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Analyse und Implementierung eines BLE-basierten Indoor-Navigationssystems
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unter realen Gebäudebedingungen
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Bachelorarbeit an einer Fachhochschule
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1. Projektvorstellung
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Problemstellung und Motivation
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Die satellitengestützte Navigation versagt in Innenräumen zuverlässig. In großen
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öffentlichen Gebäuden – etwa Behörden, Kliniken oder Hochschulen – fehlt es an einer
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praktikablen Lösung zur Orientierung und Navigation. Bluetooth Low Energy (BLE) bietet
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als energieeffiziente, kostengünstige Funktechnologie eine vielversprechende Grundlage
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für Indoor-Lokalisierung. Darüber hinaus kann ein solches System durch gezielte
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Anpassungen – etwa Audio-Feedback oder Screenreader-Kompatibilität – den Alltag von
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Menschen mit Behinderung erheblich erleichtern. Die praktische Zuverlässigkeit eines
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BLE-basierten Ansatzes unter realen Gebäudebedingungen muss jedoch systematisch
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untersucht werden.
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Forschungsfrage und Zielsetzung
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Die Arbeit untersucht die Frage: Wie zuverlässig kann eine BLE-basierte
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Indoor-Navigation eine kontextbasierte Orientierung in öffentlichen Gebäuden
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ermöglichen? Ziel ist die Entwicklung und messtechnische Evaluation eines
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funktionsfähigen Prototyps, der mittels ESP32-basierter iBeacons und einer
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Android-Applikation die Position eines Nutzers innerhalb einer Gebäudeetage schätzt.
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Die Arbeit versteht sich als technische Machbarkeitsstudie mit Fokus auf die
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elektrotechnischen Aspekte der BLE-Funkübertragung.
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Kernpunkte
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- RSSI-basierte Distanzschätzung mittels Log-Distance Path Loss Model
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- Mehrstufige Signalfilterung (Kalman-Filter, EMA, gleitender Mittelwert)
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mit Ausreißer-Erkennung
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- Dreistufige Positionsberechnung: IDW-Schwerpunkt, Gauß-Newton-Trilateration,
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adaptives Blending
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- Quantitative Evaluation von Zuverlässigkeit, Stabilität und Latenz
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unter realen Raumbedingungen
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- Klare Abgrenzung: keine sicherheitskritische oder medizinische Anwendung
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2. Konzept zur Umsetzung
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Technischer Ansatz
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Das System nutzt mehrere ESP32-Mikrocontroller als iBeacon-Sender, die in bekannten
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Positionen über eine gesamte Gebäudeetage verteilt installiert werden. Die Anzahl
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der Beacons richtet sich nach der Etagengröße und dem gewünschten Abdeckungsgrad.
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Eine native Android-Applikation empfängt die BLE-Advertisements, extrahiert die
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RSSI-Werte und berechnet daraus die Nutzerposition. Die Distanzschätzung basiert auf
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dem Log-Distance Path Loss Model mit umgebungsspezifisch kalibrierten Parametern
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(Referenz-RSSI bei 1 m, Pfadverlustexponent).
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Evaluationsstrategie
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Die Evaluation umfasst systematische Messreihen in realen Räumen der Fachhochschule.
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Bewertet werden Positionsgenauigkeit (Abweichung zur Referenzposition), Stabilität
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(Varianz über Zeit), Latenz (Reaktionszeit auf Positionsänderungen) sowie der Einfluss
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von Hindernissen, Personenbewegungen und Mehrwegeausbreitung. Die Kalibrierungsparameter
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werden empirisch bestimmt.
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3. Fazit und Ausblick
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Die Arbeit liefert eine fundierte Bewertung der praktischen Einsetzbarkeit BLE-basierter
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Indoor-Lokalisierung. Der entwickelte Prototyp und die dokumentierten Messergebnisse
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können als Grundlage für weitergehende Arbeiten dienen – etwa die Erweiterung auf
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Zonenklassifikation, die Integration von Gebäudeplänen, die Umsetzung auf weiteren
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Plattformen oder die barrierefreie Gestaltung für Menschen mit Behinderung.
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4. Materialliste
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Gewähltes Board: Seeed Studio XIAO ESP32-C3 (113991054)
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Der XIAO ESP32-C3 ist ein ultrakompaktes Entwicklungsboard (21 × 17,8 mm) auf
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Basis des ESP32-C3 (RISC-V). Es unterstützt BLE 5.0 und Bluetooth Mesh mit
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einer konfigurierbaren Sendeleistung von bis zu +21 dBm. Die maximale
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Signalreichweite beträgt unter idealen Bedingungen (freie Sichtlinie) ca.
