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Outdoor-Ortungstechnologien wie GPS, Beidou und GNSS liegen voll im Trend und sind weit verbreitet. Apps wie Google Maps zeigen eine starke Integration. Dennoch verbringen wir fast 90 % unserer Zeit in Innenräumen, wo GPS-Signale nicht optimal funktionieren. Deshalb ist die RSSI-Ortung für Innenräume beliebt. Bei der Bluetooth-Kommunikation zeigen RSSI-Werte die Signalstärke und Verbindungsqualität an. Hier erfahren Sie mehr über Bluetooth RSSI, einschließlich der Reichweite und der Auswirkungen auf die Bluetooth-Kommunikation.
Bluetooth RSSI verstehen
RSSI (Received Signal Strength Indication) bezeichnet die Messung der von einem drahtlosen Gerät empfangenen Signalstärke. Bei der Bluetooth-Kommunikation sind die Bluetooth-RSSI-Werte leicht zu verstehen. Sie geben die Stärke des vom Bluetooth-Gerät empfangenen Signals an und beeinflussen direkt die Kommunikationsqualität und -reichweite. Die Bluetooth-RSSI-Werte werden üblicherweise als negative dBm-Werte angezeigt. Höhere Werte (näher an 0) weisen auf eine bessere Signalstärke hin. Theoretisch reicht der RSSI-Bereich von 0 bis -100 dBm.
Die allgemein verwendete Formel lautet
RSSI-Wert = Empfangene Signalleistung – Grundrauschen + Kalibrierungsfaktor.
Die Vorteile von Bluetooth RSSI können gar nicht hoch genug eingeschätzt werden, wie die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in Innenräumen zeigen. Mit weiteren Bluetooth-Versionen, insbesondere der Entwicklung der Bluetooth Low Energy-Technologie, wird die Bluetooth RSSI-Ortung noch leichter verfügbar sein.
Arten von Bluetooth RSSI-Positionierungsmethoden
Bluetooth RSSI-Lokalisierungsmethoden können hauptsächlich in netzwerkseitige Lokalisierung und terminalseitige Lokalisierung unterteilt werden.
Netzwerkseitige Positionierung
Die netzwerkseitige Ortung umfasst hauptsächlich Mobiltelefone, Bluetooth-Beacons, Bluetooth-Gateways und Server. Wir müssen Bluetooth-Beacons und Gateways im Zielbereich einsetzen. Betritt das Endgerät den Bereich, empfängt es RSSI-Daten vom Beacon. Anschließend sendet das Gateway die gesammelten Daten an den Cloud-Server, der anschließend mithilfe des Ortungsalgorithmus den Standort des Geräts berechnet. Je geringer der Abstand zwischen Sender und Empfänger, desto besser ist die Signalstärke.
Diese Methode hat den Vorteil, dass der Cloud-Server die Berechnung zentralisiert und das mobile Gerät nur die Daten scannen und melden muss. Der Nachteil besteht natürlich darin, dass Sie die entsprechende Infrastruktur für die Positionierung vorab bereitstellen müssen.
Positionierung auf der Anschlussseite
Die Architektur der terminalseitigen Lokalisierung ist deutlich einfacher und umfasst hauptsächlich das Gerät selbst und Bluetooth-Beacons im Zielgebiet. Ein Endgerät wie ein Smartphone empfängt RSSI-Daten von verschiedenen Beacons und nutzt dann seinen integrierten Positionierungsalgorithmus, um seinen Standort zu schätzen.
Zweifellos erfordern beide Methoden den Einsatz einer bestimmten Anzahl von Bluetooth-Beacons im Zielbereich. In Bezug auf die Anwendung wird die netzwerkseitige Positionierung hauptsächlich zur Verfolgung und Lokalisierung der Position von Personen und Vermögenswerten verwendet, während die terminalseitige Positionierung eher für die Navigation in Innenräumen geeignet ist.
