基于藍牙微功耗的室內定位檢測系統

竇昱欽，張 峰，許寅曦，白志帥

（西安工業大學 電子信息工程學院，西安710032）

室內定位，指在室內環境中實現的位置定位，是集成了無線通訊、基站定位、慣導定位等多種技術的一套室內位置定位體系。

傳統的定位技術有紅外線、超聲波、Wi-Fi（wireless fidelity）等，大都存在成本高，定位不準確等問題。隨著無線通信技術與智能網絡技術的發展，基于藍牙BLE（bluetooth low energy）的室內定位具有設備體積比較小，功耗低，建立連接時間短等優點，然而藍牙BLE用于室內距離及定位信息獲取尚存在一些關鍵技術難點和定位精度不高的問題。在此，利用嵌入式軟硬件技術、4G技術開發了一整套室內定位檢測系統，為室內定位技術提供了一種更優的方案。該系統可用于室內物體監測定位等領域中實現防盜、防丟失監控等功能，解決實際的工程問題。

1 基于BLE的系統設計方案

1.1 整體方案

所設計的藍牙BLE定位系統整體設計方案如圖1所示。系統主要由iBeacon定位系統、嵌入式控制平臺、4G模塊、電源模塊等組成。

圖1 室內定位檢測系統總體設計方案Fig.1 Overall design scheme of indoor location detection system

該方案采用STM32作為主處理器，實現對系統的控制和數據的處理；系統數據采集部分采用NORDIC公司的NRF51822藍牙芯片。在室內定位檢測系統中，將1塊藍牙BLE模塊固定在被定位物體上作為探測目標。藍牙錨節點1連接處理器，并通過接收目標藍牙模塊RSSI值實現對被定位物體的位置監控。藍牙錨節點1與另外布設的3個藍牙錨節點構成四點定位，提高了定位的準確性進而增加系統的可靠性。

藍牙主機和錨節點搜索、接收目標藍牙模塊所發送的信號并獲取RSSI值和ID值，然后錨節點將自己的ID和獲取的RSSI值通過藍牙通訊發送給藍牙主機，藍牙主機再將接收到的數據通過串行通信技術發送給ARM處理器。ARM處理器利用信號強度衰減模型，計算出各節點至目標藍牙模塊的距離，再采用定位算法計算出目標物體的位置，由此實現室內定位功能。

1.2 基于iBeacon的場強值獲取

在整個定位系統中，被定位物體與錨節點之間的距離測量是基礎，而這個距離的測量需要利用接收信號的場強值，該值是基于iBeacon體系實現的。

文中采用iBeacon服務體系將藍牙BLE技術應用于室內定位中，其基本工作方式如圖2所示。

圖2 室內定位iBeacon工作方式Fig.2 Indoor positioning iBeacon working mode

配有藍牙通信功能的設備，作為iBeacon服務器向周圍發送自己特有的ID和RSSI信息。接收到該ID的iBeacon基站，通過軟件根據該ID采取相應的行動或執行相關的響應。同時，基于這樣的工作方式，將1個支持BLE的藍牙4.0模塊作為定位系統中的iBeacon服務器，其通過BLE協議周期性地廣播發送信號。由室內合理布置的BLE模塊接收iBeacon服務器發送的信號，通過信號的強度測定自身與服務器的距離，再將各模塊的數據綜合并借助相應的定位算法，實現室內較精準定位。

1.3 空間立體定位的實現

傳統的三點定位算法難以實現空間立體點位，在此引入四點定位算法，且對錨節點的布局進行合理設計。室內定位的布局如圖3所示。

圖3 室內藍牙節點布局Fig.3 Indoor bluetooth node layout

圖中，將1塊藍牙主機固定在被定位物體5上作為探測目標，周期性地向四周輻射電波。4個藍牙錨節點垂直擺放，使它們的信號都能輻射整個被定位物體的活動區域，這樣藍牙主機與藍牙錨節點就能夠進行無線通信。藍牙主機搜索藍牙錨節點所發送廣播信號，為了降低藍牙錨節點的功耗，距離的計算與定位在ARM處理器中完成，藍牙錨節點直接將獲取的RSSI值和自己的ID通過藍牙無線通訊發送給藍牙主機，藍牙主機將接收到數據發送到一個與處理器相連接的藍牙錨節點，最后該節點通過串口將接受的數據發送到ARM處理器，處理器將場強值轉化為距離。

2 硬件平臺設計

系統位置信息采集部分采用Nordic公司的NRF51822藍牙芯片。NRF51822是一款強大、靈活的多協議單芯片解決方案，采用32位ARM Cortex-M0處理器，配備256 kB Flash和16 kB RAM，嵌入式2.4 GHz收發器支持低功耗藍牙協議棧和2.4 G協議棧。NRF51822所有數字I/O引腳可自由定義和映射，便于開發；其藍牙協議和應用代碼的存儲空間相互分開，互不干擾，使用簡單。