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100–150 m. In Innenräumen mit Wänden, Möbeln und Personen reduziert sich die
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nutzbare Reichweite auf ca. 15–30 m. Für eine zuverlässige Positionsbestimmung
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sollten Beacons in einem Abstand von ca. 8–12 m zueinander platziert werden,
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da an jedem Punkt mindestens drei Beacons empfangbar sein müssen.
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Weitere Vorteile des XIAO ESP32-C3:
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- USB-C-Anschluss
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- Integriertes Lademanagement für LiPo-Akkus (380 mA Schnellladung)
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- U.FL-Anschluss für externe Antenne (optional, für größere Reichweite)
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Beispielrechnung für eine typische FH-Etage (ca. 50 m × 20 m):
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- Bei einem Raster von ca. 8–12 m Abstand werden ca. 10–15 Beacons benötigt.
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Stromversorgung über LiPo-Akku
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Da nicht an jedem Montageort eine Steckdose verfügbar ist, werden alle Beacons
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über LiPo-Akkus betrieben. Der XIAO ESP32-C3 verfügt über ein integriertes
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Lademanagement, sodass 3,7-V-LiPo-Akkus direkt an das Board angeschlossen und
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über USB-C geladen werden können. Der Stromverbrauch im BLE-Advertising-Modus
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hängt stark vom Advertising-Intervall ab: Bei einem Intervall von ca. 1 s und
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Nutzung von Light-Sleep zwischen den Sendungen liegt der Verbrauch bei ca.
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10–30 mA. Mit einem 3000-mAh-LiPo-Akku ergibt sich eine theoretische Laufzeit
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von ca. 4–12 Tagen pro Beacon. Für den laufenden Messbetrieb sollten
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ausreichend Ersatz-Akkus eingeplant werden, um während des Ladens den Betrieb
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aufrechtzuerhalten.
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3D-gedruckte Gehäuse (PETG)
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Für eine saubere und geschützte Montage werden Gehäuse aus PETG im 3D-Druck
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gefertigt. PETG eignet sich durch seine Schlagfestigkeit und Temperatur-
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beständigkeit gut für den Einsatz in Gebäuden. Durch die kompakte Größe des
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XIAO ESP32-C3 können die Gehäuse sehr klein ausfallen (Board + LiPo-Akku).
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Ein Gehäuse benötigt ca. 20–30 g Filament. Für 15 Gehäuse inklusive
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Druckfehlern und Testdrucken sollte ca. 400–600 g PETG eingeplant werden
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(eine Standardspule fasst 1 kg).
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Materialliste (Preise sind ungefähre Richtwerte, Stand 2025/2026)
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Komponente Anzahl Stückpreis Gesamt
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Seeed XIAO ESP32-C3 (113991054) 15 ca. 6 € ca. 90 €
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LiPo-Akku 3,7 V / 3000 mAh 15 ca. 8 € ca. 120 €
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LiPo-Akku 3,7 V / 3000 mAh (Ers.) 8 ca. 8 € ca. 64 €
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USB-C-Kabel (kurz, zum Laden) 5 ca. 3 € ca. 15 €
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PETG-Filament 1 kg (1,75 mm) 1 ca. 22 € ca. 22 €
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Befestigungsmaterial (Set) 1 ca. 15 € ca. 15 €
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Maßband / Laser-Entfernungsmesser 1 ca. 30 € ca. 30 €
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Geschätzte Gesamtkosten ca. 356 €
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Hinweise:
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- Android-Smartphone (BLE-fähig) wird als vorhanden vorausgesetzt.
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- Der XIAO ESP32-C3 ist u. a. bei Botland (ca. 5,90 €), Seeed Studio,
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Mouser und DigiKey erhältlich.
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- LiPo-Akkus sind bei Elektronik-Händlern und auf Amazon verfügbar.
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Auf passenden JST-Stecker (1,25 mm oder 2,0 mm) achten.
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- Bei Nutzung eines vorhandenen 3D-Druckers fallen nur Filamentkosten an.
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- Gesamtkosten können je nach Bezugsquelle zwischen ca. 250 € und 400 €
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variieren.
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