基於 nRF51 的 Least Squares 室內定位方法實現

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基於 Least Squares 室內定位方法實現
http://kitsprout.logdown.com/posts/350160

自己做的一個簡單室內定位實現，這種 LS 的方法應該算是最入門的方法，簡單明瞭、容易理解與學習，但若不加濾波估測的話，實用性頗低，因為容易受到干擾。
實驗中使用 Nordic 的 nRF51 Series BLE 開發板獲取接收訊號強度，並透過 UART 傳到 MATLAB 上實現定位演算法，不過還沒有直接在微控制器上實驗，有空再補上後續。


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定位的研究其實從很久以前就有了，從飛機、汽車的導航到工廠物流、機器人...等，應用與實現方法數不勝數，但近年來，基於自動化、智慧化的趨勢，定位的需求也逐漸增加，在室外已經有全球衛星導航系統（Global Positioning System, GPS）提供定位的服務，民用的 GPS 誤差基本上都可以做到 1~5 公尺，搭配慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS）至可以到公分等級，但在室內由於建築物的金屬水泥結構關係，電磁波不易穿透，導致在室內的訊號強度遠低於室外的訊號，甚是是完全沒有訊號，所以在室內定位的需求變得無法使用現有的 GPS 來取代，而是使用室內定位系統（Indoor Positioning System, IPS）來替代。

由於定位方法非常之多，所以這裡僅介紹基於電磁波的室內定位方法，依電磁波的定位方法做分類的話．大致可以分成以下四種：

- 到達時間定位（Time of Arrival, TOA）  
- 到達時間差定位法（Time-Difference of Arrival, TDOA）  
- 接收信號角度定位（Angle of arrival, AOA）  
- 接收訊號強度定位（Received Signal Strength, RSS）  

詳細說明可以參考 元智大學老人福祉科技研究中心－室內定位技術簡介

前兩種基於時間與時間差的方法都需要有較高的硬體規格才可以實現，而第三種需要仰賴陣列天線等，可以測得訊號傳輸方向的裝置，在成本上也較高，只有最後一種，基於訊號強度的定位方法，幾乎不用成本，因為大部分的接收機都可以很容易實現訊號強度的檢測，但由於電磁波訊號強度容易受到環境影響，使得雜訊變多、都普勒效應、多重路徑效應...等等的情況，所以準確度會低於前三種方法。

基於電磁波訊號強度的定位方法可以在細分成下面兩種：

- 電磁波衰減模型 Model Based → 依據電磁波強度與距離成對數關係的模型來做距離的計算。
- 電磁波指紋 Fingerprint → 建立電磁波強度地圖（Radio Map），透過地圖來查詢位置。

第一種方法簡單，模型準確，距離的計算精度也會增加，但由於在室內，多重路徑效應往往難以僅透過模型來解決，第二種方法理論上精確度會高於前者，但第二種方法需要大量繪製地圖的前置工作，若事後若有干擾，地圖仍須更新，精度高但布置成本亦高。
　  
室內定位是我的碩士研究題目，目前主要是使用藍牙 4.0（Bluetooth Low Energy, BLE）裝置抓取接收的訊號強度來實現室內定位的功能，為什麼我會選擇 BLE 而不使用 Zigbee 是或 WI-FI 呢？其實在工業上因為 Zigbee 的組網能力具有很大的優勢，這點是 BLE 無法比較的，但 Bluetooth 在民間普及程度遠高於 Zigbee（從 Nokia 時代手機上就有 Bluetooth 了），功耗上也遠低於 WI-FI，加上 Nrdic nRF51 系列的出現，因採用 ARM CrtexM0，所以支援已經使用習慣的 Keil MDK 來開發，所以就果斷選擇藍牙陣營了，相信在 BLE 之後，藍牙仍會不斷的壯大阿。

目前是使用之前自己購買的 nRF51 開發板 做開發，不過因為運算效率上的問題，對於之後要實現的演算法應該會一個問題，所以之後打算使用明年上市的 nRF52 系列的芯片。

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因為之前用 LaTeX 寫方程式，這邊沒辦法正常顯示，所以就放到 pdf 裡，
或是也可以到 logdown 查看
http://kitsprout.logdown.com/posts/350160


## 實際接收 RSS 實驗
目前實驗室內放置 beacon 和使用 MATLAB 接收 RSS 來實現定位的效果大約可以達到 1 公尺以下，環境中有相同頻率的 WI-FI 以及電腦主機、金屬等干擾源，但仍在是在無人走動的情況下做測試出來的結果，環境還是較為理想，與有人走動的影響應該還是存在一定的差異，另外與濕度、溫度應該也有一定的關聯，畢竟在 2.4GHz 頻段下，電磁波特別容易被水分子吸收。

之後有空再補上細部的實驗數據與程式碼。

下面是使用 nRF51 Series 實現 beacon 廣播與掃描獲取 RSS 的程式，有興趣可以實驗看看
Github - NRF51_BLE_Beacon

Github - https://github.com/Hom-Wang/NRF51