Bluetooth RSSI-Positionierungsalgorithmen
Der Schlüssel zur Bluetooth-RSSI-Lokalisierung liegt natürlich in der präzisen Umwandlung von RSSI-Daten in Positionskoordinaten. Hier werden Bluetooth-RSSI-Positionierungsalgorithmen anhand der Entfernungsmessung in zwei Hauptkategorien eingeteilt: Algorithmen, die eine Entfernungsmessung erfordern, und Algorithmen, die keine Entfernungsmessung erfordern.
Entfernungsmessung erforderlich
Betrachten wir zunächst Lokalisierungsalgorithmen, die Entfernungsmessungen erfordern. Diese Art von Algorithmus muss zunächst die Entfernung zwischen dem Zielgerät und einem Referenzknoten (z. B. einem Beacon) anhand von RSSI-Werten schätzen. Anschließend werden anhand der ermittelten Entfernungsinformationen die endgültigen Standortkoordinaten des Zielgeräts berechnet.
(1) Trilateration
Trilateration ist ein relativ einfacher Lokalisierungsalgorithmus, der auf den geometrischen Prinzipien von Dreiecken basiert. Nehmen wir an, es gibt drei nicht kollineare Bluetooth-Beacons AP1, AP2 und AP3, deren Entfernungen zum Zielpunkt M jeweils d1, d2 und d3 betragen. Wir können drei Kreise mit den Positionen dieser drei Beacons als Mittelpunkt und d1, d2 und d3 als Radius zeichnen. Der Schnittpunkt dieser drei Kreise entspricht gleichzeitig den Koordinaten des Zielpunkts M.
(2) Die Methode der kleinsten Quadrate
In der Praxis werden im Zielgebiet meist mehr als drei Bluetooth-Beacons eingesetzt. An dieser Stelle müssen wir die Methode der kleinsten Quadrate verwenden, um den Standort des Zielknotens zu schätzen. Angenommen, wir messen die Entfernung jedes Beacons zum Zielknoten M, können wir eine Gleichung basierend auf jedem Paar aus bekannter Entfernung und Beacon-Standort erstellen. Durch Kombination aller Gleichungen erhalten wir ein System überbestimmter Gleichungen. Die Lösung dieses Gleichungssystems mit der Methode der kleinsten Quadrate liefert uns schließlich eine Schätzung der optimalen Standortkoordinaten des unbekannten Knotens M.
Distanzmessung nicht erforderlich
Diese Algorithmen nutzen RSSI-Fingerabdruckdaten direkt zur Lokalisierung. Wir müssen die Entfernung nicht zuerst berechnen, sodass wir Fehler bei der Entfernungsschätzung effektiv vermeiden können.
(1) Schwerpunktbestimmung
Der Schwerpunkt ist ein imaginärer Punkt, an dem die Masse eines Systems konzentriert ist. Die Centroid-Positionierungsmethode schätzt die Position des Schwerpunkts seiner geometrischen Form anhand der Positionen der umgebenden empfangenen Beacons. Der Algorithmus dieser Methode ist leicht verständlich, der Rechenaufwand gering und die Positionierungsgenauigkeit hängt von der Dichte der eingesetzten Beacons ab.
(2) RSSI-Fingerprinting
RSSI-Fingerprinting ist eine nichtparametrische Lokalisierungstechnik, die auf Szenenanalyse basiert. Die Ortung erfolgt durch Abgleich von Echtzeitsignalen mit einer RSSI-Fingerabdruckdatenbank. Die Fingerabdruckortung erfolgt in zwei Phasen: 1) In einer Offline-Phase wird die Fingerabdruckbibliothek aus RSSI-Innenraumdaten erstellt. 2) In einer Online-Positionierungsphase wird der Fingerabdruck ermittelt, der dem empfangenen Signal am besten entspricht, und dessen Standort als geschätzte Zielposition verwendet. Vorteile sind die hohe Genauigkeit mit wenigen Referenzpunkten, Nachteile sind jedoch der aufwändige Aufbau der Fingerabdruckdatenbank und die schwierige Anpassung an Umgebungsänderungen.
