Analyse und Implementierung eines BLE-basierten Indoor-Navigationssystems
unter realen Gebäudebedingungen

Bachelorarbeit an einer Fachhochschule


1. Projektvorstellung

Problemstellung und Motivation

Die satellitengestützte Navigation versagt in Innenräumen zuverlässig. In großen
öffentlichen Gebäuden – etwa Behörden, Kliniken oder Hochschulen – fehlt es an einer
praktikablen Lösung zur Orientierung und Navigation. Bluetooth Low Energy (BLE) bietet
als energieeffiziente, kostengünstige Funktechnologie eine vielversprechende Grundlage
für Indoor-Lokalisierung. Darüber hinaus kann ein solches System durch gezielte
Anpassungen – etwa Audio-Feedback oder Screenreader-Kompatibilität – den Alltag von
Menschen mit Behinderung erheblich erleichtern. Die praktische Zuverlässigkeit eines
BLE-basierten Ansatzes unter realen Gebäudebedingungen muss jedoch systematisch
untersucht werden.

Forschungsfrage und Zielsetzung

Die Arbeit untersucht die Frage: Wie zuverlässig kann eine BLE-basierte
Indoor-Navigation eine kontextbasierte Orientierung in öffentlichen Gebäuden
ermöglichen? Ziel ist die Entwicklung und messtechnische Evaluation eines
funktionsfähigen Prototyps, der mittels ESP32-basierter iBeacons und einer
Android-Applikation die Position eines Nutzers innerhalb einer Gebäudeetage schätzt.
Die Arbeit versteht sich als technische Machbarkeitsstudie mit Fokus auf die
elektrotechnischen Aspekte der BLE-Funkübertragung.

Kernpunkte

- RSSI-basierte Distanzschätzung mittels Log-Distance Path Loss Model
- Mehrstufige Signalfilterung (Kalman-Filter, EMA, gleitender Mittelwert)
  mit Ausreißer-Erkennung
- Dreistufige Positionsberechnung: IDW-Schwerpunkt, Gauß-Newton-Trilateration,
  adaptives Blending
- Quantitative Evaluation von Zuverlässigkeit, Stabilität und Latenz
  unter realen Raumbedingungen
- Klare Abgrenzung: keine sicherheitskritische oder medizinische Anwendung


2. Konzept zur Umsetzung

Technischer Ansatz

Das System nutzt mehrere ESP32-Mikrocontroller als iBeacon-Sender, die in bekannten
Positionen über eine gesamte Gebäudeetage verteilt installiert werden. Die Anzahl
der Beacons richtet sich nach der Etagengröße und dem gewünschten Abdeckungsgrad.
Eine native Android-Applikation empfängt die BLE-Advertisements, extrahiert die
RSSI-Werte und berechnet daraus die Nutzerposition. Die Distanzschätzung basiert auf
dem Log-Distance Path Loss Model mit umgebungsspezifisch kalibrierten Parametern
(Referenz-RSSI bei 1 m, Pfadverlustexponent).

Evaluationsstrategie

Die Evaluation umfasst systematische Messreihen in realen Räumen der Fachhochschule.
Bewertet werden Positionsgenauigkeit (Abweichung zur Referenzposition), Stabilität
(Varianz über Zeit), Latenz (Reaktionszeit auf Positionsänderungen) sowie der Einfluss
von Hindernissen, Personenbewegungen und Mehrwegeausbreitung. Die Kalibrierungsparameter
werden empirisch bestimmt.


3. Fazit und Ausblick

Die Arbeit liefert eine fundierte Bewertung der praktischen Einsetzbarkeit BLE-basierter
Indoor-Lokalisierung. Der entwickelte Prototyp und die dokumentierten Messergebnisse
können als Grundlage für weitergehende Arbeiten dienen – etwa die Erweiterung auf
Zonenklassifikation, die Integration von Gebäudeplänen, die Umsetzung auf weiteren
Plattformen oder die barrierefreie Gestaltung für Menschen mit Behinderung.


