在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮中，積極響應(yīng)應(yīng)急管理部關(guān)于“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”等指南的要求，打造工廠安全管理，守護(hù)生命防線、提高工廠效率，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)數(shù)字化升級(jí)至高重要。目前室內(nèi)高精度藍(lán)牙定位技術(shù)有不少，本文就以UWB和藍(lán)牙Beacon技術(shù)為例，展示其在工廠中的工作原理與應(yīng)用場(chǎng)景。

一、用UWB和藍(lán)牙Beacon方案實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高精度藍(lán)牙定位的優(yōu)勢(shì)

結(jié)合UWB和藍(lán)牙Beacon的解決方案，有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

1. 互補(bǔ)性強(qiáng)

UWB適用于高精度的定位需求，且穿透性好、安全性高但需要單獨(dú)部署基礎(chǔ)設(shè)施，廣覆蓋成本高；而藍(lán)牙Beacon成本低，實(shí)現(xiàn)低成本廣覆蓋且傳輸數(shù)據(jù)功耗低。兩者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低成本低功耗高精度定位（兩者皆有防爆和非防爆兩種版本）。

2. 靈活度高

UWB和藍(lán)牙Beacon模塊可以靈活部署在工廠的各個(gè)角落，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整覆蓋范圍和數(shù)據(jù)傳輸頻率，滿足多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景。

3. 易于集成與維護(hù)

UWB和藍(lán)牙Beacon均具有較高的集成度和兼容性，可以方便地與其他智能設(shè)備或系統(tǒng)（如MES、ERP等）進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和協(xié)同處理。

二、UWB和藍(lán)牙Beacon融合方案在室內(nèi)高精度定位中的配合戰(zhàn)

藍(lán)牙信標(biāo)和UWB都屬于信號(hào)發(fā)射設(shè)備，藍(lán)牙信標(biāo)助力信號(hào)廣覆蓋，完成粗定位。UWB實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，車(chē)間等核心區(qū)密集部署，走廊等過(guò)渡區(qū)稀疏部署，兩者配合經(jīng)濟(jì)高效。

1.藍(lán)牙信標(biāo)定位原理

藍(lán)牙信標(biāo)廣播低功耗的藍(lán)牙信號(hào)，定位器能感知區(qū)域只是“大概范圍”，比如廣部署在走廊區(qū)域、少部署在車(chē)間的核心區(qū)域，判斷初始位置的區(qū)域是A還是B，減少UWB的解算消耗。

2.UWB定位原理

UWB發(fā)送超窄脈沖信號(hào)，定位器能夠測(cè)算它信號(hào)的距離（至少兩個(gè)UWB基站通過(guò)三角定位計(jì)算坐標(biāo)），實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，需要多部署在車(chē)間等的核心區(qū)域，走廊等過(guò)渡區(qū)域少部署，完成人員、設(shè)備從走廊進(jìn)入車(chē)間的無(wú)縫切換，避免定位中斷。

三、UWB和藍(lán)牙Beacon融合方案在室內(nèi)高精度定位中的實(shí)現(xiàn)

1.部署發(fā)射端并發(fā)出信號(hào)

把低功耗藍(lán)牙信標(biāo)安裝在需要定位的區(qū)域內(nèi)，采用粘貼、懸掛等安裝方式，部署簡(jiǎn)單高效，藍(lán)牙信標(biāo)單向廣播自身ID和BLE信號(hào)；再部署好UWB基站，基站多采用雙向通信。

2. 定位器采集并處理信號(hào)

給需要定位的人員、物資分配融合定位器。定位器被動(dòng)接收藍(lán)牙信標(biāo)發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度（RSSI），對(duì)于UWB基站，定位器先向它發(fā)送“測(cè)距請(qǐng)求”，基站響應(yīng)后，兩者通過(guò)計(jì)算信號(hào)的返回距離（TOF）確定距離，最后定位器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并完成基礎(chǔ)計(jì)算——將藍(lán)牙信標(biāo)發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）值轉(zhuǎn)化為距離估算值，對(duì)UWB計(jì)算到達(dá)距離（TOF）/到達(dá)時(shí)間差（TDOA）。

