一種基於天線差分信號處理的室內定位裝置及方法與流程

2023-06-26 11:46:16

本發明涉及一種室內定位裝置及方法，尤其是一種基於天線差分信號處理的室內定位裝置及方法，主要應用於智慧型手機的定位，屬於通訊定位領域。

背景技術：

隨著全球定位系統gps技術的成熟和廣泛應用，基於位置的服務lbs已經成為網際網路承載的一類重要業務，但對於人們居留時間長達80%的室內環境，gps無法提供有效的定位服務。

室內定位從技術上可以分為基於wifi、ble、zigbee、subg以及超寬帶uwb的微波無線定位技術、基於lf磁信號的磁場定位技術、基於超聲波的聲定位技術、基於可見光或紅外的光定位技術、基於攝像頭的計算機視覺定位技術、基於室內地磁異常匹配的定位技術、基於微機電mems運動傳感器的慣導技術等。其中微波無線定位技術、磁場定位技術、聲定位技術、光定位技術需要在室內環境部署專用設備，生成並發射對應的定位信號，這些設備稱之為定位信標。

在各類微波無線定位技術中，由於wifi、ble已集成進主流智慧型手機中，無需專門的定位終端，便於各種新型lbs服務的推廣；同時wifi與ble具有定位信標成本低，定位服務區域廣等優勢，已成為面向智慧型手機的室內定位系統首選技術。

基於wifi/ble的室內定位系統多採用接收信號強度（receivedsignalstrength：rss）進行定位，這類技術需要提前在現場進行大量的rss值採集與訓練，定位流程複雜；wifi與ble作為2.4ghz的電磁波，rss受人流密度與分布變化影響較大，實際定位時，如果人流密度與分布較訓練時發生較大變化，定位性能下降嚴重，穩定性差；由於不同類型手機的wifi/ble的rss測量值差別較大，難以適用於其他型號的手機，制約了室內定位系統的應用效果與適用範圍。

技術實現要素：

為了解決現有技術存在的問題，本發明提出一種基於天線差分信號處理的室內定位裝置及方法，該定位裝置設置多個定位信標，智慧型手機接收到不同定位信標的不同天線發射的wifi/ble定位信號，並對定位信號進行rss差分處理，根據處理結果定位智慧型手機的位置，定位裝置及方法無需進行大量的rss值採集與訓練，簡化了定位流程，且不受人流密度和分布變化，能夠適配各類智慧型手機，提升了系統的穩定性和適用性。

為實現以上技術目的，本發明的技術方案是：一種基於天線差分信號處理的室內定位裝置，其特徵在於，包括若干個定位信標和被定位智慧型手機，所述若干個定位信標與被定位智慧型手機的距離不超過20m，所述定位信標包括wifi單元、ble單元和天線單元，所述wifi單元內置有mcu微控制器，所述mcu微控制器控制wifi單元發送wifibeacon幀消息，所述天線單元包括射頻開關、第一天線和第二天線，所述射頻開關可分別與第一天線、第二天線連接，所述mcu微控制器與ble單元連接，且用於控制ble單元發送ble通告消息，所述ble單元和wifi單元均與天線單元的射頻開關連接，且通過mcu微控制器控制射頻開關實現wifi單元與ble單元之間信號通道的切換，所述定位信標通過天線單元的第一天線和第二天線交替向外廣播攜帶自身標識id與天線id的wifibeacon幀或ble通告消息；

所述被定位智慧型手機通過掃描定位信標發出的wifibeacon幀或ble通告信息，獲取wifibeacon幀或ble通告消息中的定位信標id與天線id，根據不同定位信標不同天線發出的wifibeacon幀或ble通告消息的rss差，判定被定位智慧型手機的位置。

進一步地，所述定位信標的天線單元的天線為2~4個，天線的工作頻段為2.4ghz，各個天線為具有不同方向角和增益的天線或為具有相同方向角和增益，但放置方向不同的天線。

