如何開發(fā)BLE藍(lán)牙室內(nèi)定位APP軟件？

2022-03-26

室外定位系統(tǒng) (OPS) 和室內(nèi)定位系統(tǒng) (IPS) 之間的區(qū)別

當(dāng)您閱讀導(dǎo)航一詞時(shí)，您腦海中浮現(xiàn)的第一個(gè)想法是 GPS 地圖。那是因?yàn)檫^度宣傳和過度使用這項(xiàng)技術(shù)。但說到 IPS，人們認(rèn)為它仍處于開發(fā)的早期階段。實(shí)際上，IPS 背后的科學(xué)已經(jīng)進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)。讓我們了解 OPS 和 IPS 之間的區(qū)別。
BLE藍(lán)牙定位app開發(fā)

1、戶外定位

戶外導(dǎo)航背后的技術(shù)全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。它完全取決于從衛(wèi)星接收到的信號進(jìn)行操作。后來，美國發(fā)展了類似的技術(shù)，即GPS。

這些定位系統(tǒng)技術(shù)適用于地球周圍的一系列衛(wèi)星發(fā)送到接收器單元的信號。就像美國一樣，其他每個(gè)國家或國家聯(lián)盟都開發(fā)了自己的商業(yè)使用的全球?qū)Ш较到y(tǒng)。

今天，這些與 GPS 配合使用的 OPS 被用于各種APP。谷歌地圖是主要使用的戶外導(dǎo)航APP之一，在全球擁有超過 1.5 億用戶。除了一般用途外，這些APP還用于標(biāo)記著名的餐館、圖書館、旅游景點(diǎn)等。
BLE藍(lán)牙定位app開發(fā)

2. 室內(nèi)定位系統(tǒng)

與室外導(dǎo)航相比，室內(nèi)定位系統(tǒng)用于定位處于封閉環(huán)境中的某些位置。該系統(tǒng)執(zhí)行必要的基礎(chǔ)設(shè)施來提供定位服務(wù)，以檢測室內(nèi)環(huán)境中的物體或人。由于 GPS 信號在室內(nèi)不可用，因此室內(nèi)導(dǎo)航APP完全依賴于不同的技術(shù)。

傳統(tǒng)上，在該系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù)所涉及的技術(shù)是無線電信號、磁場讀數(shù)、紅外線或超聲波。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們擁有一套改進(jìn)的技術(shù)棧，例如 BLE 信標(biāo)。收集數(shù)據(jù)后，將對其進(jìn)行解釋并APP于與提供不同精度的位置相關(guān)的算法。

磁場讀數(shù)在 IPS 方面提供最佳精度，但價(jià)格昂貴且復(fù)雜；該實(shí)現(xiàn)使其難以使用。雖然，藍(lán)牙集成產(chǎn)品和 Wi-Fi 接入點(diǎn)發(fā)出的無線電信號是這種情況下最常用的技術(shù)。如今，Wi-Fi 適配器和藍(lán)牙廣泛用于智能手機(jī)和平板電腦，允許它們在需要時(shí)接收此類信號并連接到發(fā)射單元。

IPS的使用次數(shù)不計(jì)其數(shù)；它可以幫助在大型購物中心，巨型機(jī)場，大型生產(chǎn)單位等導(dǎo)航。在跟蹤方面，它可以用于避免任何人群聚集，導(dǎo)游，定時(shí)展示高級營銷活動等。如今，各種IPS是基于各種技術(shù)開發(fā)的，例如基于Wi-Fi、基于附近、超寬帶、基于頻率等。
BLE藍(lán)牙室內(nèi)定位app開發(fā)

室內(nèi)定位系統(tǒng)的工作

當(dāng)前，信標(biāo)軟件開發(fā)主要用于各種 IPS。為了檢測設(shè)備的位置，它依賴于從各種來源收集的數(shù)據(jù)。這些來源主要包括從現(xiàn)代智能手機(jī)中存在的各種傳感器獲取的信息，例如陀螺儀、射頻、加速度計(jì)等。

分析來自這些來源的數(shù)據(jù)可向用戶提供所需的路線和方向。這種導(dǎo)航服務(wù)依賴于三個(gè)主要因素：引導(dǎo)從智能手機(jī)獲取的傳輸標(biāo)志、固有的動態(tài)對齊方法和室內(nèi)定位系統(tǒng)。該過程分析來自各種來源的數(shù)據(jù)，以提供特定目的地或人員的位置。

