面向室内定位系统的全面BLE 5.1兼容数据集：助力高精度人员安全监控

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：A Comprehensive BLE-Compliant Dataset for Indoor Positioning Systems

为解决室内定位系统（IPS）中蓝牙低功耗（BLE）5.1方向寻找（DF）功能数据集稀缺且不完整的问题，研究人员开展了“A Comprehensive BLE-Compliant Dataset for Indoor Positioning Systems”主题研究。他们构建了一个包含到达角（AoA）、接收信号强度指示（RSSI）和同相正交（IQ）样本的综合性数据集，数据采集于有障碍物的室内环境，涵盖校准、静态和移动场景，并首次将不同制造商（Silicon Labs和u-blox）的BLE锚点集成到统一系统中。研究结果表明，设备性能存在差异，将发射器置于个人防护装备（PPE）内会增加信号衰减和测量误差，而AoA在定位精度上优于高度可变的RSSI。该数据集为开发和评估室内定位及角度估计算法提供了宝贵资源，尤其适用于复杂安全关键型应用。

　　

在物联网（IoT）和基于位置的服务（LBS）飞速发展的今天，精准的定位技术已成为关键使能技术。虽然全球定位系统（GPS）在户外导航中表现出色，但一旦进入室内环境，其信号衰减严重，变得效率低下。因此，开发可靠的室内导航系统（IPS）变得至关重要。IPS在零售、医疗、制造、物流等诸多行业都具有巨大价值。特别是在建筑、采矿、重型制造等高危行业，对工人佩戴的个人防护装备（PPE）进行精确监控，对于降低工作场所风险、确保符合安全法规具有重要意义。

为了克服GPS在室内的局限性，研究人员尝试了多种技术，从光信号、声信号到基于射频（RF）的方法。其中，射频方法因其低功耗、相对高精度和成本效益而脱颖而出。蓝牙低功耗（BLE）便是一种突出的RF技术，尤其是其BLE 5.1版本中引入的方向寻找（DF）特性。该特性允许配备天线阵列的设备估计入射信号的到达角（AoA），从而帮助估计BLE发射器的方向。结合接收信号强度指示（RSSI）等测量值，可以开发出高精度的室内定位算法。

然而，开发这些算法需要接触天线阵列和BLE发射器等专业设备。在难以获取这些设备或进行耗时的实际测量程序的情况下，研究人员往往依赖模拟数据。但模拟无法完全捕捉真实世界的复杂性，如信号波动、多径传播和阴影效应。一个更实际的替代方案是使用公开可用的数据集。但遗憾的是，现有的基于BLE的IPS数据集存在诸多局限，例如缺乏IQ样本、不符合BLE规范等。这使得评估BLE定位技术变得富有挑战。

为了填补这一空白，由巴西巴拉那联邦科技大学（Federal University of Technology - Paraná）的研究人员Andrey Fabris、Ohara Kerusauskas Rayel、Jo?o Luiz Rebelatto（IEEE高级会员）、Guilherme Luiz Moritz、Marcos Eduardo Pivaro Monteiro和Guilherme de Santi Peron共同完成的研究，在《IEEE Open Journal of the Communications Society》上发表了一篇论文，并同时向研究社区公开了一个全面、符合BLE 5.1标准的数据集。该研究旨在为室内定位和角度估计算法的开发和评估提供更真实、更丰富的数据支持，尤其关注于复杂安全应用场景下的PPE追踪。

为了构建这个数据集，研究人员主要运用了几项关键技术方法。首先，他们搭建了一个复杂的室内实验环境，在一个8m x 10m、充满桌椅、柜子等障碍物的房间内，部署了来自Silicon Labs和u-blox两家制造商的共七个BLE锚点（接收器），并评估了两种不同的布局（全部锚点安装在天花板，以及部分锚点安装在三脚架上）。其次，他们使用了四个Silicon Labs的xG24-DK2601B开发板作为BLE发射器，并将其封装在3D打印的盒子内，分别放置于头盔、夹克、裤子和靴子这四种PPE中。数据采集通过基于Python的微服务容器和MQTT（Message Queue Telemetry Transport）协议实现，实时同步和处理来自所有锚点的数据。关键测量数据包括通过处理恒定音扩展（CTE）字段获得的AoA（方位角和仰角）、RSSI以及原始的IQ样本。此外，研究还利用了Silicon Labs提供的专有定位算法来生成位置估计值，作为其他算法的基准。所有数据均以明确的命名规则和格式存储，并包含了地面真实值（GT）用于精度评估。