4. Materialliste

Gewähltes Board: Seeed Studio XIAO ESP32-C3 (113991054)

Der XIAO ESP32-C3 ist ein ultrakompaktes Entwicklungsboard (21 × 17,8 mm) auf
Basis des ESP32-C3 (RISC-V). Es unterstützt BLE 5.0 und Bluetooth Mesh mit
einer konfigurierbaren Sendeleistung von bis zu +21 dBm. Die maximale
Signalreichweite beträgt unter idealen Bedingungen (freie Sichtlinie) ca.
100–150 m. In Innenräumen mit Wänden, Möbeln und Personen reduziert sich die
nutzbare Reichweite auf ca. 15–30 m. Für eine zuverlässige Positionsbestimmung
sollten Beacons in einem Abstand von ca. 8–12 m zueinander platziert werden,
da an jedem Punkt mindestens drei Beacons empfangbar sein müssen.

Weitere Vorteile des XIAO ESP32-C3:
- USB-C-Anschluss
- Integriertes Lademanagement für LiPo-Akkus (380 mA Schnellladung)
- U.FL-Anschluss für externe Antenne (optional, für größere Reichweite)

Beispielrechnung für eine typische FH-Etage (ca. 50 m × 20 m):
- Bei einem Raster von ca. 8–12 m Abstand werden ca. 10–15 Beacons benötigt.

Stromversorgung über LiPo-Akku

Da nicht an jedem Montageort eine Steckdose verfügbar ist, werden alle Beacons
über LiPo-Akkus betrieben. Der XIAO ESP32-C3 verfügt über ein integriertes
Lademanagement, sodass 3,7-V-LiPo-Akkus direkt an das Board angeschlossen und
über USB-C geladen werden können. Der Stromverbrauch im BLE-Advertising-Modus
hängt stark vom Advertising-Intervall ab: Bei einem Intervall von ca. 1 s und
Nutzung von Light-Sleep zwischen den Sendungen liegt der Verbrauch bei ca.
10–30 mA. Mit einem 3000-mAh-LiPo-Akku ergibt sich eine theoretische Laufzeit
von ca. 4–12 Tagen pro Beacon. Für den laufenden Messbetrieb sollten
ausreichend Ersatz-Akkus eingeplant werden, um während des Ladens den Betrieb
aufrechtzuerhalten.

3D-gedruckte Gehäuse (PETG)

Für eine saubere und geschützte Montage werden Gehäuse aus PETG im 3D-Druck
gefertigt. PETG eignet sich durch seine Schlagfestigkeit und Temperatur-
beständigkeit gut für den Einsatz in Gebäuden. Durch die kompakte Größe des
XIAO ESP32-C3 können die Gehäuse sehr klein ausfallen (Board + LiPo-Akku).
Ein Gehäuse benötigt ca. 20–30 g Filament. Für 15 Gehäuse inklusive
Druckfehlern und Testdrucken sollte ca. 400–600 g PETG eingeplant werden
(eine Standardspule fasst 1 kg).

Materialliste (Preise sind ungefähre Richtwerte, Stand 2025/2026)

Komponente                          Anzahl      Stückpreis    Gesamt
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Seeed XIAO ESP32-C3 (113991054)     15          ca. 6 €       ca. 90 €
LiPo-Akku 3,7 V / 3000 mAh         15          ca. 8 €       ca. 120 €
LiPo-Akku 3,7 V / 3000 mAh (Ers.)  8           ca. 8 €       ca. 64 €
USB-C-Kabel (kurz, zum Laden)       5           ca. 3 €       ca. 15 €
PETG-Filament 1 kg (1,75 mm)        1           ca. 22 €      ca. 22 €
Befestigungsmaterial (Set)           1           ca. 15 €      ca. 15 €
Maßband / Laser-Entfernungsmesser   1           ca. 30 €      ca. 30 €
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Geschätzte Gesamtkosten                                       ca. 356 €

Hinweise:
- Android-Smartphone (BLE-fähig) wird als vorhanden vorausgesetzt.
- Der XIAO ESP32-C3 ist u. a. bei Botland (ca. 5,90 €), Seeed Studio,
  Mouser und DigiKey erhältlich.
- LiPo-Akkus sind bei Elektronik-Händlern und auf Amazon verfügbar.
  Auf passenden JST-Stecker (1,25 mm oder 2,0 mm) achten.
- Bei Nutzung eines vorhandenen 3D-Druckers fallen nur Filamentkosten an.
- Gesamtkosten können je nach Bezugsquelle zwischen ca. 250 € und 400 €
  variieren.
