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重塑定位精度

Published Date
Author Fanny Hu

基于蓝牙的室内定位技术

发布于2024-04-10

蓝牙室内定位是一项创新技术，正在彻底改变我们在室内空间导航与互动的方式。这项创新技术正在重塑基于位置的服务的格局。凭借其在室内环境中提供精确而可靠定位信息的能力，蓝牙室内定位技术用于诸多应用，从为消费者实现资产跟踪的增强室内导航到为企业提供的邻近体验，不一而足。

蓝牙室内定位技术的核心在于使用低功耗蓝牙技术，该技术允许设备在节省电力的同时有效地交换数据。通过利用放置在室内空间的低功耗蓝牙信标，该技术使智能手机、平板电脑和其他兼容设备能够高度精确地确定其精确位置。消费者可以在购物中心、机场和博物馆等复杂建筑中享用无缝导航，而企业可以通过实时资产跟踪和个性化位置服务优化其业务运营。

本文将向读者介绍使用u-blox XPLR-AOA-2探索套件演示蓝牙室内定位功能的必要步骤，包括编程、设置和放置。  

项目材料与资源

项目物料清单 (BOM)

项目代码/软件

其他资源

其他硬件

项目技术概述

这是一个中级项目，但如果您尝试使用u-blox探索套件用户指南中概述的无线选项，难度可能会有所增加。本项目的设计重点突出以下产品。

u-blox XPLR-AOA-2探索套件

u-blox XPLR-AOA-2探索套件专门设计用于评估和体验面向室内定位应用的蓝牙5.1测向技术。该套件包括四块C211天线板，每块天线板配备一个u-blox NINA-B411模块，以及四个C209定位器，每个定位器都配备一个u-blox NINA-B406模块（图1）。

图1：u-blox XPLR-AOA-2探索套件（图源：贸泽电子）

XPLR-AOA-2探索套件结合了天线板 (C211) 、定位器 (C209) 以及必要的软件，帮助评估到达角 (AoA) 技术，可实现高精度室内定位。包含连接到蓝牙接收器的天线阵列的天线点将采用AoA技术。借助该技术，该套件可确定移动定位器的方向或角度，通过随附的恒定音调扩展 (CTE) 传输信号。

该套件使用u-connectLocate软件执行计算，该软件在NINA-B411模块中的嵌入式MCU上运行。利用测向能力以及强大的蓝牙通信链路和低电流消耗特性，该套件可构建非常精确的室内定位系统。这些系统可通过三角测量从三个或更多天线点接收到的方向来计算定位器的位置。

C211天线板上的NINA-B411模块

u-blox NINA-B41系列蓝牙5.1低功耗模块基于Nordic nRF52833芯片，与NINA-B3模块引脚兼容。该系列包括NINA-B416（图2）、NINA-B411和NINA-B410模块。

图2：u-blox NINA-B416蓝牙5.1低功耗模块。（图源：贸泽电子）

NINA-B416模块内置集成天线，无需在主PCB上进行射频走线设计，从而简化了集成过程。NINA-B411模块放弃了集成天线，而是通过输出引脚连接到外部天线，NINA-B410则配有U.FL连接器，用于将外部天线连接到模块。

C209定位器上的NINA-B406模块

u-blox NINA-B40系列独立蓝牙低功耗模块（图3）是一款紧凑型器件，专为满足苛刻的专业环境而设计。这些模块拥有蓝牙5.1功能，还支持采用Thread和Zigbee协议的NFC和IEEE 802.15.4，因此能够满足各种应用的需求。

图3：u-blox NINA-B40系列独立蓝牙低功耗模块。（图源：贸泽电子）

NINA-B406版本配备了一个内部PCB天线，提供坚固的薄型解决方案，具有卓越的性能和扩展范围。而NINA-B400版本则配有U.FL连接器，允许与所选的外部天线无缝集成。此外，这些模块已通过全球认证，可与内部天线或各种外部天线搭配使用，有效地减少将低功耗蓝牙集成到设计中的集成时间、成本和工作量。

NINA-B40蓝牙低功耗模块支持UART、SPI、PDM和PWM、I²C、I²S、GPIO引脚和AD转换器接口，提供多种连接选项。这使其能够广泛用于室内定位、导向系统和资产跟踪等应用。

