揭秘藍牙定位技術，實現(xiàn)精準室內(nèi)導航

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，這主要歸結(jié)于兩個原因：首先，GPS信號功率極低，接收要求相當高，只有在天線對空無遮擋物的情況下才能接收到衛(wèi)星信號并實現(xiàn)定位；其次，由于現(xiàn)代建筑材料的特性，GPS信號很容易受到墻體的阻擋或反射，無法順利進入室內(nèi)，從而導致無法接收到衛(wèi)星信號，無法在室內(nèi)實現(xiàn)定位。

那么，在室內(nèi)應如何定位呢？隨著BLE（藍牙低功耗技術）的不斷成熟和發(fā)展，基于RSSI（接收信號強度指示）、AoA（到達角）和AoD（出發(fā)角）的定位功能已經(jīng)廣泛應用于室內(nèi)定位場景。

RSSI 定位

在無線通信中，信號傳播距離越遠，能量衰減越嚴重。若接收設備能測量收到信號的能量大小，就能推算出發(fā)射設備與接收設備之間的距離。藍牙設備能夠接收到信號的能量大小，即RSSI（接收信號強度指示），通常以dBm為單位。RSSI數(shù)值多為負值，因為藍牙芯片的最大發(fā)射功率通常只有幾dBm，經(jīng)過路徑損失后，接收端設備的信號強度通常為負值。但RSSI不會低于芯片的接收靈敏度，因為低于接收靈敏度的信號無法被藍牙芯片測量。

RSSI越大，距離越近，RSSI越小，距離越遠。當然，接收設備需要事先了解發(fā)送設備的發(fā)射功率。例如，同一位置設備A的發(fā)射功率為0dBm，設備B的發(fā)射功率為10dBm，接收設備所讀取的兩個設備的RSSI值必然不同，因此判斷它們的距離也會有差異。

藍牙信號傳播距離和強度受多種因素影響。在商場等場景中，移動的人群會嚴重干擾RSSI的穩(wěn)定性，使距離測量變得困難。盡管可以通過增加接收點或采用算法來提高穩(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定位到一個區(qū)域范圍內(nèi)，想要進一步提高精度較為困難。

采用RSSI定位時，設備一致性要求較高。在相同環(huán)境和距離下，不同廣播設備的RSSI值差異應盡可能小，且波動相對穩(wěn)定。目前，基于RSSI的定位系統(tǒng)分為主動式、被動式以及主被動一體式三種類型。

1.1 主動式RSSI藍牙定位

主動式RSSI藍牙定位系統(tǒng)，又叫終端側(cè)RSSI藍牙定位系統(tǒng)，原理是通過RSSI值來確定藍牙終端設備和藍牙信標（Beacon）之間的相對位置，由信標發(fā)射信號，藍牙終端設備接收，定位精度在米級（2-3米），可以實現(xiàn)路徑規(guī)劃、語音導航、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)域部署藍牙信標，一般需要至少3個信標，信標會每隔一定的時間廣播數(shù)據(jù)包到周圍；

2?當終端設備（智能手機、平板等）進入信標廣播覆蓋范圍，會掃描接收到信標廣播出來的數(shù)據(jù)包（包含MAC、RSSI等信息）；

3?終端設備通過定位算法以及云端后臺地圖引擎數(shù)據(jù)庫，即可在地圖上標記出設備當前位置。

圖1. 1 主動式RSSI藍牙定位

應用場景：商超、景點、停車場定位導航（反向?qū)ぼ嚕⑨t(yī)院、養(yǎng)老院、展會、機場、火車站、展館博物館等。

1.2 被動式RSSI藍牙定位

被動式RSSI藍牙定位系統(tǒng)，又叫RSSI藍牙探測定位系統(tǒng)或網(wǎng)絡側(cè)RSSI藍牙定位系統(tǒng)。依托于基于RSSI的藍牙定位引擎算法、藍牙網(wǎng)關、藍牙定位標簽（手環(huán)、工卡、Beacon信標等），可實現(xiàn)2~3米左右的定位精度。

被動式藍牙定位系統(tǒng)架構(gòu)包括：終端顯示設備、服務器、藍牙定位引擎和算法、云端數(shù)據(jù)傳輸、藍牙網(wǎng)關和藍牙定位標簽（手環(huán)、工卡、Beacon信標等），如圖1.2所示。

定位原理：

1?藍牙定位標簽（手環(huán)、工卡、Beacon信標等）工作在信標廣播狀態(tài)，將自身的MAC地址、電量、RSSI、心率等信息進行廣播；

2?藍牙網(wǎng)關（4G/Wi-Fi/RJ45三種通信方式）掃描到藍牙定位標簽的廣播信息，將相關信息傳輸?shù)街醒攵ㄎ灰?，中央定位引擎對有關信息進行計算，獲取到藍牙定位標簽的位置信息；

3?終端顯示軟件將藍牙定位標簽的位置信息進行顯示，可以實現(xiàn)實時位置跟蹤、軌跡回放、電子圍欄、心率監(jiān)測等功能。

圖1. 2 被動式RSSI藍牙定位

應用場景：醫(yī)院、養(yǎng)老院等。

1.3 主被動一體RSSI藍牙定位

主被動一體藍牙定位系統(tǒng)，集成前臺用戶自主定位導航和后臺實時定位監(jiān)測功能于一體的室內(nèi)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由藍牙定位引擎算法，藍牙網(wǎng)關、藍牙工卡和Beacon信標等一系列藍牙定位硬件，可以最大限度減少藍牙網(wǎng)關的使用，節(jié)省用戶部署藍牙網(wǎng)關的成本，是低成本室內(nèi)定位系統(tǒng)較好的選擇，可實現(xiàn)2-5米以內(nèi)的定位。