輸入數(shù)據(jù)包括來自發(fā)射器的指示，主要來自 BLE 信標(biāo)和 Wi-Fi。位置映射包括電梯、樓梯等數(shù)據(jù)，以及從智能手機(jī)傳感器獲取的數(shù)據(jù)。總體而言，室內(nèi)導(dǎo)航APP需要建筑地圖、智能手機(jī)中的正確地圖、后端服務(wù)器以及 BLE 信標(biāo)和指紋識別。

室內(nèi)定位系統(tǒng)開發(fā)所涉及的技術(shù)

BLE APP 開發(fā)中用于室內(nèi)導(dǎo)航的技術(shù) 是無線技術(shù)，包括無線通信技術(shù)和 BLE 信標(biāo)。
BLE藍(lán)牙定位app開發(fā)技術(shù)

1、無線通信技術(shù)

無線技術(shù)被用于世界各地的眾多領(lǐng)域。任何 IPS 都主要依靠來自各種無線技術(shù)的輸入來通信和共享所需的數(shù)據(jù)。根據(jù)從這些源接收到的無線電信號的質(zhì)量，很容易計(jì)算到信號源的距離。

任何 IPS 的開發(fā)都涉及各種無線通信技術(shù)，例如移動網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、無線保真、UWB 等。在本詳細(xì)指南中，我們將討論 Wi-Fi 技術(shù)和藍(lán)牙。

2、無線上網(wǎng)

Wireless Fidelity 是一項(xiàng)超現(xiàn)代技術(shù)，可幫助用戶在稱為接入點(diǎn)的設(shè)備或硬件的幫助下連接到網(wǎng)絡(luò)。Wi-Fi 主要工作在 2.4 GHz 或 5 GHz 的 ISM 頻段。在接受信號方面，無線保真度取決于天線類型、信號干擾等多種因素。

Wi-Fi 信號主要用于室內(nèi)環(huán)境。在充足的室內(nèi)空間中可以有各種無線接入點(diǎn)，提供 IPS 可以使用的大量參考點(diǎn)。事實(shí)上，無線保真度并沒有被開發(fā)用于每次進(jìn)行掃描時(shí)，查詢被傳輸?shù)浇尤朦c(diǎn)以詢問可能會或可能不會影響整體網(wǎng)絡(luò)性能的所需信息。

此外，在大多數(shù)情況下，這些訪問點(diǎn)歸第三方所有，可能不允許將其用于這些進(jìn)程，因?yàn)檫@違反了他們的安全策略。但是，如果第三方擁有的接入點(diǎn)拒絕了該請求，您始終可以選擇其他更適合室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)，例如藍(lán)牙。
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3、藍(lán)牙

藍(lán)牙是另一種在世界范圍內(nèi)廣泛使用的無線通信技術(shù)。其功能類似于 2.4 GHz ISM 頻率板上的無線保真操作。它連接存在于小距離內(nèi)的數(shù)字設(shè)備。藍(lán)牙技術(shù)確實(shí)在開放頻段上工作，并已被 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)化為 IEEE 802.15.1，并受“藍(lán)牙特別興趣小組 (SIG)”的監(jiān)管。但是，它不再保持這些標(biāo)準(zhǔn)。

各種藍(lán)牙APP開發(fā)人員已將其廣泛用于各種信標(biāo)軟件開發(fā)。它還被廣泛用于家庭和辦公室，用于多種用途，例如在無線揚(yáng)聲器中接收來自附近設(shè)備的音頻或音樂。

藍(lán)牙無線技術(shù)使用79個(gè)通道傳輸各種數(shù)據(jù)；工作頻率范圍為 2402 MHz 至 2480 Mhz。“跳頻”是用于消除其他射頻信號干擾的技術(shù)名稱。該技術(shù)通過在短時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渲幸粋€(gè)可用通道來工作。如果檢測到任何干擾，則將數(shù)據(jù)重新發(fā)送到另一個(gè)通道。

最初，為了在室內(nèi)定位系統(tǒng)中通過藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)備已經(jīng)建立了連接。目前的技術(shù)允許單個(gè)設(shè)備最多連接 7 個(gè)設(shè)備并同時(shí)與它們通信。該方法稱為“主從”，其中連接發(fā)起設(shè)備充當(dāng)主設(shè)備，其他七個(gè)設(shè)備充當(dāng)從設(shè)備。該技術(shù)已成為各種 BLE APP 開發(fā)公司的問題解決方案。它被設(shè)計(jì)為一種低能耗技術(shù)；它可以在短距離的電池供電設(shè)備上運(yùn)行。使用藍(lán)牙傳感器在沒有任何通信的情況下將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備已經(jīng)非常普遍。

