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 --------------------------------------------------------------------------- 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 € --------------------------------------------------------------------------- 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.