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如何开发BLE蓝牙室内定位APP软件?

2022-03-26 981

室外定位系统 (OPS) 和室内定位系统 (IPS) 之间的区别  

当您阅读导航一词时,您脑海中浮现的第一个想法是 GPS 地图。那是因为过度宣传和过度使用这项技术。但说到 IPS,人们认为它仍处于开发的早期阶段。实际上,IPS 背后的科学已经进行了多项改进。让我们了解 OPS 和 IPS 之间的区别。
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1、户外定位  

户外导航背后的技术全称是全球导航卫星系统。它完全取决于从卫星接收到的信号进行操作。后来,美国发展了类似的技术,即GPS。

这些定位系统技术适用于地球周围的一系列卫星发送到接收器单元的信号。就像美国一样,其他每个国家或国家联盟都开发了自己的商业使用的全球导航系统。

今天,这些与 GPS 配合使用的 OPS 被用于各种APP。谷歌地图是主要使用的户外导航APP之一,在全球拥有超过 1.5 亿用户。除了一般用途外,这些APP还用于标记著名的餐馆、图书馆、旅游景点等。
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2. 室内定位系统

与室外导航相比,室内定位系统用于定位处于封闭环境中的某些位置。该系统执行必要的基础设施来提供定位服务,以检测室内环境中的物体或人。由于 GPS 信号在室内不可用,因此室内导航APP完全依赖于不同的技术。

传统上,在该系统中收集数据所涉及的技术是无线电信号、磁场读数、红外线或超声波。随着技术的进步,我们拥有一套改进的技术栈,例如 BLE 信标。收集数据后,将对其进行解释并APP于与提供不同精度的位置相关的算法。

磁场读数在 IPS 方面提供最佳精度,但价格昂贵且复杂;该实现使其难以使用。虽然,蓝牙集成产品和 Wi-Fi 接入点发出的无线电信号是这种情况下最常用的技术。如今,Wi-Fi 适配器和蓝牙广泛用于智能手机和平板电脑,允许它们在需要时接收此类信号并连接到发射单元。

IPS的使用次数不计其数;它可以帮助在大型购物中心,巨型机场,大型生产单位等导航。在跟踪方面,它可以用于避免任何人群聚集,导游,定时展示高级营销活动等。如今,各种IPS是基于各种技术开发的,例如基于Wi-Fi、基于附近、超宽带、基于频率等。
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室内定位系统的工作

当前,信标软件开发主要用于各种 IPS。为了检测设备的位置,它依赖于从各种来源收集的数据。这些来源主要包括从现代智能手机中存在的各种传感器获取的信息,例如陀螺仪、射频、加速度计等。

分析来自这些来源的数据可向用户提供所需的路线和方向。这种导航服务依赖于三个主要因素:引导从智能手机获取的传输标志、固有的动态对齐方法和室内定位系统。该过程分析来自各种来源的数据,以提供特定目的地或人员的位置。

输入数据包括来自发射器的指示,主要来自 BLE 信标和 Wi-Fi。位置映射包括电梯、楼梯等数据,以及从智能手机传感器获取的数据。总体而言,室内导航APP需要建筑地图、智能手机中的正确地图、后端服务器以及 BLE 信标和指纹识别。

室内定位系统开发所涉及的技术

BLE APP  开发中用于室内导航的  技术 是无线技术,包括无线通信技术和 BLE 信标。 
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1、无线通信技术

无线技术被用于世界各地的众多领域。任何 IPS 都主要依靠来自各种无线技术的输入来通信和共享所需的数据。根据从这些源接收到的无线电信号的质量,很容易计算到信号源的距离。

任何 IPS 的开发都涉及各种无线通信技术,例如移动网络、蓝牙、无线保真、UWB 等。在本详细指南中,我们将讨论 Wi-Fi 技术和蓝牙。

2、无线上网

Wireless Fidelity 是一项超现代技术,可帮助用户在称为接入点的设备或硬件的帮助下连接到网络。Wi-Fi 主要工作在 2.4 GHz 或 5 GHz 的 ISM 频段。在接受信号方面,无线保真度取决于天线类型、信号干扰等多种因素。

Wi-Fi 信号主要用于室内环境。在充足的室内空间中可以有各种无线接入点,提供 IPS 可以使用的大量参考点。事实上,无线保真度并没有被开发用于每次进行扫描时,查询被传输到接入点以询问可能会或可能不会影响整体网络性能的所需信息。

此外,在大多数情况下,这些访问点归第三方所有,可能不允许将其用于这些进程,因为这违反了他们的安全策略。但是,如果第三方拥有的接入点拒绝了该请求,您始终可以选择其他更适合室内导航系统的技术,例如蓝牙。
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3、蓝牙

蓝牙是另一种在世界范围内广泛使用的无线通信技术。其功能类似于 2.4 GHz ISM 频率板上的无线保真操作。它连接存在于小距离内的数字设备。蓝牙技术确实在开放频段上工作,并已被 IEEE 标准化为 IEEE 802.15.1,并受“蓝牙特别兴趣小组 (SIG)”的监管。但是,它不再保持这些标准。

