室內(nèi)GPS使用困難？學(xué)習(xí)如何利用BLE和Wi-Fi三角定位構(gòu)建DIY實(shí)時(shí)室內(nèi)追蹤系統(tǒng)。準(zhǔn)確追蹤人、寵物或機(jī)器人，并在設(shè)備上實(shí)時(shí)查看位置。

室內(nèi)導(dǎo)航在許多應(yīng)用領(lǐng)域變得越來越重要——從可穿戴設(shè)備、室內(nèi)追蹤系統(tǒng)到寵物活動(dòng)監(jiān)測。它在家庭自動(dòng)化和機(jī)器人等領(lǐng)域也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。問題是GPS在室內(nèi)根本不好用。雷達(dá)和激光雷達(dá)等技術(shù)可以解決這個(gè)問題，但它們成本高昂且日常使用時(shí)往往不切實(shí)際。

這時(shí)，一個(gè)更簡單且經(jīng)濟(jì)的解決方案就派上用場了：BLE三角定位和Wi-Fi三角定位。這些方法允許通過使用BLE或Wi-Fi信號(hào)，將其信號(hào)強(qiáng)度（RSSI，接收信號(hào)強(qiáng)度指示器）轉(zhuǎn)換為距離信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)室內(nèi)定位。

在典型的設(shè)置中，我們?cè)诜块g或建筑的天花板或角落放置三個(gè)或更多錨點(diǎn)或信標(biāo)。通過持續(xù)分析這些信標(biāo)之間的信號(hào)強(qiáng)度，系統(tǒng)可以估算人員或物體在空間內(nèi)的準(zhǔn)確位置。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們可以使用小型、緊湊的BLE或Wi-Fi板。一個(gè)很好的例子是Indusboard，它內(nèi)置了Wi-Fi，還有加速度計(jì)和磁力計(jì)。這不僅有助于追蹤移動(dòng)，還提供實(shí)時(shí)方向信息。

信標(biāo)數(shù)量取決于你希望系統(tǒng)的準(zhǔn)確度以及你愿意花費(fèi)多少。在很多情況下，使用四個(gè)信標(biāo)效果更好。

將Indusboard單元放置在房間的四個(gè)天花板角落，而非墻上，可以提高準(zhǔn)確性并控制成本。只需對(duì)代碼做些微調(diào)，這種設(shè)置甚至可以幫助估算房間的深度和高度。

圖1。室內(nèi)定位的網(wǎng)頁界面

在繼續(xù)之前，讓我們先了解三角測量方法是什么，以及它如何用于房間或房屋內(nèi)部的實(shí)時(shí)監(jiān)控和追蹤，甚至跨多層樓。

什么是三角測量法，它是如何使用的？

三角測量方法通過利用來自多個(gè)固定點(diǎn)的Wi-Fi或藍(lán)牙信號(hào)的角度和信號(hào)強(qiáng)度，精確確定物體的位置。

對(duì)于室內(nèi)追蹤，我們?cè)O(shè)置了特殊的接收器——如Wi-Fi、藍(lán)牙或超寬頻錨點(diǎn)——能夠檢測來自設(shè)備信號(hào)的到達(dá)角度（AoA）。通過沿這些角度方向畫線，線條交匯點(diǎn)顯示設(shè)備的精確位置。

由于該方法依賴幾何結(jié)構(gòu)而非僅限信號(hào)強(qiáng)度，因此更準(zhǔn)確且穩(wěn)定，非常適合在建筑物、倉庫或工廠內(nèi)部導(dǎo)航和跟蹤。

如何計(jì)算Wi-Fi三角定位？

假設(shè)你在房間的已知位置有3個(gè)WiFi信標(biāo)（例如角落分別在（0,0）、（5,0）、（2.5,4）米）。你的手機(jī)（標(biāo)簽）會(huì)從每個(gè)（-60、-70、-65 dBm）接收RSSI。

1. 將RSSI轉(zhuǎn)換為距離：使用類似“距離=10^（參考RSSI-測量RSSI）/（10 * 路徑損耗因子）”這樣的公式。

• 參考RSSI（A）：1米波段信號(hào)（例如，-59 dBm，測試）。

• 路徑損耗（n）：室內(nèi)信號(hào)的衰落方式（例如2.5）。

• 示例：RSSI -60：距離 = 10^（（-59 – （-60）） / （10*2.5）） = 10^（1/25） ≈ 1.1米。

• 對(duì)所有3個(gè)都做：d1=1.1m，d2=2.5m，d3=1.8m。

2. 繪制圓圈（三邊形）：想象每個(gè)信標(biāo)周圍的圓圈，半徑為距離。

• 圓1：中心（0,0），半徑1.1米。

• 圓2：中心（5,0），半徑2.5米。

• 圓3：中心（2.5,4），半徑1.8米。

• 你的位置是它們交匯的地方（通常一點(diǎn)）。

3. 求交數(shù)學(xué)：對(duì)每個(gè)圓使用公式 （x – x1）^2 + （y – y1）^2 = d1^2。

• 相減對(duì)以求解x/y：例如，x = （d1^2 – d2^2 + x2^2 – x1^2） / （2*（x2 – x1）） + y 項(xiàng)。

