一、系統(tǒng)原理

1. 簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目將利用多個(gè)BLE4.0藍(lán)牙模塊，配合主控板、OLED顯示屏等，構(gòu)建一個(gè)無(wú)線定位系統(tǒng)。

本項(xiàng)目的系統(tǒng)構(gòu)成為：3個(gè)信號(hào)塔，1個(gè)中控臺(tái)，2個(gè)被定位的目標(biāo)。

? ? ? ?無(wú)線定位的用途有很多。比如，我們可以把固定的目標(biāo)1看作等待救援的人或物，把可移動(dòng)的目標(biāo)2看作前來(lái)救援的機(jī)器人，就可以虛擬出一個(gè)救援場(chǎng)景模型。

? ? ? ?而現(xiàn)實(shí)中使用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行無(wú)線定位，多見(jiàn)于商場(chǎng)、圖書(shū)館等室內(nèi)環(huán)境的定位和導(dǎo)航。比如，在商場(chǎng)內(nèi)安裝數(shù)個(gè)藍(lán)牙信號(hào)發(fā)射源；在商家門(mén)口安裝藍(lán)牙定位設(shè)備；對(duì)于顧客，則可以直接使用其智能手機(jī)的藍(lán)牙模塊，再配合一個(gè)商場(chǎng)專用的手機(jī)App或者小程序，就可以讓顧客非常方便的在商場(chǎng)內(nèi)部尋找自己想要到達(dá)的商家等。

2. 定位原理

（1）rssi無(wú)線接收信號(hào)強(qiáng)度

? ? ? ?Received Signal Strength Indication接收的信號(hào)強(qiáng)度指示，通過(guò)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱測(cè)定信號(hào)點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算的一種定位技術(shù)。

? ? ? ?RSSI是射頻信號(hào)理論術(shù)語(yǔ)，主要應(yīng)用于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離測(cè)量。該方法是依據(jù)接收信號(hào)能量強(qiáng)度確定距離，對(duì)通信信道參數(shù)要求較高。其測(cè)距理論是：依據(jù)無(wú)線電波或聲波在介質(zhì)中傳輸，信號(hào)功率是隨傳播距離衰減的原理。根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)已知信號(hào)的發(fā)射功率和節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)功率，通過(guò)信號(hào)與距離之間的衰減模型，就可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的距離。由于信號(hào)傳播的過(guò)程中，受到距離和障礙物的影響。信號(hào)的功率強(qiáng)度隨之衰減，間接影響精度。所以要求得到良好的精度，短距離才會(huì)體現(xiàn)這一點(diǎn)。

? ? ? ?RSSI的定位技術(shù)相比于TOA、TDOA、AOA、GPS具有成本低、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)。如果室內(nèi)定位精度要求不高，基于RSSI的定位技術(shù)完全可以滿足。而且，現(xiàn)階段對(duì)于作為節(jié)點(diǎn)的傳感器，都能夠完成發(fā)射測(cè)試信號(hào)功率的任務(wù)。主要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，也獲取RSSI的測(cè)量值。該定位技術(shù)既無(wú)需額外硬件，又能完成復(fù)雜信息的分析處理，減小通信消費(fèi)，節(jié)約成本，比較適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)。

幾種測(cè)距方式對(duì)比 :

（2）rssi三點(diǎn)定位算法的基本原理

? ? ? ?三點(diǎn)定位算法在需要進(jìn)行定位的空間放置3個(gè)AP（無(wú)線訪問(wèn)接入點(diǎn)），并且3個(gè)AP的位置已知，如果知道該空間內(nèi)某位置的信號(hào)強(qiáng)度則可建立信號(hào)衰減模型，根據(jù)該信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出該位置到三個(gè)AP的距離。使用某位置移動(dòng)設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度即可估算出其到附近AP的距離，如果能確定若干AP的位置，即可確定該移動(dòng)設(shè)備的位置。由于障礙物的存在，信號(hào)衰減模型在實(shí)際使用時(shí)會(huì)存在一定誤差。

已知三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和未知點(diǎn)到這三個(gè)點(diǎn)的rssi的信號(hào)值，求解未知點(diǎn)的坐標(biāo)。

首先是將rssi信號(hào)轉(zhuǎn)換為距離：

其中d為距離，單位是m。

RSSI為rssi信號(hào)強(qiáng)度，為負(fù)數(shù)。

A為距離探測(cè)設(shè)備1m時(shí)的rssi值的絕對(duì)值，最佳范圍在45-49之間。

n為環(huán)境衰減因子，需要測(cè)試矯正，最佳范圍在3.25-4.5之間。

? ? ? ?在獲取未知點(diǎn)到三個(gè)點(diǎn)的距離后，剩下的就是求解未知點(diǎn)的坐標(biāo)。我們都知道兩個(gè)圓會(huì)相交于一個(gè)或者兩個(gè)點(diǎn)（如果相交），那么三個(gè)圓如果相交的話，必然會(huì)交于一個(gè)點(diǎn)（三個(gè)探測(cè)設(shè)備在一條直線上的情況下有可能相交于兩個(gè)點(diǎn)，這里不考慮），所以我們要求解的未知點(diǎn)便是以三個(gè)已知點(diǎn)為圓心，以他們與未知點(diǎn)之間的距離為半徑畫(huà)出的三個(gè)圓的交點(diǎn)。那么這個(gè)問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為了求三個(gè)已知圓的交點(diǎn)，然后如果根據(jù)圓的方程：