RSSI-Messung und Bluetooth-Kommunikation
Im vorherigen Abschnitt haben wir verschiedene Methoden und Algorithmen zur Messung von Bluetooth-RSSI-Werten besprochen. In der Praxis ist es schwierig, die optimale Umgebung zu schaffen, sodass die Bluetooth-Signalstärke mit zunehmender Kommunikationsdistanz abnimmt. Der RSSI-Wert liegt zwischen 0 und 100, wobei 0 der Idealfall ist, der in der Praxis nicht gegeben ist. Liegt der RSSI-Wert nahe -50, ist das Signal der Bluetooth-Verbindungen gut.
– Über -50dBm: Extrem starkes Signal für die Nahfeldkommunikation
– -50dBm bis -80dBm: Ideale Signalstärke für den normalen Einsatz im Nahbereich
– Unter -80 dBm: Sehr schwaches Signal mit der Gefahr von Paketverlusten und zeitweiser Verbindungsunterbrechung
In Bluetooth Low EnergyRSSI ist einer der Parameter, die gemeldet werden müssen. Der RSSI periodischer Werbekanäle ist für die Lokalisierung wichtig, da mobile Geräte diese ohne Verbindung scannen. Bei BLE-Geräten sind die RSSI-Werte aufgrund ihrer geringeren Leistung bei gleicher Entfernung niedriger als bei klassischem Bluetooth. Um eine stromsparende Kommunikation zu gewährleisten, wird der allgemeine BLE-RSSI-Wert bei -50 bis -80 dBm gehalten.
So erreichen cBluetooth RSSI einschalten sMartphones
Aufgrund der Popularität der Bluetooth-Technologie nutzen wir im Alltag häufig Bluetooth-Smartphones zur Navigation in Innenräumen. Heutzutage bieten fast alle Smartphones die Möglichkeit, den Bluetooth-RSSI-Wert des verbundenen Geräts anzuzeigen. Hier nehmen wir das Android-System als Beispiel. Die Schritte sind wie folgt:
- Öffnen Sie „Einstellungen“ und gehen Sie zu „Verbundene Geräte“ oder „Verbindungseinstellungen“.
- Aktivieren Sie Bluetooth.
- Das Telefon sucht nach Bluetooth-Geräten in der Nähe und zeigt diese an.
- In der Geräteliste wird für jedes Gerät ein RSSI-Wert zwischen -100 und 0 angezeigt, der die Signalstärke zwischen dem Telefon und diesem Gerät darstellt.
Zur Überprüfung und Überwachung der umfassenden Bluetooth-RSSI-Werte stehen professionelle Tools wie BLE Scanner und BLE Tool zur Verfügung. Durch die Beobachtung der RSSI-Wertänderungen der Geräte erhalten wir ein intuitives Verständnis der ungefähren Entfernung und Signalstärke zwischen dem Telefon und den einzelnen Geräten. Bewegt man das Telefon, ändert sich auch der RSSI-Wert. Interessanterweise können die RSSI-Werte zwischen Geräten bei gleicher Entfernung unterschiedlich sein.
Anwendungen von Bluetooth RSSI in rechte Welt sSzenarien
Trotz einiger Herausforderungen bietet die Bluetooth-Ortungstechnologie auf Basis von RSSI weiterhin vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten. Wie bei jedem Fortschritt ist es vielversprechend, Bluetooth-RSSI-Ortung in immer mehr Bereichen einzusetzen. Typische Anwendungsszenarien sind unter anderem:
Indoor-Positionierungsnavigation
In großen Innenräumen wie Einkaufszentren, Ausstellungshallen, Museen usw. kann die Bluetooth-RSSI-Ortung Kunden Navigationsrouten und Standortinformationen bereitstellen. Darüber hinaus kann sie die Reihenfolge der Besucherführung in großen Ausstellungen steuern und so Gedränge vermeiden.
Vermögens- und Personalmanagement
In Fabriken, Parks und Krankenhäusern können wir installieren Bluetooth-Beacons und -Tags auf wichtige Vermögenswerte und Personal. In Kombination mit dem Bluetooth RSSI-Positionierungssystem können wir eine Echtzeitüberwachung und -verwaltung erreichen.