進一步地，所述定位信標廣播wifibeacon幀或ble通告信息的周期為100ms。

進一步地，所述定位信標還包括供電與時鐘單元，所述供電與時鐘單元分別與wifi單元和ble單元連接，所述供電與時鐘單元為定位信標提供電源與基準工作時鐘。

為進一步地實現以上技術目的，本發明還提出了一種基於天線差分處理的室內定位方法，其特徵在於，包括如下步驟：

步驟一.部署各個定位信標的位置，確定定位信標中第一天線和第二天線方位、方向角、增益；

步驟二.所述定位信標通過第一天線和第二天線交替對外周期廣播wifibeacon幀或ble通告消息；

步驟三.所述被定位智慧型手機掃描wifibeacon幀或ble通告消息，獲取wifibeacon幀或ble通告消息中的定位信標id與天線id，及定位信標的rss值；

步驟四.所述被定位智慧型手機對定位信標（1）id相同但天線id不同的rss值進行差分處理，根據處理結果，結合定位信標部署位置、天線放置方向，獲得被定位智慧型手機的位置。

進一步地，所述差分處理的過程為：所述被定位智慧型手機掃描各個定位信標的每個天線連續發出的3個wifibeacon幀或ble通告消息，獲取每個天線的3個rss值，然後求平均值，記為rss的估計值，對不同天線的rss估計值進行差分比較。

進一步地，對不同天線的rss估計值進行差分比較前，通過計算天線3個rss值的方差來判斷rss估計值是否接近真實值，若方差較小，則說明rss估計值接近真實值，定位信標的天線發出的定位信息準確；若方差較大，則說明rss估計值偏離真實值，定位信標的天線發出的定位信息不準確。

進一步地，所述定位信標通過設置不同的天線個數、天線放置方位及天線的方向角、增益，並指定定位信標的自身部署位置，能夠適用於不同的應用場景，滿足不同的應用需求。

本發明的有益效果為：

1）本發明的被定位智慧型手機對接收到的從定位信標不同天線發射的wifi/ble定位信號進行rss差分處理後完成定位，無需進行複雜的事前訓練，簡化了定位流程；

2）本發明是基於rss差分而非rss絕對值進行定位，不同類型手機rss測量偏差以及人流密度與分布變化均不會影響定位結果，顯著提升了系統穩定性和適用範圍。

附圖說明

圖1為本發明的定位系統組成示意圖。

圖2是本發明的定位信標的結構框圖。

圖3是本發明的實施例1的示意圖。

圖4是本發明的實施例2的示意圖。

附圖說明：1-定位信標、11-第一天線、12-第二天線、13-射頻開關、14-wifi單元、15-ble單元、16-天線單元、17-供電與時鐘單元、2-被定位智慧型手機、31-第三天線、32-第四天線、3-位置判定區域。

具體實施方式

下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。

根據圖1和圖2所示，一種基於天線差分信號處理的室內定位裝置，其特徵在於，包括若干個定位信標1和被定位智慧型手機2，所述若干個定位信標1與被定位智慧型手機2的距離不超過20m，所述定位信標1包括wifi單元14、ble單元15和天線單元16，所述wifi單元14內置有mcu微控制器，作為定位信標1的主控單元，所述mcu微控制器控制wifi單元14發送wifibeacon幀消息，所述天線單元16包括射頻開關13、第一天線11和第二天線12，所述射頻開關13可分別與第一天線11、第二天線12連接，天線的工作頻段為2.4ghz，第一天線11和第二天線12天線為具有不同方向角和增益的天線或為具有相同方向角和增益，但放置方向不同的天線，所述mcu微控制器與ble單元15連接，且用於控制ble單元15發送ble通告消息，所述ble單元15和wifi單元14均與天線單元16的射頻開關13連接，且通過mcu微控制器控制射頻開關13實現wifi單元14與ble單元15之間信號通道的切換，所述定位信標1通過天線單元16的第一天線11和第二天線12交替向外廣播攜帶自身標識id與天線id的wifibeacon幀或ble通告消息，且廣播的周期可動態配置，默認為100ms；

所述被定位智慧型手機2通過掃描定位信標1發出的wifibeacon幀或ble通告信息，獲取wifibeacon幀或ble通告消息中的定位信標id與天線id，根據不同定位信標1不同天線發出的wifibeacon幀或ble通告消息的rss差，判定被定位智慧型手機2的位置。

所述定位信標1還包括供電與時鐘單元17，所述供電與時鐘單元17分別與wifi單元14和ble單元15連接，所述供電與時鐘單元17為定位信標1提供電源與基準工作時鐘。