各种蓝牙APP开发人员已将其广泛用于各种信标软件开发。它还被广泛用于家庭和办公室,用于多种用途,例如在无线扬声器中接收来自附近设备的音频或音乐。

蓝牙无线技术使用79个通道传输各种数据;工作频率范围为 2402 MHz 至 2480 Mhz。“跳频”是用于消除其他射频信号干扰的技术名称。该技术通过在短时间内将数据传输到其中一个可用通道来工作。如果检测到任何干扰,则将数据重新发送到另一个通道。

最初,为了在室内定位系统中通过蓝牙传输数据,设备已经建立了连接。目前的技术允许单个设备最多连接 7 个设备并同时与它们通信。该方法称为“主从”,其中连接发起设备充当主设备,其他七个设备充当从设备。该技术已成为 各种 BLE APP 开发公司的问题解决方案。 它被设计为一种低能耗技术;它可以在短距离的电池供电设备上运行。使用蓝牙传感器在没有任何通信的情况下将数据传输到接收设备已经非常普遍。 

4. 低功耗蓝牙 (BLE)

低功耗蓝牙或 BLE 被称为经典蓝牙 4 .0 协议的子系统,该协议已开发用于以低功耗提供设备连接。最近,通信信道的数量已从 79 个宽信道减少到 40.2 MHz。在这些渠道中,三个仅用于广告目的。

与传统的蓝牙一样,BLE 设备也可以利用可根据所需范围调节的各种输出功率设置来工作。1-15米之间的短距离需要低输出功率,为此范围选择的频率在-30 dBm和-12 dBm之间。在距离大于 20 米的情况下,可能需要更高的功率,但这不会快速减少电池电量。

在无障碍位置的 50 米距离范围内,BLE 设备使用 0dBm 的值。使用高达 10dBm 的高值可以改善信号范围。但是,这是一个理论值。BLE技术被开发用于在没有连接的情况下传输数据。基于该技术的设备通常用于单向连接,其中接收器被动地从 BLE 设备收集数据,并且它们无法与广播公司建立连接。该模型确保在任何情况下都无法操纵数据。

随着这些 BLE 单元的制造增长,定制配置成为优先事项,现在我们可以在市场上看到可连接的 BLE 设备。在安全性方面,这些设备现在可以通过密码进行保护,以防发生任何修改。

这些设备的次要形式称为 BLE 信标,众所周知,它们最适合用于制造 IPS。这些是任何信标APP开发人员的选择,因为这些微型设备仅限于传输可用于该位置的数据。

5、蓝牙低功耗信标  

BLE 信标是用于以频繁的时间间隔传输小数据包的设备,由纽扣电池供电。但是,它们也可以使用 USB 和 AA 电池供电,具体取决于可用性。这些 BLE 信标可以连续运行数月,在某些情况下,可持续运行数年,具体取决于所使用的电源类型。它们较小的尺寸使它们易于使用和安装。

BLE 信标通过在大部分操作时间保持睡眠来成功维持其能源消耗。他们只在预定义的时间间隔唤醒广播信号。它们的运行时间取决于它们所使用的系统类型,因为它可以从 100 毫秒到几秒不等。但是, 任何信标APP 开发公司都可以根据 要求调整此时间。

使用这种超现代技术的好处越来越多,这使得信标软件开发非常受欢迎。根据蓝牙核心规范,广播的数据可以被格式化,包含在数据包中。然而,这些数据包是用它们的所有元素格式化的。

任何 BLE 数据包的广播数据都被限制为仅 31 个字节,由内容字符串和短文本、数值和内容字符串组成。为了优化数据字段,信标协议被强制执行。这些协议提供了多种工具来将附加数据连接到使用信标的云服务。

6、信标协议

BLE Beacon 协议用于通过将数据字段划分为几个小部分来构建数据字段,这些部分由输出功率、信号强度等组成。数据始终以十六进制值的形式表示,可以使用代码轻松解释和协议创建者提供的工具。信标软件 开发行业正在兴起,因为这些设备大量用于 各种 BLE APP 开发流程 ,例如 室内 导航系统。两个广泛使用的信标协议是 iBeacon 和Eddystone。 

7、iBeacon 

Apple Inc. 在 2013 年创建了 iBeacon 协议,它是当时唯一可用的信标技术。这个信标的主要功能是将 iOS 设备转变为广告商,可以将各种数据集广播到其他监听 iOS 设备。该系统用于计算接收设备和发射设备之间的距离。iBeacon 的帧由一个 TX Power 字段组成,该字段是在距离 1 米处校准的信标广播功率的测量值。

通用唯一标识符,通常称为 UUID 的字段,用于识别在特定时间连接到信标的任何特定APP。因此,您会发现与APP相关的每个信标都拥有相同的 ID。Minor 和 Major 值主要用于检测较小子组中的信标。

在申请过程中,任何样本百货商店的 UUID 的值都是相同的。相同值的目的是让移动设备使用单个标识符来查找该区域中存在的任何商店。此外,该综合体中的每个商店都分配有一个唯一的中心值,该值有助于设备识别它所在的商店。现在,特定商店中的每个部门都被分配了不同的次要值。