• 對(duì)于多層（3D）：加Z，使用第四信標(biāo)或最小二方（平均最佳擬合）。

• 示例結(jié)果：（2.0， 2.0）m。像Python/Excel這樣的工具可以計(jì)算。

圖2。定位與計(jì)算的三邊測量方法

所需硬件：

室內(nèi)追蹤的逐步編碼

這里，我們需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)獨(dú)立的代碼：一個(gè)用于發(fā)送Wi-Fi信號(hào)并作為Wi-Fi熱點(diǎn)的錨點(diǎn)/信標(biāo)，另一個(gè)用于接收這些信號(hào)的標(biāo)簽。

錨點(diǎn)/信標(biāo)應(yīng)放置在房間的墻壁或天花板上——分別在兩側(cè)或不同樓層，具體取決于你是否想要多層定位系統(tǒng)。標(biāo)簽會(huì)貼在寵物的項(xiàng)圈、人的脖子上或機(jī)器人底盤上。這些標(biāo)簽將作為接收器，收集錨點(diǎn)所有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)，并利用前述三角測量方法計(jì)算位置。最后，位置信息可以實(shí)時(shí)顯示在網(wǎng)頁上。

錨/信標(biāo)代碼

錨代碼方面，我們使用 ESP-NOW 庫。該庫允許多個(gè)ESP設(shè)備直接通信，無需互聯(lián)網(wǎng)連接或外部Wi-Fi路由器。它甚至可以創(chuàng)建自己的連接網(wǎng)絡(luò)。

在代碼中，每個(gè)錨點(diǎn)應(yīng)擁有唯一的設(shè)備ID（1、2、3、4等），以便標(biāo)簽識(shí)別它正在通信的錨點(diǎn)，并確定每個(gè)ID的距離。接下來，為每個(gè)信標(biāo)設(shè)置廣播地址，并通過ESP-NOW發(fā)送數(shù)據(jù)。

代碼準(zhǔn)備好后，上傳到工業(yè)板上每個(gè)錨點(diǎn)。你需要至少3個(gè)錨點(diǎn)，但建議4個(gè)以提升精度。對(duì)于多層定位，你可以修改標(biāo)簽代碼以包含樓層層級(jí)數(shù)據(jù)，但本例中我們重點(diǎn)關(guān)注單一房間定位。

圖3。Code snippet for beacon/Ancor device

除了使用 ESP-NOW外，我們還需要配置 Wi-Fi 的接入點(diǎn)模式，使每個(gè)錨點(diǎn)都能作為熱點(diǎn)使用。這使我們能夠連接網(wǎng)絡(luò)并實(shí)時(shí)查看位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在同一網(wǎng)絡(luò)上的持續(xù)追蹤。

Indusboard Coin內(nèi)置磁力計(jì)和加速度計(jì)，幫助實(shí)時(shí)測量移動(dòng)速度和方向。磁力計(jì)用于獲取方向數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)度，使系統(tǒng)能夠確定精確的方向。這使得定位和定位系統(tǒng)更加準(zhǔn)確和安全，提供精準(zhǔn)的定位和實(shí)時(shí)追蹤，從而使我們的室內(nèi)定位系統(tǒng)更加先進(jìn)。

圖4。代碼片段標(biāo)簽

關(guān)于標(biāo)簽代碼，我們還創(chuàng)建了另一個(gè)版本，當(dāng)Indusboard信標(biāo)放置在房間天花板的角落時(shí)，不僅可以確定物體的二維位置，還能確定物體的深度和高度。

圖5。3D室內(nèi)定位

測試實(shí)時(shí)室內(nèi)追蹤

現(xiàn)在，使用3.3V電池或通過Indusboard Coin背面的JST連接器為錨點(diǎn)供電。將每個(gè)錨點(diǎn)放置在房間的角落，如圖6所示。

接著，給標(biāo)簽供電并根據(jù)需要安裝：比如作為人的項(xiàng)圈、寵物的項(xiàng)圈，或者固定在機(jī)器人上——基本上任何你想追蹤的東西都可以。將你的筆記本電腦或手機(jī)連接到標(biāo)簽設(shè)備的Wi-Fi熱點(diǎn)。

打開瀏覽器，輸入IP地址192.168.4.1。你現(xiàn)在可以實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)，包括移動(dòng)方向、房間內(nèi)位置以及每個(gè)信標(biāo)/錨點(diǎn)的距離。界面上的綠點(diǎn)會(huì)隨著標(biāo)簽移動(dòng)而移動(dòng)，讓你實(shí)時(shí)追蹤它。

圖6。實(shí)時(shí)室內(nèi)追蹤，支持BLE、Wi-Fi三角定位和Indusboard