Intelligente Einzelhandels- und Geschäftsanalysen
Im Einzelhandel eröffnet die Bluetooth-RSSI-Ortung neue Möglichkeiten zur Steigerung des Geschäftswerts. Durch die Verfolgung der Bewegungsbahnen und Verweildauer der Kunden können Einzelhändler ihr Einkaufsverhalten analysieren. Dadurch können Händler beliebte Produkte und stark frequentierte Bereiche identifizieren, Werbepläne erstellen und den Einsatz ihrer Mitarbeiter planen.
Smart Home und Indoor-Positionierung
Durch den Einsatz einiger Bluetooth-Beacons in Wohnhäusern können Hausbesitzer die Position von Personen und Haustieren im Innenbereich verfolgen und so beispielsweise den aktuellen Standort älterer Menschen oder Kinder ermitteln, um Unfälle zu vermeiden. Darüber hinaus können Hausbesitzer Haushaltsgeräte wie Beleuchtung, Temperaturregelung usw. automatisch an den Standort des Benutzers anpassen und so ein echtes Smart-Home-Erlebnis schaffen.
Vergleich von Bluetooth RSSI und Bluetooth AoA
Neben der RSSI-basierten Positionierung gibt es eine weitere Art von Positionierungstechnik, die kürzlich in der Bluetooth-Positionierung aufgetaucht ist, bekannt als Bluetooth-AoADer Standort des Mobilgeräts wird durch Triangulation bestimmt, indem der Winkel gemessen wird, in dem das Funksignal die Antennenanordnung erreicht. Die mögliche Anstellwinkelpositionierung kann theoretisch einen Meter oder sogar mehr erreichen und übertrifft damit die Positionsgenauigkeit der herkömmlichen RSSI-Technologie deutlich.
Der Hauptvorteil der RSSI-Positionierung liegt daher darin, dass keine komplizierte Infrastruktur erforderlich ist und die Kosten relativ gering sind. Der Hauptnachteil ist jedoch die geringe Empfindlichkeit gegenüber den Bedingungen. Die für ihre hohe Genauigkeit bekannte AoA-Positionierung ist im Vergleich zur RSSI-Positionierung genauer. Natürlich hat sie auch Nachteile, wie z. B. eine teure Infrastruktur.
Darüber hinaus können wir beide Technologien kombinieren. Beispielsweise können wir nach der Schätzung des Zielbereichs mithilfe von RSSI die AoA-Methode zur präzisen Positionierung innerhalb dieses Bereichs nutzen. Bald können wir viele diskutierte Technologien wie RSSI, AoA usw. mit anderen Technologien wie UWB kombinieren, um die Vorteile beider Technologien zu nutzen und eine deutlich präzisere und zuverlässigere Positionierungslösung zu entwickeln.
Zukünftige Entwicklung der Bluetooth RSSI-Positionierung
Die 5.2 veröffentlichte Bluetooth-Version 2020 verbesserte die Ortungsfunktionen deutlich und unterstützt nun auch AoA/AoD-Ortung und RSSI-Kalibrierung. Diese Verbesserungen erhöhen die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Bluetooth-Ortung weiter. Es besteht kein Zweifel, dass zukünftige Bluetooth-Versionen die Ortungsfunktionen weiter verbessern werden.
Die Verwendung einer einzelnen drahtlosen Technologie zur Ortung hat ihre Grenzen. Daher liegt der zukünftige Trend in der Integration der Vorteile mehrerer Technologien. Beispielsweise kann Bluetooth RSSI mit WiFi-Fingerprinting-Ortung kombiniert oder in Verbindung mit präziseren Technologien wie UWB (Ultrabreitband) eingesetzt werden.
Wenn Sie über die Einführung von Bluetooth-RSSI-Positionierungslösungen nachdenken, sprechen Sie einfach mit unserem Bluetooth-Experten!