4. 低功耗藍(lán)牙 (BLE)

低功耗藍(lán)牙或 BLE 被稱為經(jīng)典藍(lán)牙 4 .0 協(xié)議的子系統(tǒng)，該協(xié)議已開發(fā)用于以低功耗提供設(shè)備連接。最近，通信信道的數(shù)量已從 79 個(gè)寬信道減少到 40.2 MHz。在這些渠道中，三個(gè)僅用于廣告目的。

與傳統(tǒng)的藍(lán)牙一樣，BLE 設(shè)備也可以利用可根據(jù)所需范圍調(diào)節(jié)的各種輸出功率設(shè)置來工作。1-15米之間的短距離需要低輸出功率，為此范圍選擇的頻率在-30 dBm和-12 dBm之間。在距離大于 20 米的情況下，可能需要更高的功率，但這不會快速減少電池電量。

在無障礙位置的 50 米距離范圍內(nèi)，BLE 設(shè)備使用 0dBm 的值。使用高達(dá) 10dBm 的高值可以改善信號范圍。但是，這是一個(gè)理論值。BLE技術(shù)被開發(fā)用于在沒有連接的情況下傳輸數(shù)據(jù)。基于該技術(shù)的設(shè)備通常用于單向連接，其中接收器被動地從 BLE 設(shè)備收集數(shù)據(jù)，并且它們無法與廣播公司建立連接。該模型確保在任何情況下都無法操縱數(shù)據(jù)。

隨著這些 BLE 單元的制造增長，定制配置成為優(yōu)先事項(xiàng)，現(xiàn)在我們可以在市場上看到可連接的 BLE 設(shè)備。在安全性方面，這些設(shè)備現(xiàn)在可以通過密碼進(jìn)行保護(hù)，以防發(fā)生任何修改。

這些設(shè)備的次要形式稱為 BLE 信標(biāo)，眾所周知，它們最適合用于制造 IPS。這些是任何信標(biāo)APP開發(fā)人員的選擇，因?yàn)檫@些微型設(shè)備僅限于傳輸可用于該位置的數(shù)據(jù)。

5、藍(lán)牙低功耗信標(biāo)

BLE 信標(biāo)是用于以頻繁的時(shí)間間隔傳輸小數(shù)據(jù)包的設(shè)備，由紐扣電池供電。但是，它們也可以使用 USB 和 AA 電池供電，具體取決于可用性。這些 BLE 信標(biāo)可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)月，在某些情況下，可持續(xù)運(yùn)行數(shù)年，具體取決于所使用的電源類型。它們較小的尺寸使它們易于使用和安裝。

BLE 信標(biāo)通過在大部分操作時(shí)間保持睡眠來成功維持其能源消耗。他們只在預(yù)定義的時(shí)間間隔喚醒廣播信號。它們的運(yùn)行時(shí)間取決于它們所使用的系統(tǒng)類型，因?yàn)樗梢詮?100 毫秒到幾秒不等。但是，任何信標(biāo)APP 開發(fā)公司都可以根據(jù) 要求調(diào)整此時(shí)間。

使用這種超現(xiàn)代技術(shù)的好處越來越多，這使得信標(biāo)軟件開發(fā)非常受歡迎。根據(jù)藍(lán)牙核心規(guī)范，廣播的數(shù)據(jù)可以被格式化，包含在數(shù)據(jù)包中。然而，這些數(shù)據(jù)包是用它們的所有元素格式化的。

任何 BLE 數(shù)據(jù)包的廣播數(shù)據(jù)都被限制為僅 31 個(gè)字節(jié)，由內(nèi)容字符串和短文本、數(shù)值和內(nèi)容字符串組成。為了優(yōu)化數(shù)據(jù)字段，信標(biāo)協(xié)議被強(qiáng)制執(zhí)行。這些協(xié)議提供了多種工具來將附加數(shù)據(jù)連接到使用信標(biāo)的云服務(wù)。

6、信標(biāo)協(xié)議

BLE Beacon 協(xié)議用于通過將數(shù)據(jù)字段劃分為幾個(gè)小部分來構(gòu)建數(shù)據(jù)字段，這些部分由輸出功率、信號強(qiáng)度等組成。數(shù)據(jù)始終以十六進(jìn)制值的形式表示，可以使用代碼輕松解釋和協(xié)議創(chuàng)建者提供的工具。信標(biāo)軟件開發(fā)行業(yè)正在興起，因?yàn)檫@些設(shè)備大量用于各種 BLE APP 開發(fā)流程，例如室內(nèi) 導(dǎo)航系統(tǒng)。兩個(gè)廣泛使用的信標(biāo)協(xié)議是 iBeacon 和Eddystone。

