揭秘藍牙定位技術(shù)，實(shí)現精準室內導航

提及定位，我們首先想到的是GPS定位系統。然而，GPS主要適用于室外環(huán)境，在室內定位方面存在局限性，這主要歸結于兩個(gè)原因：首先，GPS信號功率極低，接收要求相當高，只有在天線(xiàn)對空無(wú)遮擋物的情況下才能接收到衛星信號并實(shí)現定位；其次，由于現代建筑材料的特性，GPS信號很容易受到墻體的阻擋或反射，無(wú)法順利進(jìn)入室內，從而導致無(wú)法接收到衛星信號，無(wú)法在室內實(shí)現定位。

那么，在室內應如何定位呢？隨著(zhù)BLE（藍牙低功耗技術(shù)）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)廣泛應用于室內定位場(chǎng)景。

RSSI 定位

在無(wú)線(xiàn)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****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數值多為負值，因為藍牙芯片的最大****功率通常只有幾dBm，經(jīng)過(guò)路徑損失后，接收端設備的信號強度通常為負值。但RSSI不會(huì )低于芯片的接收靈敏度，因為低于接收靈敏度的信號無(wú)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****功率。例如，同一位置設備A的****功率為0dBm，設備B的****功率為10dBm，接收設備所讀取的兩個(gè)設備的RSSI值必然不同，因此判斷它們的距離也會(huì )有差異。

藍牙信號傳播距離和強度受多種因素影響。在商場(chǎng)等場(chǎng)景中，移動(dòng)的人群會(huì )嚴重干擾RSSI的穩定性，使距離測量變得困難。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(gè)區域范圍內，想要進(jìn)一步提高精度較為困難。

采用RSSI定位時(shí)，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(dòng)相對穩定。目前，基于RSSI的定位系統分為主動(dòng)式、被動(dòng)式以及主被動(dòng)一體式三種類(lèi)型。

1.1 主動(dòng)式RSSI藍牙定位

主動(dòng)式RSSI藍牙定位系統，又叫終端側RSSI藍牙定位系統，原理是通過(guò)RSSI值來(lái)確定藍牙終端設備和藍牙信標（Beacon）之間的相對位置，由信標****信號，藍牙終端設備接收，定位精度在米級（2-3米），可以實(shí)現路徑規劃、語(yǔ)音導航、反向尋車(chē)等功能，可集成于微信小程序、APP之中。

定位原理：

1 ?  在定位區域部署藍牙信標，一般需要至少3個(gè)信標，信標會(huì )每隔一定的時(shí)間廣播數據包到周?chē)?/p>

2 ?  當終端設備（智能手機、平板等）進(jìn)入信標廣播覆蓋范圍，會(huì )掃描接收到信標廣播出來(lái)的數據包（包含MAC、RSSI等信息）；

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

圖1. 1 主動(dòng)式RSSI藍牙定位

應用場(chǎng)景：商超、景點(diǎn)、停車(chē)場(chǎng)定位導航（反向尋車(chē)）、醫院、養老院、展會(huì )、機場(chǎng)、火車(chē)站、展館博物館等。

1.2 被動(dòng)式RSSI藍牙定位 

被動(dòng)式RSSI藍牙定位系統，又叫RSSI藍牙探測定位系統或網(wǎng)絡(luò )側RSSI藍牙定位系統。依托于基于RSSI的藍牙定位引擎算法、藍牙網(wǎng)關(guān)、藍牙定位標簽（手環(huán)、工卡、Beacon信標等），可實(shí)現2~3米左右的定位精度。

被動(dòng)式藍牙定位系統架構包括：終端顯示設備、服務(wù)器、藍牙定位引擎和算法、云端數據傳輸、藍牙網(wǎng)關(guān)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(jìn)行廣播；

2 ?  藍牙網(wǎng)關(guān)（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(guān)信息傳輸到中央定位引擎，中央定位引擎對有關(guān)信息進(jìn)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(jìn)行顯示，可以實(shí)現實(shí)時(shí)位置跟蹤、軌跡回放、電子圍欄、心率監測等功能。