求解的話，是非常難求出未知點(diǎn)的坐標(biāo)的。

這里介紹另一種程序容易實(shí)現(xiàn)的計(jì)算方法：

①、判斷任意兩個(gè)圓是否相切（內(nèi)切或外切），這里可以設(shè)定一個(gè)誤差允許值d，也就是，滿足上述公式時(shí)就認(rèn)為兩個(gè)圓相切，其中d為誤差值，可以是正數(shù)或者負(fù)數(shù)。如果兩個(gè)圓相切的話，那么交點(diǎn)就比較好求解了：

；

；

? ? ? ?求解到x和y的坐標(biāo)后，只需要用第三個(gè)圓進(jìn)行驗(yàn)證，即求出這個(gè)點(diǎn)到第三個(gè)圓的圓心的距離，再和第三個(gè)圓的半徑做比較，如果在誤差允許范圍內(nèi)，那么就可以認(rèn)為求得的x，y是三個(gè)圓的交點(diǎn)，也就是未知點(diǎn)的坐標(biāo)。

②、沒(méi)有任意兩個(gè)圓相切，那么就先用兩個(gè)圓求解兩個(gè)交點(diǎn)，如下圖：

其中A,B是兩個(gè)圓心，坐標(biāo)分別為（，）和（，），C,D是兩個(gè)圓的交點(diǎn)，E為AB與CD的交點(diǎn)。

其中

其中

?? ? ?? ……………………1

?? ? ?? ……………………2

等式2轉(zhuǎn)換為

? ……………………3

等式3減去等式1:

于是可以根據(jù)以下公式求得CE

我們還可以獲取E點(diǎn)的坐標(biāo)

然后我需要求得AB和CD的斜率? 和

????? //這里要注意kAB為0的情況

然后求得CD和 x 軸的夾角

這時(shí)候就可以求得C 和D的坐標(biāo)

//這里也要注意和為nan的情況。

? ? ? ?至此，我們就求得了兩個(gè)圓的兩個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)，然后只需要用這兩個(gè)點(diǎn)去第三個(gè)圓做驗(yàn)證，就可以獲得三個(gè)圓的交點(diǎn)，也就是我們要求的未知點(diǎn)。

? ? ? ?當(dāng)我們基于rssi的三點(diǎn)定位算法實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無(wú)線定位時(shí)，可按如下圖所示位置放置藍(lán)牙信號(hào)發(fā)射塔。

? ? ? ?在理想情況下，以三個(gè)定節(jié)點(diǎn)為圓心，各自與盲節(jié)點(diǎn)的距離為半徑的圓會(huì)交于一點(diǎn)，但是實(shí)際測(cè)量中，因?yàn)橛姓`差因素，導(dǎo)致三組方程出現(xiàn)6個(gè)解(即三圓兩兩相交，產(chǎn)生6個(gè)交點(diǎn)，如上圖。選取靠?jī)?nèi)的三個(gè)交點(diǎn)(即圖中的紅色區(qū)域)，取它們的坐標(biāo)的平均值作為最終定位的盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，即可完成定位。

二、信號(hào)塔設(shè)置

1. 配置BLE4.0模塊

? ? ? ?根據(jù)三點(diǎn)定位原理，本項(xiàng)目需要使用3個(gè)信號(hào)塔。3個(gè)信號(hào)塔的主體均為BLE4.0模塊，需要把BLE4.0模塊的AT指令設(shè)置為“從設(shè)備”。

方法為：

（1）給控制板刷一套空的程序。初始打開(kāi)arduino IDE或新建，都是空程序。

（2）按下圖所示連接電路，錯(cuò)誤的連接會(huì)導(dǎo)致模塊損壞。將藍(lán)牙模塊使用杜邦線連接到Bigfish擴(kuò)展板上，并將擴(kuò)展板插到控制板上。

（3）打開(kāi)Arduino的串口監(jiān)視器，輸入AT指令。

測(cè)試查詢、設(shè)置主從模式

注：該指令執(zhí)行后，會(huì)導(dǎo)致模塊延時(shí)500ms重啟。

BLE4.0模塊的完整AT指令集可以參考如何使用探索者通信模塊【https://www.robotway.com/h-col-141.html】

（4）信號(hào)塔的三個(gè)BLE4.0a藍(lán)牙模塊都設(shè)為從設(shè)備后，使用以下命令直接進(jìn)行配置。在查詢模塊的MAC地址時(shí)，可以將查詢到底地址統(tǒng)一記錄在一個(gè)文本文件中，以便后續(xù)編寫(xiě)使用。（可參考《藍(lán)牙配置說(shuō)明.txt》）

信號(hào)塔設(shè)備MAC地址：

以上地址可根據(jù)自己的BLE4.0a藍(lán)牙模塊進(jìn)行修改，詳細(xì)參考《藍(lán)牙配置說(shuō)明.txt》

2. 信號(hào)塔的安裝

將配置好的BLE4.0a藍(lán)牙模塊按照下圖所示與電池盒進(jìn)行連接，用于之后安裝在信號(hào)塔中（注：紅色正極線接藍(lán)牙模塊的3.3V，黑色負(fù)極線接藍(lán)牙模塊的GND，錯(cuò)誤的連接會(huì)導(dǎo)致模塊損壞）。

用零件將其固定。