7、iBeacon

Apple Inc. 在 2013 年創(chuàng)建了 iBeacon 協(xié)議，它是當(dāng)時(shí)唯一可用的信標(biāo)技術(shù)。這個(gè)信標(biāo)的主要功能是將 iOS 設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)閺V告商，可以將各種數(shù)據(jù)集廣播到其他監(jiān)聽 iOS 設(shè)備。該系統(tǒng)用于計(jì)算接收設(shè)備和發(fā)射設(shè)備之間的距離。iBeacon 的幀由一個(gè) TX Power 字段組成，該字段是在距離 1 米處校準(zhǔn)的信標(biāo)廣播功率的測量值。

通用唯一標(biāo)識符，通常稱為 UUID 的字段，用于識別在特定時(shí)間連接到信標(biāo)的任何特定APP。因此，您會發(fā)現(xiàn)與APP相關(guān)的每個(gè)信標(biāo)都擁有相同的 ID。Minor 和 Major 值主要用于檢測較小子組中的信標(biāo)。

在申請過程中，任何樣本百貨商店的 UUID 的值都是相同的。相同值的目的是讓移動設(shè)備使用單個(gè)標(biāo)識符來查找該區(qū)域中存在的任何商店。此外，該綜合體中的每個(gè)商店都分配有一個(gè)唯一的中心值，該值有助于設(shè)備識別它所在的商店。現(xiàn)在，特定商店中的每個(gè)部門都被分配了不同的次要值。

現(xiàn)在，您的移動設(shè)備可以快速確定用戶何時(shí)進(jìn)入或離開任何商店，并可以使用 iBeacon 的此信息找到特定商店和部門。但是，您必須向 Apple 付費(fèi)才能使用該技術(shù)以及相關(guān)的 API 才能使用該技術(shù)。這些限制還阻止您跨各種平臺實(shí)施。您可以通過尋找BLE APP開發(fā)公司并開始您自己的 i B eacon 軟件開發(fā)來解決這個(gè)問題。

8、埃迪斯通

Eddystone 是由谷歌開發(fā)的信標(biāo)協(xié)議，它允許藍(lán)牙低功耗設(shè)備將數(shù)據(jù)短距離傳輸?shù)浇邮掌鳌Ｅc任何其他現(xiàn)有信標(biāo)協(xié)議相比，使用此協(xié)議的主要好處是它允許設(shè)置并發(fā)送四種不同的廣告數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包也稱為幀類型，具體取決于信標(biāo)的用途。該協(xié)議的幀類型是所有可用 Eddystone 幀中出現(xiàn)的第一個(gè)字段。

就像 iBeacon 一樣，有 TX Power 場，但功能針對 Eddystone。其值是從 0 米的距離校準(zhǔn)的。標(biāo)識為 Instance ID 和 Namespace ID 的其他兩個(gè)字段類似于 iBeacon 的 Minor 和 Major 值中存在的數(shù)據(jù)。對于 Eddystone，命名空間 ID 對于系統(tǒng)中部署的每個(gè)信標(biāo)都是唯一的，而實(shí)例 ID 對于特定信標(biāo)設(shè)備也是唯一的。

在 Eddystone 中，還有另一種幀類型，目前稱為 URL。此幀類型中包含的數(shù)據(jù)是一個(gè)長度可以為 17 個(gè)字節(jié)的 URL。這個(gè)特定的信標(biāo)幀將 URL 廣播到風(fēng)中。通過實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，谷歌瀏覽器的每個(gè)用戶都可以通過點(diǎn)擊通知欄來查看他們周圍的信標(biāo)，并在不需要任何特定APP的情況下進(jìn)行交互（各種 Android 設(shè)備可能需要物理 Web APP），但它僅適用于 iOS。例如，一家小型面包店可以在不開發(fā)APP的情況下使用信標(biāo)將其網(wǎng)站發(fā)送到風(fēng)中，而不是同時(shí)強(qiáng)迫用戶下載。

該幀用于廣播鏈接到信標(biāo)設(shè)備的遙測數(shù)據(jù)。這是用于監(jiān)控電池、信標(biāo)溫度、廣告計(jì)數(shù)和因電源而發(fā)生的延遲秒數(shù)等方面的部署的主要方法。