开发项目

XPLR-AOA-2探索套件几乎提供了设置本项目所概述之演示全部所需。另外还提供了无线配置；不过，本项目将严格使用USB转串行接口中继来自四块天线板的信息。由于增加了CR2032纽扣电池，该项目使用四根4.88米（16英尺）的USB(A)转micro-USB(B) 电缆，以提供足够的长度来形成一个合适的区域，从而有效地显示四个定位器的位置。此外，本演示还将使用一台运行Windows 10的PC。

软件安装

四个定位器和四根天线都只装载了一个引导加载程序，每个都需要先编程才能针对演示进行设置和配置。建议在安装纽扣电池之前对定位器进行编程。

C211天线编程

从天线板开始：

  1. 从项目代码/软件部分的链接下载u-connectLocate软件

  2. 找到并解压已下载的.zip文件，记住文件的位置。

  3. 使用四根USB电缆中的一根，将要编程的天线 (J8) 板插入PC。

  4. 使用Windows搜索栏，输入“Device Manager” ，并按下回车键。

  5. 找到并打开“Ports (COM & LPT)” ，确认天线板所用的COM端口。（记下端口编号，因为每个天线板都分配一个唯一的COM端口；见图4。）

图4：Device Manager窗口显示Ports (COM & LPT) （图源：贸泽电子）

6.在Windows搜索栏中，输入CMD，按下回车键打开“Command Prompt” 。

7.在Command Prompt窗口（图5），输入以下命令行：&nbsp;newtmgr –conntype=serial –connstring=”COMXX,baud=115200” image upload &lt;binary file&gt; <binary file>

  • 用Device Manger中列出的用于特定待编程天线板的端口替代COM旁边的XX。

  • 将 &lt;binary file&gt; 替换为 <binary file> 已解压u-connectLocate.zip文件中的.bin文件。

图5：包含C211编程命令行的CMD窗口。（图源：贸泽电子）

8.编程完成后，按下板上的Reset按钮。如果编程正确，DS1上的LED应该呈绿色点亮（图6）。

9.重复步骤3至步骤8，安装每块天线板。

图6：编程后C211上发光的LED。（图源：贸泽电子）

C209定位器

C209定位器需要下载两个软件来编程。

  1. 使用项目代码/软件中的nrfutil烧录工具链接，从Nordic GitHub存储库下载并安装nrfutil烧录工具。

  2. 从项目代码/软件部分下载并解压C209定位器软件版本。

  3. 解压后的文件将包含用于安装的“app”.zip文件。

  4. 按住C209定位器板上的SW2，将USB编程线插入C209的J1上。（这将把引导加载程序设置为“download”模式。）

  5. 使用Device Manager，识别分配给C209定位器的COM端口。(如天线板，每个C209定位器将分配一个唯一的COM端口。)