现在,您的移动设备可以快速确定用户何时进入或离开任何商店,并可以使用 iBeacon 的此信息找到特定商店和部门。但是,您必须向 Apple 付费才能使用该技术以及相关的 API 才能使用该技术。这些限制还阻止您跨各种平台实施。您可以通过寻找BLE APP开发公司 并开始您自己的 i B eacon 软件 开发来解决这个问题。

8、埃迪斯通 

Eddystone 是由谷歌开发的信标协议,它允许蓝牙低功耗设备将数据短距离传输到接收器。与任何其他现有信标协议相比,使用此协议的主要好处是它允许设置并发送四种不同的广告数据包,这些数据包也称为帧类型,具体取决于信标的用途。该协议的帧类型是所有可用 Eddystone 帧中出现的第一个字段。

就像 iBeacon 一样,有 TX Power 场,但功能针对 Eddystone。其值是从 0 米的距离校准的。标识为 Instance ID 和 Namespace ID 的其他两个字段类似于 iBeacon 的 Minor 和 Major 值中存在的数据。对于 Eddystone,命名空间 ID 对于系统中部署的每个信标都是唯一的,而实例 ID 对于特定信标设备也是唯一的。

在 Eddystone 中,还有另一种帧类型,目前称为 URL。此帧类型中包含的数据是一个长度可以为 17 个字节的 URL。这个特定的信标帧将 URL 广播到风中。通过实现这一点,谷歌浏览器的每个用户都可以通过点击通知栏来查看他们周围的信标,并在不需要任何特定APP的情况下进行交互(各种 Android 设备可能需要物理 Web APP),但它仅适用于 iOS。例如,一家小型面包店可以在不开发APP的情况下使用信标将其网站发送到风中,而不是同时强迫用户下载。

该帧用于广播链接到信标设备的遥测数据。这是用于监控电池、信标温度、广告计数和因电源而发生的延迟秒数等方面的部署的主要方法。

室内定位方法

射频信号由无线设备传输,并以多种方式用于执行室内定位系统。该过程分三个步骤进行,包括测量正在传输的信号的特性。下一步涉及使用第一步中收集的测量值来估计物体的距离。最后一步是范围估计。这些过程对于室内导航系统的开发至关重要。
 

1、测量方法 

需要实施一种理想的测量方法,以利用无线电信号的特性进行室内定位。为了计算信号的到达角和检测接收信号源的距离,使用了这些测量方法。收集到的信息依赖于在风中自由传播的信号,任何人都可以借助一些无线通信技术来拦截。

2、到达角 

到达角,也称为 AOA,是一种测量方法,用于识别射频信号撞击接收天线时的角度。通过确定特定波落在每个天线上的时间差来计算方向。它也被称为到达时间差。它经常用于估计信号的到达方向;它可以来自任何移动设备。这种测量方法通常与三角测量结合使用,有助于找到两个锚发射器的相对位置。

3、到达时间

到达时间称为飞行时间。它用于测量射频信号在发射机发送后被接收机接收到的时间量。当信号被传输时,速度会被记录下来,然后用于计算信号行进的距离。因此,与至少三个接收器的距离呈现为三个不同的圆圈,从而揭示了发射设备的位置。

4、接收信号强度指数

RSSI 是接收信号强度指示的缩写。这是对接收到的射频信号中剩余功率的测量。该信号在开发室内定位系统中起着至关重要的作用。接收信号中的剩余功率通常称为信号强度。如果信号要经过的距离很短,那么信号接收到后剩余的电量就会更多。因此,它将被称为强信号。

然而,没有标准化的系统来测量信号的强度。但是任何信号强度的测量单位都是dBm。RSSI 与信号传播距离之间的关系取决于几个因素。为了简化该过程,您始终可以使用已适应环境的传播模型。信标软件开发过程使用这些环境来提高信号质量。

估计技术

室内定位系统通常使用估计技术来识别移动设备的位置。传播方法通过近似各个接入点之间的距离来计算设备的位置。第二种方法称为指纹识别。它用于借助多种信号特征确定准确的位置。然而,这些估计技术是基于使用由测量方法提供的数据来识别准确位置的。

1、三角测量

三角测量方法基于 RSSI 提供的读数和测量值。这种方法与指纹方法略有不同。为了实施这种方法,需要将三个或更多参考设备放置在一个地层中以覆盖特定区域。

放置设备后,接收器会估计与参考设备的距离,并确定截距,通常是用户或移动设备的位置。
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2、接近

接近是 BLE Beacon 室内定位系统中使用的另一种技术。它可以识别移动设备的位置,并且与接入点单元的位置完全相同。坐标系在定位移动设备方面会产生不准确的感觉;但是,此方法将设备的位置计算为本地区域。

要通过这种方法确定设备的位置,所使用的技术应该能够识别该设备在允许范围边界内的位置。尽管,许多无线电技术产品都具有此特性。其中一些是 Wi-Fi、蓝牙、BLE。
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北京APP开发公司-天品互联,可以为会展等提供室内定位导航APP软件开发,可以帮助企业更好的开始室内定位工作。

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