基于有向天线和RSSI 的蓝牙无线定位基站设计

杨小青

（山西建筑职业技术学院 计算机工程系，山西 晋中 030619）

0 引言

精准定位是无线传感器工作效率的重要指标之一，主流的无线定位技术主要基于测距算法和测角算法。测距算法的核心技术是测量各节点间的距离、信号强度。常用的定位算法有三边测量法、三角测量法以及最大似然估计等。三边测距技术包括：接收信号强度RSSI（received signal strength indication）测量法、到达时间ToA（time of arrival）测量法；而测角算法的思想是通过信号相位信息或多输入多输出天线，计算信号达到角AoA（angle of arrival）进行定位［1］。目前蓝牙定位系统广泛采用指纹法，该方法网络布设简易，但指纹采集需要耗费较大人力和较多时间［2］。为此，本文设计了基于有向天线和RSSI 的蓝牙无线定位基站。

1 总体结构

蓝牙定位基站设计思想及总体结构如图1 所示。

蓝牙无线定位基站的成功实现，关键在于信号的测量及准确获取，使用四根定向天线，与水平面的定向角度分别为0°、90°、180°、270°，通过不同方向的天线，增强信号接收能力，并通过各方向信号的接收增益能力来获取角度分辨力；中心处使用一根全向鞭状天线来获取均匀的空间增益，对接收到的信号强度辅助判定广播定位节点的距离。

图1 蓝牙定位基站结构图Fig.1 Diagram of BLE locating structure

蓝牙模块选择符合BLE4.0 协议的低成本、低功耗的CC2541 芯片；广播接收模式选择私有模式［3］。与传统标准协议相比，此模式广播频率高、接收RSSI 值更稳定。对于MCU 模块，考虑到需要接收蓝牙模块UART 接口传递的RSSI 值，所以选择STM32F1 系列实现定位算法，并以极坐标的形式通过RJ45 接口汇总至服务器平台，供前端用户进行位置展示。

2 天线设计

2.1 定向天线

定向天线的性能要求较强的方向增益、较低的主瓣宽度、较高的前后比等等。设计分别与水平面成0°、90°、180°、270°方向的4 根定向天线实现方向识别。

针对2.40 GHz～2.48 GHz 蓝牙频段，运用八木天线原理，设计一款小尺寸平板PCB 增益天线［4］。利用主流仿真软件HFSS 建模，并进行增益、辐射方向图等指标分析［5］。本设计中使用的PCB 八木天线尺寸为120 mm×100 mm，FR4 基板材质厚度1 mm，实现与蓝牙模块连接使用50 Ω 的SMA 接头和同轴馈线。

3D 辐射增益图如图2 所示。其中YOZ 面的二维平面增益如图3 所示。实验过程中该天线的定向辐射性能较好，定向增益可达12 dB，水平主瓣波束宽度45°，进一步结合算法可以实现准确的信号测向。

2.2 全向天线

全向天线广泛应用于无线通信领域，因其在水平面上全方向的均匀辐射特性、价格低廉的特点，本设计使用一根2.4GHz 具有4dBi 增益的全向鞭状天线，利用全向天线接收的信号强度辅助进行距离判定。

图3 天线YOZ 面增益辐射曲线图Fig.3 YOZ plane gain radiation pattern

3 算法设计

3.1 广播节点的距离估计

实验中利用全向天线接收的信号强度，估计蓝牙广播设备和定位基站的距离。主流的无线信号传播模型包括Shadowing 模型、双径地面反射等模型，本设计中采用的是Shadowing 模型［6］，该模型为：

其中，RSSId为接收到的信号强度；d为收发端的实际距离；d0 为参考距离；RSSId0是距离为d0 时的信号强度；n为信道衰减指数（由传输环境决定）；Xσ是方差为σ、均值为0 的高斯随机变量。

利用蓝牙广播手环进行周期广播，当蓝牙手环与定位基站距离不同时，准确测量全向天线接收到的信号强度，对数拟合后计算RSSI 值的公式为：

不同距离对应的信号强度关系曲线如图4 所示。

图4 RSSI 值与距离关系图Fig.4 Relationship between RSSI and distance

3.2 广播节点的AoA 角度估计

本设计AoA 角度估计使用四信道比幅测向法。其基本原理为：使用4 个定向天线、4 个蓝牙接收模块和1 个信号处理模块组成，可实现360°全向测量。通过比较相邻通道天线波束接收同一信号的幅度，来确定广播节点的角度信息［7］。

从比幅测向系统的原理分析可以看出，角度测量校正必不可少［8］。将蓝牙定位基站置于转台，精确控制转台角度，在一定距离外利用位置固定的蓝牙广播手环向定位基站进行信号广播；按固定采样时间和固定转动角度增量，对广播信号进行采集和存储，并测量RSSI 值及各方向的幅度差，最终得到RSSI 幅度差值和角度AoA 的数据表。在实际使用中，已知广播区间和RSSI 幅度差，即可以查找对应角度值。经过测算，得到ΔRSSI-AoA 的曲线如图5 所示（其中A12表示天线A1、A2 的接收信号RSSI 差值）。

图5 各区间天线组ΔRSSI 与AoA 关系图Fig.5 Relation between Antenna pair ΔRSSI and AoA

4 实验结果分析

为验证本设计的定位精度与性能，选取空旷环境进行实验。被定位节点使用一枚蓝牙广播手环，距离地面1.5 m 位置，使用三脚架固定蓝牙定位基站，定位手环在距离定位基站分别为8 m、15 m 距离的圆周上进行验证，结果如图6 所示。

由测试结果可以得出，本蓝牙定位基站定位误差在1.5 m 左右。与现存蓝牙定位方案相比，在保证同等的定位精度下，极大地减少了定位基站布设数量，具有以太网接口进行数据传输至服务器，免除了指纹采集等复杂的工作，增强了网络布设简便性、提高了网络的可维护性。

图6 8 m 和15 m 时定位测试精度Fig.6 Location accuracy of 8 and 15 meters away

5 结束语

蓝牙无线定位基站的成功实现关键在于信号的测量及准确获取。本文基于此设计了一种基于有向天线和RSSI 技术的无线蓝牙定位基站，并对系统硬件选择进行介绍，对天线性能进行仿真分。利用全向天线接收的信号强度辅助进行距离判定，实现了信号到达角AoA 和距离的判定。实验结果表明，该设计实现的定位误差小，同时提高了蓝牙定位系统精度，而且极大地简便了定位网络的安装、调试和维护，降低了网络布设的人力成本。