【技术】揭秘蓝牙定位技术：如何实现精准室内导航？

时间： 2023-04-22 来源：信驰达科技公众号

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提及定位，我们首先想到的是GPS定位系统。然而，GPS主要适用于室外环境，在室内定位方面存在局限性，这主要归结于两个原因：首先，GPS信号功率极低，接收要求相当高，只有在天线对空无遮挡物的情况下才能接收到卫星信号并实现定位；其次，由于现代建筑材料的特性，GPS信号很容易受到墙体的阻挡或反射，无法顺利进入室内，从而导致无法接收到卫星信号，无法在室内实现定位。

那么，在室内应如何定位呢？随着BLE（蓝牙低功耗技术）的不断成熟和发展，基于RSSI（接收信号强度指示）、AoA（到达角）和AoD（出发角）的定位功能已经广泛应用于室内定位场景。

RSSI定位

在无线通信中，信号传播距离越远，能量衰减越严重。若接收设备能测量收到信号的能量大小，就能推算出发射设备与接收设备之间的距离。蓝牙设备能够接收到信号的能量大小，即RSSI（接收信号强度指示），通常以dBm为单位。RSSI数值多为负值，因为蓝牙芯片的最大发射功率通常只有几dBm，经过路径损失后，接收端设备的信号强度通常为负值。但RSSI不会低于芯片的接收灵敏度，因为低于接收灵敏度的信号无法被蓝牙芯片测量。

RSSI越大，距离越近，RSSI越小，距离越远。当然，接收设备需要事先了解发送设备的发射功率。例如，同一位置设备A的发射功率为0dBm，设备B的发射功率为10dBm，接收设备所读取的两个设备的RSSI值必然不同，因此判断它们的距离也会有差异。

蓝牙信号传播距离和强度受多种因素影响。在商场等场景中，移动的人群会严重干扰RSSI的稳定性，使距离测量变得困难。尽管可以通过增加接收点或采用算法来提高稳定性，但目前基于RSSI的定位精度通常仅为1-2米。这样的精度仅能将目标定位到一个区域范围内，想要进一步提高精度较为困难。

采用RSSI定位时，设备一致性要求较高。在相同环境和距离下，不同广播设备的RSSI值差异应尽可能小，且波动相对稳定。目前，基于RSSI的定位系统分为主动式、被动式以及主被动一体式三种类型。

1.1 主动式RSSI蓝牙定位

主动式RSSI蓝牙定位系统，又叫终端侧RSSI蓝牙定位系统，原理是通过RSSI值来确定蓝牙终端设备和蓝牙信标（Beacon）之间的相对位置，由信标发射信号，蓝牙终端设备接收，定位精度在米级（2-3米），可以实现路径规划、语音导航、反向寻车等功能，可集成于微信小程序、APP之中。

定位原理：

1、在定位区域部署蓝牙信标，一般需要至少3个信标，信标会每隔一定的时间广播数据包到周围；

2、当终端设备（智能手机、平板等）进入信标广播覆盖范围，会扫描接收到信标广播出来的数据包（包含MAC、RSSI等信息）；

3、终端设备通过定位算法以及云端后台地图引擎数据库，即可在地图上标记出设备当前位置。

图1. 1 主动式RSSI蓝牙定位

应用场景：商超、景点、停车场定位导航（反向寻车）、医院、养老院、展会、机场、火车站、展馆博物馆等。

1.2 被动式RSSI蓝牙定位

被动式RSSI蓝牙定位系统，又叫RSSI蓝牙探测定位系统或网络侧RSSI蓝牙定位系统。依托于基于RSSI的蓝牙定位引擎算法、蓝牙网关、蓝牙定位标签（手环、工卡、Beacon信标等），可实现2~3米左右的定位精度。

被动式蓝牙定位系统架构包括：终端显示设备、服务器、蓝牙定位引擎和算法、云端数据传输、蓝牙网关和蓝牙定位标签（手环、工卡、Beacon信标等），如图1.2所示。

定位原理：

1、蓝牙定位标签（手环、工卡、Beacon信标等）工作在信标广播状态，将自身的MAC地址、电量、RSSI、心率等信息进行广播；

2、蓝牙网关（4G/Wi-Fi/RJ45三种通信方式）扫描到蓝牙定位标签的广播信息，将相关信息传输到中央定位引擎，中央定位引擎对有关信息进行计算，获取到蓝牙定位标签的位置信息；

3、终端显示软件将蓝牙定位标签的位置信息进行显示，可以实现实时位置跟踪、轨迹回放、电子围栏、心率监测等功能。

图1. 2 被动式RSSI蓝牙定位

应用场景：医院、养老院等。

1.3 主被动一体RSSI蓝牙定位

主被动一体蓝牙定位系统，集成前台用户自主定位导航和后台实时定位监测功能于一体的室内定位系统。系统主要由蓝牙定位引擎算法，蓝牙网关、蓝牙工卡和Beacon信标等一系列蓝牙定位硬件，可以最大限度减少蓝牙网关的使用，节省用户部署蓝牙网关的成本，是低成本室内定位系统较好的选择，可实现2-5米以内的定位。