融合定位器信號(hào)采集與處理代碼實(shí)現(xiàn)
import time
import random
from dataclasses import dataclass, field
from typing import List, Optional, Tuple
import math

# -------------------------- 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義 --------------------------
@dataclass
class BluetoothBeaconData:
    """藍(lán)牙信標(biāo)采集數(shù)據(jù)"""
    beacon_id: str  # 信標(biāo)唯一標(biāo)識(shí)
    rssi: int  # 接收信號(hào)強(qiáng)度（dBm）
    timestamp: float = field(default_factory=time.time)  # 采集時(shí)間戳
    estimated_distance: Optional[float] = None  # 估算距離（m）

@dataclass
class UWBBaseStationData:
    """UWB基站采集數(shù)據(jù)"""
    base_station_id: str  # 基站唯一標(biāo)識(shí)
    tof: Optional[float] = None  # 飛行時(shí)間（s）
    tdoa: Optional[float] = None  # 到達(dá)時(shí)間差（s）
    distance: Optional[float] = None  # 計(jì)算距離（m）
    request_timestamp: Optional[float] = None  # 測(cè)距請(qǐng)求時(shí)間
    response_timestamp: Optional[float] = None  # 基站響應(yīng)時(shí)間

@dataclass
class FusionLocatorResult:
    """定位器最終處理結(jié)果"""
    locator_id: str  # 定位器ID
    bluetooth_data_list: List[BluetoothBeaconData] = field(default_factory=list)  # 藍(lán)牙數(shù)據(jù)列表
    uwb_data_list: List[UWBBaseStationData] = field(default_factory=list)  # UWB數(shù)據(jù)列表
    process_timestamp: float = field(default_factory=time.time)  # 處理完成時(shí)間

# -------------------------- 常量定義 --------------------------
SPEED_OF_LIGHT = 299792458.0  # 光速（m/s），UWB信號(hào)傳播速度近似光速
BLUETOOTH_PARAMS = {
    "reference_rssi": -55,  # 1米處參考RSSI值（需根據(jù)硬件校準(zhǔn)）
    "path_loss_exponent": 2.4  # 路徑損耗指數(shù)（室內(nèi)環(huán)境通常2.0-4.0）
}

# -------------------------- 融合定位器核心類(lèi) --------------------------
class FusionLocator:
    def __init__(self, locator_id: str):
        self.locator_id = locator_id
        self.bluetooth_beacon_ids = set()  # 可檢測(cè)的藍(lán)牙信標(biāo)ID集合
        self.uwb_base_station_ids = set()  # 可通信的UWB基站ID集合

    def add_bluetooth_beacon(self, beacon_id: str) - > None:
        """添加可檢測(cè)的藍(lán)牙信標(biāo)"""
        self.bluetooth_beacon_ids.add(beacon_id)

    def add_uwb_base_station(self, base_station_id: str) - > None:
        """添加可通信的UWB基站"""
        self.uwb_base_station_ids.add(base_station_id)

    # -------------------------- 藍(lán)牙信號(hào)處理 --------------------------
    def receive_bluetooth_rssi(self) - > List[BluetoothBeaconData]:
        """
        模擬被動(dòng)接收藍(lán)牙信標(biāo)RSSI信號(hào)
        實(shí)際場(chǎng)景中需替換為硬件的藍(lán)牙信號(hào)采集接口
        """
        bluetooth_data_list = []
        for beacon_id in self.bluetooth_beacon_ids:
            # 模擬RSSI值（實(shí)際從藍(lán)牙模塊讀?。?/span>
            rssi = random.randint(-85, -40)  # 典型室內(nèi)RSSI范圍
            bluetooth_data = BluetoothBeaconData(
                beacon_id=beacon_id,
                rssi=rssi
            )
            # 實(shí)時(shí)計(jì)算距離估算值
            self.calculate_rssi_distance(bluetooth_data)
            bluetooth_data_list.append(bluetooth_data)
        return bluetooth_data_list

