基于蓝牙技术的工厂巡检定位和数据通信研究

【摘要】利用蓝牙技术的无线通信和定位功能，开发一种工厂巡检定位和数据通信系统，在工厂车间内架设蓝牙模块，建立基站，当巡检人员手持蓝牙终端在工厂内巡检时，系统可以实时定位巡检人员所处的位置，并将巡检人员得到的巡检数据实时同步到计算机上，并实时显示在控制室的屏幕上。

【关键词】蓝牙室内定位工厂巡检数据通信信号强度指纹定位

一、引言

现在正在使用的工厂巡检设备普遍采用打卡或者签字等手段监督巡检人员是否到达现场进行了巡检，巡检完成后再将巡检设备插在计算机上，将数据导入计算机。甚至有些工厂还采用手工记录巡检数据的方式，回到办公室后再将数据手工录入计算机。这些设备使用极其不方便，而且时常造成错误，而且也存在很多管理漏洞。我们将采用室内定位技术对巡检人员的整个巡检过程进行监督，同时利用无线通信技术将巡检数据实时同步到计算机。

目前，比较流行的室内定位和无线通信技术是采用WiFi技术，但是WiFi定位系统具有架设成本较高，功耗较大等弱点，阻碍了室内定位技术的商业化进程。我们采用低功耗蓝牙技术来实现室内定位和数据通信功能。

二、定位原理

蓝牙终端和基站之间的距离计算可以通过接受信号强度（RSSI）、到达时间（TOA）、到达角度（AOA）、到达时差（TDOA）等技术获得。近年，信号指纹技术成为一种新兴的定位技术。

基于工厂内部有些区域定位精度要求较高，而有些区域定位精度要求较低，我们采用基于信号强度（RSSI）的定位技术和基于指纹的定位技术相结合的方式。

（1）基于信号强度（RSSI）的定位技术

三个蓝牙基站（BS1、BS2、BS3）与蓝牙终端（MS）之间的位置关系如图1所示。r1、r2、r3为MS与三个BS之间距离，这个距离可以根据信号强度与距离的函数关系计算得到。

（2）基于指纹的定位技术

接收到的信号由于其对地形和传播时障碍具有依赖性，因而呈现出非常强的站点特殊性，因此，对于每一个位置来说，该信道的多径结构对每一个位置是唯一的，如果同样的射频信号被从该位置发射，这样的多径特征可以被认为是该位置的指纹或者特征签名。

当使用指纹识别进行定位时，蓝牙终端使用接收到的多个基站信号强度构建RSSI向量。为方便描述，假设蓝牙终端检测到的RSSI向量表示为m=（m1，…，mi，…mp），其中mi为第i基站发射的RSSI值，mp为基站总数。

指纹库表示为nj=（n1，…，np），指纹库中每个rj所对应的坐标是已知的，表示为：l=f（n）。

在实际使用过程中，当蓝牙终端在定位区域某一位置时，其接收来自p个基站的信号，其信号强度可构成RSSI向量m=（m1，…，mi，…mp），此时将m与指纹库进行比对，从而得到位置坐标。

三、系统组成

在工厂车间内架设蓝牙模块，当巡检人员在工厂内巡检时，系统可以实时定位巡检人员所处的位置，并将巡检人员得到的巡检数据实时同步到计算机上，并实时显示在控制室的屏幕上。

本系统包括三部分：蓝牙基站、蓝牙终端、上位机。

（1）蓝牙基站：主要功能是检测周围蓝牙终端的RSSI，并将结果上传给上位机。多台蓝牙基站架设在工厂内。

（2）蓝牙终端：与蓝牙基站进行通信，从而检测出蓝牙终端的位置。蓝牙终端由巡检人员随身携带。同时蓝牙终端可以将巡检数据输入蓝牙终端，然后数据再通过蓝牙基站上传至上位机。

（3）上位机：通过蓝牙基站接收定位信息和巡检数据，然后通过计算机运算后，将定位数据和巡检数据显示在显示屏上。

工作流程是：通过架设在工厂内的蓝牙基站，测出蓝牙终端在基站出的RSSI，蓝牙基站把这些RSSI数据发送到上位机，上位机对RSSI数据进行处理、计算，得到蓝牙终端的位置数据，并显示在控制室显示器上。

四、技术优势

（1）功耗低：目前蓝牙基站及终端功耗已经非常低，一个蓝牙基站可以依赖纽扣电池持续工作一年。

（2）成本低：蓝牙基站的成本非常低。基于CSR芯片的的基站每个只有20元人民币左右，将来批量生产成本还能进一步降低。

（3）架设容易：蓝牙基站体积小，而且可以用电池供电，蓝牙基站可以像即时贴一样随意用双面胶把基站粘到需要做定位的区域。

（4）定位精度高：定位精度和蓝牙基站的铺设密度和发射功率有密切关系。即使采用简单的信号强度算法，如果每隔10米架设一个，定位精度可以控制到1米以内。

五、总结与展望

随着近几年蓝牙技术的发展，尤其是蓝牙4.0标准的发布，蓝牙技术的功耗和成本都大大降低，定位的精度也越来越高，蓝牙定位技术已经具备商业推广的条件。未来，蓝牙技术将会给人们工作和生活方式带来更多的便利。基于蓝牙技术的产品将会越来越普及。

参考文献

[1]欧阳骏，陈子龙，黄宁淋.蓝牙4.0BLE开发完全手册：物联网开发技术实战[M].化学工业出版社，2013

[2]陈灿峰.低功耗蓝牙技术原理与应用[M].北京航天航空大学出版社，2013

[3]朱刚，谈振辉，周贤伟.蓝牙技术原理与协议[M].北京交通大学出版社，2002

[4] David kammer.蓝牙应用开发指南：近程互联解决方案[M].科学出版社，2003

[5]王小好.基于蓝牙无线技术的室内定位方法研究[D].浙江工业大学，2007

[6]张浩，赵千川.蓝牙手机室内定位系统[J].计算机应用，2011，31（11）：3152-3156

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