一种易于部署和维护的蓝牙室内定位技术的实现

摘要

近十多年来，人类室内活动的日益频繁，建筑技术和建筑设计的日益进步，导致人们对室内服务的需求也日益精细化和复杂化，其中就包括了对室内定位服务的需求。这使得室内定位技术进入了长足发展的时期，多种技术路线先后被提出，与之对应的解决方案和产品也频繁出现在公众视线内。 以目前的现状来看，应用于室内定位的技术主要有Wi-Fi、ZigBee、RFID、Bluetooth、LED、计算机视觉、地磁、超声波、超宽带等；相应的定位理论也有充分的研究和论证。但以成果来看，大规模普及的和通用的解决方案还未见出现，各种解决方案和技术还停留在小范围试用和特定场景应用的阶段。 本文工作，首先对目前的研究现状进行了分析。其中主要对定位基本理论和各种室内定位技术的优缺点进行了陈述，对各种技术方案面的局限性进行了内因的分析，探究了目前各种方案都没能得到普及的原因，并提出了衡量室内定位服务水平的指标。 然后，针对目前技术方案的市场适应性不佳、服务场景受限，实际体验不佳，成本过高等各项局限，本文提出了一种方便部署和维护的、基于蓝牙低功耗技术的、以精细网格定位为设计理念的室内定位方案。接下来详细说明了该方案的各项优点，论证了该方案为何有望解决现阶段其他解决方案遇到各项疑难点，并提出了要使得该方案的可行性为真而必须解决的两个问题。 其中一个问题是支持该方案的蓝牙低功耗信标设备是否可以被制造出来，因为它对设备的通信设计和工业设计都有很多特殊且严格的要求。针对该问题，本文给出了详细的实现过程，设计并实现了满足要求并真实存在的蓝牙低功耗通信设备和通信方案。这些工作使得本方案对维护足够友好。 另一个问题是如何克服本方案以精细网格定位为设计理念所带来的测量代价。也就是，需要设计一套足够简便的测量方案，使得部署人员可以快速并低成本地得到数量庞大的信标设备的位置坐标。本文工作受到捷联式惯性导航系统的启发，在Android智能手机上基于手机的惯性元件等传感器实现了一套基于航位推算的测量算法，并对数据采用了一些效果良好的过滤处理，使得测量精度符合要求。这些工作使得本方案对部署足够友好。 最后，本文对方案的相关实现进行了验证，并提出下一步的工作展望。

目录

声明

第一章 绪论

1.1室外定位技术

1.2室内定位技术

1.3室内定位服务的四项硬指标

1.4面向市场的三个评价维度

1.5室内定位现状的总结

1.6本文研究工作核心和意义

1.7本文工作安排

第二章 系统架构设计

2.1设计思路

2.1.1对市场“融入”维度的考量

2.1.2对市场“扩张”维度的考量

2.1.3对市场“维持”维度的考量

2.2系统设计方案

2.2.1设计描述

2.2.2系统架构

2.3对系统设计方案的评价

2.3.1对室内定位四项硬指标的适配

2.3.2对市场“融入”维度的适应

2.3.3对市场“扩张”维度的适应

2.3.4对市场“维持”维度的适应

2.4本章小结

第三章 蓝牙通信部分的设计与实现

3.1蓝牙协议栈阐述

3.2边界节点的设计与实现

3.2.1边界节点的顶层设计

3.2.2边界节点的资源设计

3.2.3边界节点的程序设计

3.3中心节点的设计与实现

3.3.1中心节点的顶层设计

3.3.2中心节点的资源设计

3.3.3中心节点的程序设计

3.4本方案设计的蓝牙通信过程

3.5本章小结

第四章 设备坐标测量系统的设计与实现

4.1算法设计与实现

4.1.1获取数据阶段的代码实现

4.1.2数据加工阶段的代码实现

4.1.3数据过滤/合成阶段的代码实现

4.2测量系统和测量方法的设计与实现

4.3本章小结

第五章 测试与验证

5.1蓝牙设备通信流程的验证

5.2设备坐标测量系统的验证

5.3其他的必要验证

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2工作展望

致谢

参考文献