一種基於天線差分信號處理的室內定位方法，其特徵在於，包括如下步驟：

步驟一.部署各個定位信標1的位置，確定定位信標1中第一天線11和第二天線12方位、方向角、增益；

步驟二.所述定位信標1通過第一天線11和第二天線12交替對外周期廣播wifibeacon幀或ble通告消息；

步驟三.所述被定位智慧型手機2掃描wifibeacon幀或ble通告消息，獲取wifibeacon幀或ble通告消息中的定位信標1id與天線id，及定位信標1的rss值；具體的，android系統智慧型手機從wifibeacon幀獲取定位信標id與天線id，iphone系統智慧型手機從ble通告消息獲取定位信標id與天線id；

步驟四.所述被定位智慧型手機2對定位信標1id相同但天線id不同的rss值進行差分處理，根據處理結果，結合定位信標1部署位置、天線放置方向，獲得被定位智慧型手機2的位置。

所述差分處理的過程為：所述被定位智慧型手機2掃描各個定位信標1的每個天線連續發出的3個wifibeacon幀或ble通告消息，獲取每個天線的3個rss值，然後求平均值，記為rss的估計值，對不同天線的rss估計值進行差分比較；對不同天線的rss估計值進行差分比較前，通過計算天線3個rss值的方差來判斷rss估計值是否接近真實值，若方差較小，則說明rss估計值接近真實值，定位信標1的天線發出的定位信息準確；若方差較大，則說明rss估計值偏離真實值，定位信標1的天線發出的定位信息不準確。

如圖1所示，為在一個長廊對被定位智慧型手機2進行定位的應用場景。兩個定位信標1，每個定位信標1有兩個定向天線，第一天線11和第二天線12的方向角與增益相同，但放置方向相反，第三天線31和第四天線32的方向角與增益相同，但放置方向相反。被定位智慧型手機2連續掃描定位信標1的第一天線11和第二天線12發出的3個wifibeacon幀或ble通告消息，獲取定位信息的rss值，求3個rss的平均值，得到第一天線11的rss估計值和第二天線12的rss估計值，兩個估計值進行差分比較，發現第二天線12的rss估計值大於第一天線rss估計值，可判斷被定位智慧型手機2位於定位信標1的右側；同理，發現第四天線32的rss估計值小於第三天線31的rss估計值，則判斷被定位智慧型手機2位於另一個定位信標1左側，結合兩個定位信標1的部署位置，可判定被定位智慧型手機2位於位置判定區域3。

如圖3所示，為本發明實施例1的示意圖，準確定位區分被定位智慧型手機2位於店內還是店外。定位信標1帶有2個不同的定向天線，第一天線11和第二天線12的方向角與增益相同，第一天線11朝向店外，第二天線12朝向店內。當被定位智慧型手機2位於店內時，第二天線12發出的wifi/ble信號rss估計值大於第一天線11發出的wifi/ble信號rss估計值；如果被定位智慧型手機2位於店外，第一天線11發出的wifi/ble信號rss估計值大於第二天線12發出的wifi/ble信號rss估計值。這個應用場景在商場可準確估計每家商店的進店人流或者基於智慧型手機是否在店內進行不同的消息推送等方面具有廣闊的前景與價值。

如圖4所示，為本發明實施例2的示意圖，準確判斷被定位智慧型手機2是否位於某件商品的正前方。定位信標1帶有2個天線，第一天線11為全向天線，第二天線12為定向天線，且朝向商品的正前方。如果攜帶智慧型手機的消費者來到商品正前方時，定向天線發出的wifi/ble信號rss估計值大於全向天線發出的wifi/ble信號rss估計值；否則，定向天線發出的wifi/ble信號rss估計值小於全向天線發出的wifi/ble信號rss估計值。這個應用場景在分析消費者線下行為如在哪個商品前方停留了多長時間等領域具有廣闊的前景與價值。

本發明的特點為：本發明定位裝置的定位信標1的天線單元16的天線為2~4個，所述定位信標1通過設置不同的天線個數、天線放置方位及天線的方向角、增益，並指定定位信標1的自身部署位置，能夠適用於不同的應用場景，滿足不同的應用需求；本發明是基於rss差分比較進行定位，不同類型手機rss測量偏差以及人流密度與分布變化均不會影響定位結果，顯著提升了系統穩定性和適用範圍。

以上對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發明的實施方式之一，實際的結構並不局限於此。總而言之如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬於本發明的保護範圍。