通過仿真發現，定向天線的藍牙定位方式相比全向天線的藍牙而言，能獲得更加精確的定位結果。最后完成了該方案的硬件設計，并提供了整個系統的工作流程以供參考。

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