室內(nèi)定位方法

射頻信號由無線設(shè)備傳輸，并以多種方式用于執(zhí)行室內(nèi)定位系統(tǒng)。該過程分三個(gè)步驟進(jìn)行，包括測量正在傳輸?shù)男盘柕奶匦浴Ｏ乱徊缴婕笆褂玫谝徊街惺占臏y量值來估計(jì)物體的距離。最后一步是范圍估計(jì)。這些過程對于室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)至關(guān)重要。

1、測量方法

需要實(shí)施一種理想的測量方法，以利用無線電信號的特性進(jìn)行室內(nèi)定位。為了計(jì)算信號的到達(dá)角和檢測接收信號源的距離，使用了這些測量方法。收集到的信息依賴于在風(fēng)中自由傳播的信號，任何人都可以借助一些無線通信技術(shù)來攔截。

2、到達(dá)角

到達(dá)角，也稱為 AOA，是一種測量方法，用于識別射頻信號撞擊接收天線時(shí)的角度。通過確定特定波落在每個(gè)天線上的時(shí)間差來計(jì)算方向。它也被稱為到達(dá)時(shí)間差。它經(jīng)常用于估計(jì)信號的到達(dá)方向；它可以來自任何移動設(shè)備。這種測量方法通常與三角測量結(jié)合使用，有助于找到兩個(gè)錨發(fā)射器的相對位置。

3、到達(dá)時(shí)間

到達(dá)時(shí)間稱為飛行時(shí)間。它用于測量射頻信號在發(fā)射機(jī)發(fā)送后被接收機(jī)接收到的時(shí)間量。當(dāng)信號被傳輸時(shí)，速度會被記錄下來，然后用于計(jì)算信號行進(jìn)的距離。因此，與至少三個(gè)接收器的距離呈現(xiàn)為三個(gè)不同的圓圈，從而揭示了發(fā)射設(shè)備的位置。

4、接收信號強(qiáng)度指數(shù)

RSSI 是接收信號強(qiáng)度指示的縮寫。這是對接收到的射頻信號中剩余功率的測量。該信號在開發(fā)室內(nèi)定位系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。接收信號中的剩余功率通常稱為信號強(qiáng)度。如果信號要經(jīng)過的距離很短，那么信號接收到后剩余的電量就會更多。因此，它將被稱為強(qiáng)信號。

然而，沒有標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)來測量信號的強(qiáng)度。但是任何信號強(qiáng)度的測量單位都是dBm。RSSI 與信號傳播距離之間的關(guān)系取決于幾個(gè)因素。為了簡化該過程，您始終可以使用已適應(yīng)環(huán)境的傳播模型。信標(biāo)軟件開發(fā)過程使用這些環(huán)境來提高信號質(zhì)量。

估計(jì)技術(shù)

室內(nèi)定位系統(tǒng)通常使用估計(jì)技術(shù)來識別移動設(shè)備的位置。傳播方法通過近似各個(gè)接入點(diǎn)之間的距離來計(jì)算設(shè)備的位置。第二種方法稱為指紋識別。它用于借助多種信號特征確定準(zhǔn)確的位置。然而，這些估計(jì)技術(shù)是基于使用由測量方法提供的數(shù)據(jù)來識別準(zhǔn)確位置的。

1、三角測量

三角測量方法基于 RSSI 提供的讀數(shù)和測量值。這種方法與指紋方法略有不同。為了實(shí)施這種方法，需要將三個(gè)或更多參考設(shè)備放置在一個(gè)地層中以覆蓋特定區(qū)域。

放置設(shè)備后，接收器會估計(jì)與參考設(shè)備的距離，并確定截距，通常是用戶或移動設(shè)備的位置。
BLE藍(lán)牙定位app開發(fā)三角測量

2、接近

接近是 BLE Beacon 室內(nèi)定位系統(tǒng)中使用的另一種技術(shù)。它可以識別移動設(shè)備的位置，并且與接入點(diǎn)單元的位置完全相同。坐標(biāo)系在定位移動設(shè)備方面會產(chǎn)生不準(zhǔn)確的感覺；但是，此方法將設(shè)備的位置計(jì)算為本地區(qū)域。

要通過這種方法確定設(shè)備的位置，所使用的技術(shù)應(yīng)該能夠識別該設(shè)備在允許范圍邊界內(nèi)的位置。盡管，許多無線電技術(shù)產(chǎn)品都具有此特性。其中一些是 Wi-Fi、藍(lán)牙、BLE。
BLE藍(lán)牙定位app開發(fā)