    def calculate_rssi_distance(self, bluetooth_data: BluetoothBeaconData) - > None:
        """
        根據(jù)RSSI計(jì)算距離（對(duì)數(shù)路徑損耗模型）
        公式：d = 10^((RSSI_reference - RSSI_measured) / (10 * n))
        其中：d-距離(m)，n-路徑損耗指數(shù)，RSSI_reference-1米處參考信號(hào)強(qiáng)度
        """
        ref_rssi = BLUETOOTH_PARAMS["reference_rssi"]
        n = BLUETOOTH_PARAMS["path_loss_exponent"]
        try:
            distance = math.pow(10, (ref_rssi - bluetooth_data.rssi) / (10 * n))
            bluetooth_data.estimated_distance = round(distance, 3)
        except Exception as e:
            print(f"RSSI距離計(jì)算失?。簕e}")
            bluetooth_data.estimated_distance = None

    # -------------------------- UWB信號(hào)處理 --------------------------
    def send_uwb_ranging_request(self, base_station_id: str) - > Tuple[bool, float]:
        """
        向UWB基站發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求
        實(shí)際場(chǎng)景中需替換為UWB模塊的通信接口（如SPI/UART）
        """
        try:
            # 模擬請(qǐng)求發(fā)送（實(shí)際硬件發(fā)送指令）
            request_timestamp = time.time()
            print(f"[{request_timestamp:.3f}] 向UWB基站 {base_station_id} 發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求")
            # 模擬基站響應(yīng)延遲（實(shí)際等待硬件響應(yīng)）
            time.sleep(random.uniform(0.001, 0.005))  # UWB響應(yīng)延遲通常為毫秒級(jí)
            return True, request_timestamp
        except Exception as e:
            print(f"UWB測(cè)距請(qǐng)求發(fā)送失?。簕e}")
            return False, 0.0

    def receive_uwb_response(self, base_station_id: str, request_timestamp: float) - > Optional[UWBBaseStationData]:
        """
        接收UWB基站響應(yīng)并計(jì)算TOF/距離
        """
        try:
            response_timestamp = time.time()
            # 模擬UWB基站返回的飛行時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)（實(shí)際從硬件讀?。?/span>
            # TOF = (響應(yīng)時(shí)間 - 請(qǐng)求時(shí)間) / 2（信號(hào)往返）
            tof = (response_timestamp - request_timestamp) / 2
            # 計(jì)算距離（距離 = 光速 * TOF）
            distance = SPEED_OF_LIGHT * tof
            uwb_data = UWBBaseStationData(
                base_station_id=base_station_id,
                tof=round(tof, 9),  # 保留9位小數(shù)（納秒級(jí)精度）
                distance=round(distance, 3),
                request_timestamp=request_timestamp,
                response_timestamp=response_timestamp
            )
            return uwb_data
        except Exception as e:
            print(f"UWB響應(yīng)接收失?。簕e}")
            return None

    def calculate_uwb_tdoa(self, uwb_data_list: List[UWBBaseStationData]) - > None:
        """
        計(jì)算UWB到達(dá)時(shí)間差（TDOA）
        基于多個(gè)基站的TOF，計(jì)算相對(duì)于第一個(gè)基站的時(shí)間差
        """
        if len(uwb_data_list) < 2:
            print("計(jì)算TDOA需要至少2個(gè)UWB基站數(shù)據(jù)")
            return
        
        # 以第一個(gè)基站為參考
        reference_tof = uwb_data_list[0].tof
        for uwb_data in uwb_data_list[1:]:
            if uwb_data.tof is not None:
                uwb_data.tdoa = round(uwb_data.tof - reference_tof, 9)
            else:
                uwb_data.tdoa = None

    def process_uwb_ranging(self) - > List[UWBBaseStationData]:
        """
        完整UWB測(cè)距流程：請(qǐng)求- >響應(yīng)- >TOF計(jì)算- >TDOA計(jì)算
        """
        uwb_data_list = []
        for base_station_id in self.uwb_base_station_ids:
            # 發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求
            success, request_ts = self.send_uwb_ranging_request(base_station_id)
            if not success:
                continue
            # 接收響應(yīng)并計(jì)算TOF/距離
            uwb_data = self.receive_uwb_response(base_station_id, request_ts)
            if uwb_data:
                uwb_data_list.append(uwb_data)
        # 計(jì)算TDOA（多基站場(chǎng)景）
        self.calculate_uwb_tdoa(uwb_data_list)
        return uwb_data_list