NRF51822外圍及射頻電路如圖4所示。

圖4 NRF51822外圍電路及射頻電路的設計Fig.4 Design of NRF51822 peripheral circuit and RF circuit

圖中，NRF51822供電范圍為1.8～3.6 V，芯片通過XC1和XC2為其并聯外接16 MHz晶體振蕩器提供時鐘信號。模塊射頻天線設計是利用ANT1和ANT2差分天線接口外接倒F天線，并通過片上功率放大器輸出端口ADD_PA為天線提供軟件可調發射功率。NRF51822的P0.09和P0.11被映射為芯片串行接口分別連接處理器的接收和發送端口。

2.1 數據處理模塊選型及電路原理設計

系統處理器部分負責對相關數據的處理，而數據處理中的定位算法需要大量的運算。為了滿足定位的實時性，系統選用意法半導體推出的基于Cortex-M4內核的STM32F407ZGT6高性能微控制器。STM32F407集成了單周期 DSP指令和 FPU，168 MHz的高速性能便于進行數字信號控制器應用和快速的產品開發，提升了控制算法的執行速率和代碼效率。主控模塊原理設計如圖5所示。

圖中，STM32F407通過USART串行接口獲取藍牙主機接收的各節點數據，通過定位算法計算出放射源的位置，然后做出狀態判斷。STM32F407另一路串口連接SIM7100模塊，可發送AT指令控制模塊工作。處理器的時鐘電路通過并聯外接32 MHz石英晶振和2個10 pF電容構成，復位電路采用按鍵電平復位。

3 基于RSSI定位算法

3.1 RSSI測距算法

式中：n為信號傳播系數；d為接收者與發送者之間的距離；A為距離發送者1 m時的信號強度。測距精度的高低受n與A實際取值大小的影響較大，為經驗參數，可以通過測量距離發送者1 m時的Sr，s得到；n是用于描述信號強度隨距離增加而遞減的參量，其值依賴具體的測量環境。

根據實測的數據繪制出RSSI衰減模型曲線，如圖6所示。

圖5 主控制模塊原理設計Fig.5 Main control module principle design

3.2 提高測距精度與算法優化

式（1）所示的RSSI衰減模型在相關參數合理確定的情況下為圖6所示的曲線。由于室內環境較為復雜，在建立模型時往往由于A與n不夠準確，使得Sr，s實測值呈現出圖6所示的特征，勢必影響定位的準確度。為此，需要對參數A和n進行優化，擬采用最小二乘多項式擬合的方式對數據進行曲線擬合。 設每次測量的值為（xi，yi），有

圖6 RSSI衰減模型曲線Fig.6 RSSI attenuation model curve

則當擬合函數為多項式時，即為多項式擬合。即令

也即

式（5）是關于 a0，a1，a2，…，an的線性方程組，其矩陣形式為

該方程組的系數矩陣是一個對稱的正定矩陣，存在唯一解。 解出 ak（k=0，1，2，…，n），即可確定式（2）的多項式，進而確立衰減模型。

經過對衰減模型參數A和n的進一步優化處理，可以使模型的相關參數更加準確，定位的準確性得以提高。后續的實測結果也驗證了A和n的進一步優化為整體系統定位的精度提供可靠的保障，

3.3 室內定位算法

四邊定位原理如圖7所示。

圖7 四邊定位原理Fig.7 Four-edge positioning principle

如圖所示，藍牙錨節點1—4分別到藍牙主機（被定位物體）的距離為 A1，B1，A2，B2，根據三角形的幾何關系，藍牙主機的位置坐標（X，Y，Z）為

4 系統測試與分析

4.1 試驗結果與測試

在室內環境下進行數據測試，對其中一對主從機的藍牙模塊之間每隔10 cm距離進行場強值的測試，得到距離與場強值之間的數據信息，見表1。

表1 測試結果Tab.1 Test result

表1以x，y軸為平面，z軸為垂直方向，并在垂直方向每間隔0.1 m平面方向隨機取值并進行測量，對比測量結果誤差，結果在非理想情況下依據距離的變化而使信號的衰減產生依次遞減的趨勢。雖然尚產生一些波動，但對比之前未優化參數的情況要好，定位精度達到亞米級，能夠滿足日常定位需要。

5 結語

基于藍牙BLE技術，借助于iBeacon體系、RSSI測距算法及四點定位原理，完成了一套室內定位的設計與開發，并進行了功能與定位精度的測試試驗。研究表明，利用藍牙BLE技術開發室內定位系統具有低成本、低功耗、布局方便等優點；利用四點定位算法，結合合理的錨節點布局，能有效的實現空間立體定位；利用曲線擬合對RSSI測距公式進行優化，可提高系統的定位精度；優化后的BLE室內定位定位系統實際應用中可達到亞米級定位精度。所開發的定位檢測系統已成功應用于室內定位工程項目中，解決了放射源位置實時監管問題。對該系統稍加改造與拓展，可用于其他需要較高定位精度的場合。

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