IV. 实验设置

研究在一个8m x 10m的室内房间进行，内部包含桌椅、电脑柜等障碍物，以模拟真实的室内信号传播效应，如阴影和多径。实验使用了七个BLE锚点：四个Silicon Labs的BG22-RB4191A单元和三个u-blox的C211单元。评估了两种布局：布局1中所有锚点安装在天花板（高2.41m）；布局2中，四个Silicon Labs锚点安装在三脚架上（高1.95m），三个u-blox锚点仍在天花板。发射器是四个Silicon Labs的xG24-DK2601B，它们被配置为模拟u-blox C209标签的传输特性，以确保与u-blox锚点的兼容性。发射器以每秒一个广告包的速率发送包含CTE的BLE周期性广播包。数据采集系统由连接到树莓派4的锚点、基于Python的微服务容器、MQTT通信和PostgreSQL数据库组成，用于同步、处理和存储测量数据（包括AoA、RSSI、IQ样本和定位算法输出）。

VI. 数据集结果

研究人员对数据集进行了初步分析，重点关注包丢失、AoA精度、RSSI和定位精度。

• •
  包丢失分析：结果显示，将发射器置于PPE内相比放在三脚架上（校准场景）会增加包丢失。同时使用多个发射器也会增加Silicon Labs锚点的包丢失。u-blox锚点的包丢失率总体高于Silicon Labs锚点。在移动场景下，不可用角度（UA）的比例高于静态场景。安装在头盔上的发射器由于位置较高，视线（LoS）较好，包丢失率最低。
• •
  RSSI分析：RSSI测量值表现出高度的可变性，即使在同一距离的不同信道间也是如此。这种波动在静态和移动场景中更为明显，突出了将RSSI用于精确室内定位的挑战。
• •
  方位角精度：分析表明，在布局1中，当发射器置于PPE内以及在移动场景下，方位角误差更大。u-blox锚点的方位角测量性能普遍低于Silicon Labs锚点。在布局2中，使用三脚架安装的锚点（结合仰角和方位角确定方向）的误差大于布局1中仅使用方位角的方法。头盔发射器由于高度和LoS条件较好，通常显示出最低的平均方向误差。
• •
  仰角精度：Silicon Labs锚点在仰角估计上表现得更准确和一致。u-blox锚点则表现出更大的变异性。当发射器更靠近地面时，仰角估计误差往往更低。
• •
  定位精度：使用Silicon Labs专有定位算法进行评估，在移动路径1和2上，仅使用头盔发射器时，平均二维定位误差分别为2.76米和3.03米。当受试者每5秒移动一步（而非连续行走）时，误差降至2.04米，表明算法的延迟效应。使用四个PPE发射器时，定位误差因场景和布局而异，布局1的整体误差通常低于布局2。仅使用Silicon Labs锚点（4个）时，平均定位误差为0.74米，而仅使用u-blox锚点（3个）时为1.49米，结合所有7个锚点则误差降至0.71米，表明增加锚点数量有助于提高精度，即使某些锚点精度较低。

VII. 挑战与未来工作

研究指出了几个挑战：硬件质量对最小化包丢失和提高IPS精度至关重要；AoA测量易受波动和误差影响，需要滤波技术（如卡尔曼滤波）来改善；设备参数（如信标传输速率）会影响系统性能和电池寿命。未来工作包括开发独立于专有固件的鲁棒实时定位算法，以及研究先进的滤波技术以减轻由PPE和发射器外壳引起的噪声。

本研究成功地创建并公开了一个全面、符合BLE 5.1标准的室内定位数据集，其创新性在于首次将不同制造商的BLE硬件集成到统一系统中进行比较，并专注于PPE追踪这一安全关键应用。数据集包含丰富的AoA、RSSI、IQ样本和位置估计值，为研究人员开发和评估更精确、更鲁棒的室内定位和角度估计算法提供了宝贵的真实世界数据基础。分析结果明确显示了不同硬件、不同部署场景以及PPE对定位性能的影响，为未来IPS系统的优化设计提供了关键见解。该数据集将极大地推动高精度、低功耗室内定位技术，特别是在工业安全监控领域的发展。