    # -------------------------- 數(shù)據(jù)匯總與輸出 --------------------------
    def collect_and_process(self) - > FusionLocatorResult:
        """
        核心流程：采集藍(lán)牙/UWB數(shù)據(jù) - > 處理計(jì)算 - > 匯總結(jié)果
        """
        print(f"n===== 定位器 {self.locator_id} 開(kāi)始數(shù)據(jù)采集與處理 =====")
        # 1. 采集并處理藍(lán)牙數(shù)據(jù)
        bluetooth_data = self.receive_bluetooth_rssi()
        # 2. 采集并處理UWB數(shù)據(jù)
        uwb_data = self.process_uwb_ranging()
        # 3. 匯總結(jié)果
        result = FusionLocatorResult(
            locator_id=self.locator_id,
            bluetooth_data_list=bluetooth_data,
            uwb_data_list=uwb_data
        )
        # 打印處理結(jié)果（實(shí)際場(chǎng)景可發(fā)送至服務(wù)器或本地存儲(chǔ)）
        self.print_result(result)
        return result

    def print_result(self, result: FusionLocatorResult) - > None:
        """打印處理結(jié)果（調(diào)試/日志用）"""
        print(f"n【處理完成時(shí)間】: {result.process_timestamp:.3f}")
        print("n【藍(lán)牙信標(biāo)數(shù)據(jù)】:")
        for bt in result.bluetooth_data_list:
            print(f"  信標(biāo)ID: {bt.beacon_id:4s} | RSSI: {bt.rssi:4d} dBm | 估算距離: {bt.estimated_distance:.3f} m")
        
        print("n【UWB基站數(shù)據(jù)】:")
        for uwb in result.uwb_data_list:
            print(f"  基站ID: {uwb.base_station_id:4s} | TOF: {uwb.tof:.9f} s | "
                  f"距離: {uwb.distance:.3f} m | TDOA: {uwb.tdoa if uwb.tdoa else 'N/A'} s")
        print("=" * 60)

# -------------------------- 測(cè)試代碼 --------------------------
if __name__ == "__main__":
    # 1. 初始化融合定位器
    locator = FusionLocator(locator_id="LOC-001")

    # 2. 配置可檢測(cè)的藍(lán)牙信標(biāo)和UWB基站
    locator.add_bluetooth_beacon("BEACON-01")
    locator.add_bluetooth_beacon("BEACON-02")
    locator.add_bluetooth_beacon("BEACON-03")
    locator.add_uwb_base_station("UWB-001")
    locator.add_uwb_base_station("UWB-002")
    locator.add_uwb_base_station("UWB-003")

    # 3. 執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與處理（實(shí)際場(chǎng)景可設(shè)置定時(shí)循環(huán)）
    for _ in range(2):  # 模擬2次采集周期
        locator.collect_and_process()
        time.sleep(1)  # 采集周期間隔（可根據(jù)需求調(diào)整）

3. 服務(wù)器解算位置并實(shí)現(xiàn)

定位器將初步處理好的數(shù)據(jù)送到引擎服務(wù)器，自研算法對(duì)兩類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算并結(jié)合卡爾曼濾波降低噪聲對(duì)信號(hào)干擾，最終精準(zhǔn)算出人員/物資的實(shí)時(shí)位置，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到云端/本地，進(jìn)行處理后實(shí)現(xiàn)工廠的可視化管理，并在系統(tǒng)后臺(tái)呈現(xiàn)。

本篇文章深入剖析了UWB和藍(lán)牙Beacon融合方案優(yōu)勢(shì)和在工廠中的工作原理，該方案不僅降低了成本，還實(shí)現(xiàn)了高精度、低功耗的人員/資產(chǎn)定位管理。

希望本篇文章對(duì)大家有所幫助，由于篇幅原因，應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)放在下篇，下篇將對(duì)室內(nèi)高精度藍(lán)牙定位系統(tǒng)的系統(tǒng)亮點(diǎn)和系統(tǒng)功能進(jìn)行分享，感興趣的朋友可以關(guān)注一下~~

審核編輯 黃宇