定位原理：

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

2?藍牙工卡掃描采集Beacon信標的廣播信息，并將Beacon信標的廣播信息通過藍牙轉(zhuǎn)發(fā)給藍牙網(wǎng)關；

3?藍牙網(wǎng)關收集工卡的信息，將藍牙工卡轉(zhuǎn)發(fā)出來的Beacon信息通過Wi-Fi或者RJ45方式（二選一）發(fā)送給定位服務器；

4?定位服務器根據(jù)藍牙工卡和Beacon的信息，通過運行位置定位引擎算法，計算出藍牙工卡的位置，終端顯示軟件將藍牙工卡的位置信息進行顯示，可以實現(xiàn)實時位置定位跟蹤、軌跡回放、電子圍欄等功能。

圖1. 3 主被動一體RSSI藍牙定位

該方案可廣泛應用于博物館、貴重資產(chǎn)定位管理、景點、醫(yī)院、停車場定位導航（反向?qū)ぼ嚕?、養(yǎng)老院智慧養(yǎng)老、展館、機場、火車站、訪客人員定位管理等室內(nèi)定位場景。

1.4 三種定位方案對比

三種定位方案對比如下表所示：

表 1.1定位方案對比

終端側(cè)RSSI定位實現(xiàn)起來最簡單，成本也最低，藍牙Beacon單獨工作，紐扣電池供電，待機時間可以達到幾年，不需要聯(lián)網(wǎng)，安裝方便，只需要在室內(nèi)間隔6-8米距離部署藍牙Beacon，配合手機App即可完成系統(tǒng)搭建。

網(wǎng)絡側(cè)和主被動一體RSSI定位需要藍牙網(wǎng)關和管理后臺的支持，部署成本會顯著增加，更適用于人員實時監(jiān)控的場景。

目前基于信馳達RF-B-AR1藍牙信標的終端側(cè)RSSI定位方案已經(jīng)廣泛應用于商超、展覽館、地下停車場等場所，更多信息可直接訪問信馳達官網(wǎng)及淘寶店鋪。

藍牙AoA和AoD定位系統(tǒng)

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

AoA定位：即藍牙接收器擁有復數(shù)個天線，發(fā)射天線與每個接收天線距離有差異，故發(fā)射出的信號在每個接收天線有接收時差，就可以計算出相位差。

AoD定位：則是通過藍牙的定位信標通過天線陣列發(fā)出信號，而接收設備通過單根天線接收信號，通過解碼接收信號計算出信號的發(fā)送方向。

2.1 藍牙AoA定位

藍牙AoA定位是一種較新的室內(nèi)定位技術得益于藍牙5.1標準的推出。藍牙5.1標準引入了AoA特性，AoA定位算法又叫到達角度測距(Angle-of-Arrival，簡稱AoA)，是一種基于藍牙信號到達角度的藍牙定位算法，如圖2.1。其優(yōu)點是定位算法通信開銷低，定位精度較高。通過陣列天線感知發(fā)射節(jié)點信號的到達方向，計算接收節(jié)點（藍牙AoA定位基站）和發(fā)射節(jié)點（藍牙AoA標簽）之間的相對方位或角度，然后再利用三角測量法或其他方式計算出未知節(jié)點（藍牙AoA標簽）的位置。

適用場景：資產(chǎn)標簽定位，體育場人員定位，養(yǎng)老院定位系統(tǒng)；

監(jiān)測技術：藍牙到達角度定位計算；

涉及軟硬件：藍牙AoA定位基站、藍牙AoA定位標簽（工卡/手環(huán)）、藍牙 AoA定位算法等；

定位精度：10厘米~30厘米；

功能實現(xiàn)：人員實時定位、施工人員數(shù)量統(tǒng)計點名、電子圍欄、一鍵呼救、危險情況預警等。

2.2 藍牙AoD定位

AoD定位算法又叫出發(fā)角度測距(Angle of Departure，簡稱AoD)，是一種基于藍牙信號出發(fā)角度的藍牙定位算法，如圖2.2。發(fā)射端由射頻開關和天線陣列組成，通過發(fā)射測向廣播包，在發(fā)射過程中切換天線，使其出發(fā)角（AoD）可被檢測到，接收端使用單個天線來接收這些廣播包，并在這些包中捕獲IQ（In-Phase and Quadrature）樣本。方向的確定基于單個發(fā)射端天線陣列中的不同天線發(fā)射無線電信號到接收機天線收到的廣播延遲，IQ測量可以檢測廣播延遲。任何具有支持AoD功能的單個天線的接收端都可以捕獲IQ樣本，并借助指定發(fā)射端天線布局的配置文件信息，計算無線電的入射角度信號。

圖2. 2 藍牙AoD定位

藍牙AoD定位的接收端可集成在設備端，也可集成在具備藍牙5.1功能的手機上，這樣定位的并發(fā)量將不變限制。由于計算不在發(fā)射端，藍牙AoD的發(fā)射端可采用電池供電，方便安裝與部署。接收端需計算藍牙信號的離開角，這樣會增加接收端的功耗與成本，定位終端的使用時長更短并且成本更高。

AoD相比于AoA，實現(xiàn)起來也相對復雜，目前主要的還是應用AoA方案來實現(xiàn)定位。

審核編輯黃宇