  6. 在CMD窗口中，输入如下命令行：nrfutil dfu serial -pkg “app”.zip -p COMXX -b 115200 -fc 1

  • 将“app”替换为已解压C209定位器软件版本中包含的.zip文件的名称（例如，NINA-B4-DF-TAG-SW-2.0.1-001.zip）

  • 将COM后面的XX替换为相应的端口号。

7.编程完成后，从C209定位器上拔下USB电缆。

8.通电后，呈蓝色稳定闪烁的LED应该开始工作。

本地定位引擎

本地定位引擎让用户能够设置每个天线板的位置，以及在所定义的空间内可视化每个定位器。

  1. 使用项目代码/软件部分提供的链接，导航到Local Positioning Engine 2.0.x，并下载该文件。

  2. 找到下载的文件并解压其内容。

  3. 打开新文件夹，找到server.exe并执行该文件。

  4. 要访问该引擎，请打开Web浏览器窗口并导航到http://localhost:5000/。

从这里，你可以上传自己的平面图或使用已有的平面图，设置空间的整体尺寸以及每个天线板的地点和位置。（本文稍后将介绍这些步骤。）

硬件安装

虽然此套件的硬件设置很简单，但你可能会发现将每个天线板安装到位并非易事。另外，需要确保运行本地定位引擎的PC机上配有同时连接4块天线板所需的USB端口数量。

  1. 将纽扣电池插入每个C209定位器背面打开的电池座中。

  2. 使用拆卸时拆下的两个十字槽螺钉重新组装外壳中的每个定位器。

  3. 将4根USB转micro-USB(B) 线插入运行本地定位引擎服务器的PC上的4个可用USB端口。

  4. 将USB线的另一端插入每个天线板。电路板连接后，应亮起绿色LED。

发挥一点聪明才智，测量并安装每个天线板，如图7所示。

图7：C211天线板放置图。（图源：u-blox）

组合在一起

所有程序编好，定位器重新组装好，天线板也安装好之后，就可以配置要监控的区域了。在Local Positioning Engine中，菜单提供多个选项；但这次演示将只使用Floorplan（平面图）、Antennas（天线）和Map View（地图视图）。

  1. 从u-blox Pos Server顶部的菜单中选择“Floorplan” （图8）。

  2. 设置天线板覆盖面积的测量。

  3. 选择“Upload new floorplan” 。

图8：u-blox Pos Server平面布置图。（图源：贸泽电子）

  • 注意：这里你可以选择上传自己的平面图（平面图应为png、jpg、jpeg、tiff、tif、bmp、gif或ppm格式），也可以使用与本地定位引擎服务器程序相同的文件中提供的预定义平面图之一（图9）。

图9：u-blox Pos Server总平面布置图 （图源：贸泽电子）

4.在顶部菜单中选择“Anchors” （图10，您可能会收到关于未配置板的弹出消息）。

5.通过菜单栏下方的下拉菜单选择需要配置的板。

6.使用提供的关于设置X、Y、Z轴位置的说明，根据需要设置变量以匹配天线将监测的区域。

7.接下来，将需要设置方位角，这将决定板在安装位置的角度。

8.设置后，选择“Configure antenna”完成。

9.重复步骤1至步骤8，安装其余三块天线板。

图10：u-blox Pos Server锚点配置。（图源：贸泽电子）

一旦完成空间内天线板布局的配置，即可查看空间、调整并开始监控定位器。

  1. 从顶部菜单中选择“Map View” 。

  2. 查看每个天线点，验证位置和方位角是否设置正确。

  3. 选择屏幕左下角的“Play”图标。

应出现代表每个定位器的点，显示定位器在空间中的位置（图11）。

图11：u-blox Pos Server显示所有四个定位器。（图源：贸泽电子）

更进一步

由于该项目使用USB转串行接口完成，因此在尝试配置大空间时可能会受到限制。链接的指南确实提供了一种需要额外硬件的无线配置，但通过增加可监测空间的大小开辟了诸多可能性。通过Local Position Engine中的TraxMate选项，你不仅可以增加整体面积，还可以使用地图上自己的物理位置来提供平面图（图12）。

图12：Traxmate位置配置。（图源：贸泽电子）

结语

蓝牙室内定位技术正在改变我们在室内空间导航与互动的方式。凭借其精确可靠的定位能力，这一创新正在重塑基于位置的服务的格局，为增强消费者体验和优化业务运营开辟了无数可能性。

究其核心，蓝牙室内定位利用低功耗蓝牙技术的效率和节能，通过有策略性地放置低功耗蓝牙信标，使智能手机和平板电脑等设备能够以惊人的精度确定其精确位置。这一进步让消费者能够在复杂的室内环境（如购物中心、机场和博物馆）中享受无缝导航，同时为企业提供诸如实时资产跟踪和个性化位置服务等宝贵工具。

为满足那些对探索蓝牙室内定位功能感兴趣的读者，这篇u-blox XPLR-AOA-2探索套件项目文章提供了全面的编程、设置与放置指南。这篇文章将有助于理解和利用这项创新技术的潜能。

作者简介

Joseph Downing于2011年加入贸泽电子，担任技术支持专员，后转为技术内容专员。此外，Joseph还曾就职于Intel、Radisys和Planar等电子行业公司，拥有20多年的工作经验。作为一名狂热的创客，Joseph帮助管理并向应用与技术专栏（Mouser.cn网站）以及贸易展会提供技术项目和材料。