定位原理：

1、Beacon信标工作在广播状态，将自身的MAC地址、电量等信息进行广播出去；

2、蓝牙工卡扫描采集Beacon信标的广播信息，并将Beacon信标的广播信息通过蓝牙转发给蓝牙网关；

3、蓝牙网关收集工卡的信息，将蓝牙工卡转发出来的Beacon信息通过Wi-Fi或者RJ45方式（二选一）发送给定位服务器；

4、定位服务器根据蓝牙工卡和Beacon的信息，通过运行位置定位引擎算法，计算出蓝牙工卡的位置，终端显示软件将蓝牙工卡的位置信息进行显示，可以实现实时位置定位跟踪、轨迹回放、电子围栏等功能。

图1. 3 主被动一体RSSI蓝牙定位

该方案可广泛应用于博物馆、贵重资产定位管理、景点、医院、停车场定位导航（反向寻车）、养老院智慧养老、展馆、机场、火车站、访客人员定位管理等室内定位场景。

1.4 三种定位方案对比

三种定位方案对比如下表所示：

表 1.1定位方案对比

终端侧RSSI定位实现起来最简单，成本也最低，蓝牙Beacon单独工作，纽扣电池供电，待机时间可以达到几年，不需要联网，安装方便，只需要在室内间隔6-8米距离部署蓝牙Beacon，配合手机App即可完成系统搭建。

网络侧和主被动一体RSSI定位需要蓝牙网关和管理后台的支持，部署成本会显著增加，更适用于人员实时监控的场景。

目前基于信驰达 RF-B-AR1蓝牙信标的终端侧RSSI定位方案已经广泛应用于商超、展览馆、地下停车场等场所。

蓝牙AoA和AoD定位系统

蓝牙5.1协议中提出了两种更加精确的定位方法：一种是到达角（AoA），另一种是出发角（AoD）。

AoA定位：即蓝牙接收器拥有复数个天线，发射天线与每个接收天线距离有差异，故发射出的信号在每个接收天线有接收时差，就可以计算出相位差。

AoD定位：则是通过蓝牙的定位信标通过天线阵列发出信号，而接收设备通过单根天线接收信号，通过解码接收信号计算出信号的发送方向。

2.1 蓝牙AoA定位

蓝牙AoA定位是一种较新的室内定位技术得益于蓝牙5.1标准的推出。蓝牙5.1标准引入了AoA特性，AoA定位算法又叫到达角度测距(Angle-of-Arrival，简称AoA)，是一种基于蓝牙信号到达角度的蓝牙定位算法，如图2.1。其优点是定位算法通信开销低，定位精度较高。通过阵列天线感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点（蓝牙AoA定位基站）和发射节点（蓝牙AoA标签）之间的相对方位或角度，然后再利用三角测量法或其他方式计算出未知节点（蓝牙AoA标签）的位置。

图2. 1 蓝牙AoA定位

适用场景：资产标签定位，体育场人员定位，养老院定位系统；

监测技术：蓝牙到达角度定位计算；

涉及软硬件：蓝牙AoA定位基站、蓝牙AoA定位标签（工卡/手环）、蓝牙 AoA定位算法等；

定位精度：10厘米~30厘米；

功能实现：人员实时定位、施工人员数量统计点名、电子围栏、一键呼救、危险情况预警等。

2.2 蓝牙AoD定位

AoD定位算法又叫出发角度测距（Angle of Departure，简称AoD），是一种基于蓝牙信号出发角度的蓝牙定位算法，如图2.2。发射端由射频开关和天线阵列组成，通过发射测向广播包，在发射过程中切换天线，使其出发角（AoD）可被检测到，接收端使用单个天线来接收这些广播包，并在这些包中捕获IQ（In-Phase and Quadrature）样本。方向的确定基于单个发射端天线阵列中的不同天线发射无线电信号到接收机天线收到的广播延迟，IQ测量可以检测广播延迟。任何具有支持AoD功能的单个天线的接收端都可以捕获IQ样本，并借助指定发射端天线布局的配置文件信息，计算无线电的入射角度信号。

图2. 2 蓝牙AoD定位

蓝牙AoD定位的接收端可集成在设备端，也可集成在具备蓝牙5.1功能的手机上，这样定位的并发量将不变限制。由于计算不在发射端，蓝牙AoD的发射端可采用电池供电，方便安装与部署。接收端需计算蓝牙信号的离开角，这样会增加接收端的功耗与成本，定位终端的使用时长更短并且成本更高。

AoD相比于AoA，实现起来也相对复杂，目前主要的还是应用AoA方案来实现定位。

关于信驰达

深圳市信驰达科技有限公司（RF-star）是一家专注于物联网射频通信方案的高科技公司，2010年即获得美国TI公司的认证，是其低功耗无线通信芯片的授权开发商，之后陆续得到Silicon Labs、Nordic、Realtek和ASR等海内外知名芯片企业的认可和支持。公司提供物联网无线模块和完整应用方案，包括BLE、Wi-Fi、Wi-SUN、LoRa、Zigbee、Thread等。

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