基于蓝牙模块的机场室内定位技术研究与应用

蔡春昊，何元清，程德昊

(中国民用航空飞行学院 计算机学院，四川 德阳 618307)

0 引言

机场是实现民航的重要组成部分，提高机场的服务管理效率能有效提高民航运输质量。机场是一个多功能复杂的室内环境，研究机场室内定位技术可以有效提高机场服务效率。常见的室内定位技术有WiFi、蓝牙、超宽带(Ultra Wide Band，UWB)、射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)、ZigBee等[1]。谭凌云[2]和王忠明[3]分别基于ZigBee和WiFi技术研究机场室内定位技术。2018年，胡明[4]建议以蓝牙技术设计机场的室内定位系统。2019年，蓝牙5.1版本正式发布，蓝牙定位进一步提高。蓝牙具有易部署、精度高等优点，适用在机场室内定位系统。

1 蓝牙室内定位技术

1.1 常用室内定位技术

WiFi定位技术是通过安装无线基站，利用三边无线网络基站与定位终端接收的信号强度，硬件设备成本较低。ZigBee定位技术是一种短距离无线定位技术，有低功耗、成本低等优点，但信号强度易受环境影响，稳定性差。RFID定位技术是一种非接触式的数据通信技术，定位终端在射频磁场通过多对双向通信传送数据，有精度高、体积小和成本低的优点。UWB定位技术使用固定位置的桥节点和信标点以及定位终端节点通过脉冲进行数据通信，有抗干扰、精度高等优点。

1.2 蓝牙定位技术概述

蓝牙定位是通过测量定位终端接收到的基站信标信号强度实现的，其定位精度为1～3 m。蓝牙成本低、消耗低、体积小、普及率高，适合移动终端多的机场环境。MAC地址和接收信号的强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)值是蓝牙定位的主要参数。

MAC是介质访问控制，是识别设备的标志符。MAC地址具有唯一性，由厂商的IEEE OUI代码和24位自编设备号组成。

RSSI是接收信号强度指示器，用来判断接收信号的质量，是蓝牙定位系统测距的重要参数。RSSI值为0是信号功率全部接收的理想状态，所以实际中RSSI值为负值。RSSI与估算距离D满足公式(1)。

(1)

其中，a是基站信标单位信号强度，n是环境影响系数。

2 机场蓝牙定位系统设计

2.1 定位系统组成

蓝牙定位系统由以下5部分组成[5]。(1)蓝牙基站信标布设于定位环境，功能是标识位置和计算距离。本系统采用三角均匀部署的方法布设基站信标，两两间距5 m左右，实现机场三维空间三角网格状交错分布覆盖。(2)定位终端是指有蓝牙标签的被定位的单元设备，终端接收基站信标的信号强度RSSI值是定位系统的重要参数。(3)数据库用于存储定位计算的有关数据，包含机场内基站信标和定位终端的MAC地址、信号强度RSSI以及定位终端的位置坐标等数据。(4)服务器是整个定位系统核心的部分，包含数据访问层和业务逻辑层。服务器调用数据库的基站信标的坐标信息，接收定位终端的MAC地址、信号强度RSSI值，实现基于位置服务的算法结构。(5)显示端是用户的使用界面，即在PC端或手机客户端显示服务器的处理结果。

2.2 定位算法

(1)滤波算法。蓝牙信号强度易受环境干扰、不稳定，需要滤波去噪。常见的滤波算法有均值滤波、滑动平均滤波、高斯滤波等，由于RSSI一般服从高斯分布，故采用高斯滤波。

首先计算RSSI的均值μ和标准差σ，则RSSI的概率密度函数为式(2)。

(2)

其置信区间(μ-σ≤RSSI(k)<μ+σ)的概率为式(3)。

P(μ-σ≤RSSI(k)<μ+σ)=F(μ+σ)-F(μ-σ)=2φ(1)-1=0.682 6

(3)

滤波后的RSSI值为式(4)。

(4)

式中，RSSI(k)∈(μ-σ，μ+σ)。

(2)测距定位算法。使用RSSI值测距并采用三角质心算法计算位置坐标。如图1所示，在无噪声干扰情形下，假设基站信标A、B、C和定位终端T的位置坐标分别为(xa，ya)、(xb，yb)、(xc，yc)和(xt，yt)，则T到A、B、C的距离分别为Da、Db和Dc，距离关系满足方程(5)，并且通过求解方程即可得到T估计的位置坐标。

(5)

图2 机场环境模型

(6)

3 定位系统应用研究

3.1 旅客服务应用

机场蓝牙室内定位系统最重要的应用是导航服务，旅客只需打开手机蓝牙，进入机场室内地图即可获得导航服务。导航服务可以实现地图缩放、移动等基本展示功能，旅客还可以根据目标位置的信息搜索完成登机口、洗手间等位置引导功能，可以改善旅客的服务体验，提高机场的服务水平。

此外，蓝牙定位系统还可以实现乘机流程时间提示功能，通过手机蓝牙实时定位监视，系统将计算的旅客位置到达安检口、登机口时间与规划的旅客航班最优的安检、登机时间结合，提示旅客及时完成安检、登机，避免误机。机场还可以实现儿童安全监控服务，儿童佩戴蓝牙标签，家长设置儿童安全活动区域，当该区域的蓝牙基站未检测到蓝牙信号，蓝牙定位系统将自动确定儿童位置并向家长发送警示信息，保障儿童安全。

3.2 机场管理应用

蓝牙室内定位系统应用在机场内部工作人员可以缓解工作人员的压力，提高管理效率。电子围栏是蓝牙室内定位最基础的应用，可以应用于机场设备设施的监控，比如在一些贵重的可移动设备上贴上蓝牙标签，管理人员在后台管理系统中可以实时查看位置，并且可以设置安全范围，当设备超出安全范围会自动警示，管理人员可以通过移动线路追查原因。

蓝牙室内定位还可以用于紧急情况防备。应急设施设备如消防栓等要贴上蓝牙标签，平时可以通过定位系统确定其位置分布。当险情发生，可以及时利用设备位置信息和旅客位置信息及时抢险救灾、疏散人群，减少人员伤亡，降低机场损失。

4 结语

综上，蓝牙具有功耗低、成本低、易部署等优点适合移动终端较多的机场环境。机场蓝牙定位系统由蓝牙基站信标、定位终端、数据库、服务器和显示端5部分组成，采用高斯滤波算法去除噪声、三角质心定位算法测距定位。蓝牙机场定位系统可以为旅客提供室内导航、登机提醒等服务，还可应用于机场设备管理与安全预警，能有效提高机场服务质量和管理效率。