圖1. 2 被動(dòng)式RSSI藍牙定位

應用場(chǎng)景：醫院、養老院等。

1.3 主被動(dòng)一體RSSI藍牙定位

主被動(dòng)一體藍牙定位系統，集成前臺用戶(hù)自主定位導航和后臺實(shí)時(shí)定位監測功能于一體的室內定位系統。系統主要由藍牙定位引擎算法，藍牙網(wǎng)關(guān)、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(guān)的使用，節省用戶(hù)部署藍牙網(wǎng)關(guān)的成本，是低成本室內定位系統較好的選擇，可實(shí)現2-5米以?xún)鹊亩ㄎ弧?/p>

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(jìn)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(guò)藍牙轉發(fā)給藍牙網(wǎng)關(guān)； 

3 ?  藍牙網(wǎng)關(guān)收集工卡的信息，將藍牙工卡轉發(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)器根據藍牙工卡和Beacon的信息，通過(guò)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(jìn)行顯示，可以實(shí)現實(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(diǎn)、醫院、停車(chē)場(chǎng)定位導航（反向尋車(chē)）、養老院智慧養老、展館、機場(chǎng)、火車(chē)站、訪(fǎng)客人員定位管理等室內定位場(chǎng)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RSSI定位實(shí)現起來(lái)最簡(jiǎn)單，成本也最低，藍牙Beacon單獨工作，紐扣電池供電，待機時(shí)間可以達到幾年，不需要聯(lián)網(wǎng)，安裝方便，只需要在室內間隔6-8米距離部署藍牙Beacon，配合手機App即可完成系統搭建。

網(wǎng)絡(luò )側和主被動(dòng)一體RSSI定位需要藍牙網(wǎng)關(guān)和管理后臺的支持，部署成本會(huì )顯著(zhù)增加，更適用于人員實(shí)時(shí)監控的場(chǎng)景。

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

藍牙AoA和AoD定位系統

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個(gè)天線(xiàn)，****天線(xiàn)與每個(gè)接收天線(xiàn)距離有差異，故****出的信號在每個(gè)接收天線(xiàn)有接收時(shí)差，就可以計算出相位差。 

AoD定位：則是通過(guò)藍牙的定位信標通過(guò)天線(xiàn)陣列發(fā)出信號，而接收設備通過(guò)單根天線(xiàn)接收信號，通過(guò)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定位技術(shù)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(jiǎn)稱(chēng)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(diǎn)是定位算法通信開(kāi)銷(xiāo)低，定位精度較高。通過(guò)陣列天線(xiàn)感知****節點(diǎn)信號的到達方向，計算接收節點(diǎn)（藍牙AoA定位****）和****節點(diǎn)（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點(diǎn)（藍牙AoA標簽）的位置。

適用場(chǎng)景：資產(chǎn)標簽定位，體育場(chǎng)人員定位，養老院定位系統； 

監測技術(shù)：藍牙到達角度定位計算；

涉及軟硬件：藍牙AoA定位****、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(shí)現：人員實(shí)時(shí)定位、施工人員數量統計點(diǎn)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(jiǎn)稱(chēng)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。****端由射頻開(kāi)關(guān)和天線(xiàn)陣列組成，通過(guò)****測向廣播包，在****過(guò)程中切換天線(xiàn)，使其出發(fā)角（AoD）可被檢測到，接收端使用單個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)陣列中的不同天線(xiàn)****無(wú)線(xiàn)電信號到接收機天線(xiàn)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(gè)天線(xiàn)的接收端都可以捕獲IQ樣本，并借助指定****端天線(xiàn)布局的配置文件信息，計算無(wú)線(xiàn)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****端，藍牙AoD的****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(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(cháng)更短并且成本更高。

AoD相比于A(yíng)oA，實(shí)現起來(lái)也相對復雜，目前主要的還是應用AoA方案來(lái)實(shí)現定位。

關(guān)于信馳達

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