藍牙無線跟蹤定位系統及方法
2024-04-05 14:10:05 2
專利名稱：藍牙無線跟蹤定位系統及方法
技術領域：
本發明專利是一種無線跟蹤定位系統，尤其將藍牙(Bluetooth)技術引用到了其中。
背景技術：
目前市場上常見的無線跟蹤定位設備，通常是基於GPS、GSM、WCDMA等技術，其具有定位比較精確，覆蓋的區域範圍較大等優勢，但同樣也有成本高、功耗高等缺點，並不適用於小區域的無線跟蹤定位。
藍牙技術是一種點到多點的無線語音和數據傳輸技術，使用2.4GHz頻段。主要優勢是支持多個設備、具有一定的穿透性、全方向傳輸。藍牙技術中使用自適應快速跳頻技術，因而具有抗幹擾能力強、保密性好、通信質量穩定的優點，同時還具有低功耗、低成本、靈活安全和電磁汙染小等特點。藍牙所採用的前向糾錯技術和優化的編碼方式可使藍牙技術應用於各種惡劣的無線環境。藍牙協議是一個完整的綜合協議，其應用模式主要是將協議固化在晶片中，並內置於筆記本電腦及其他需要連線的智能化設備中，當然也可以把無線模塊直接嵌入到蜂窩手機或其他設備之中，應用控制方式相當便捷。藍牙技術的特點可以歸納為以下幾點
●全球範圍適用；●可同時傳輸語音和數據；●可以建立臨時性的對等連接；●具有很好的抗幹擾能力；●藍牙模塊體積很小，可以方便地集成到各種設備中；●低功耗；●開放的接口標準；藍牙技術標準和OSI一樣，在它的協議體系結構中使用了分層的方法，各層協議定義了所完成的功能和使用的數據分組格式。具體可以分為四層，分別為·核心協議射頻、基帶、LMP、L2CAP、SDP；·電纜替代協議RFCOMM；·電話傳送控制協議TCS二進位、AT命令集；·可選協議PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。
各層次的具體定義以及數據分組格式，請參考藍牙協議標準。
藍牙協議中規定了三種網絡拓撲結構，分別為點對點網絡拓撲結構、點對多點網絡拓撲結構和散射網網絡拓撲結構，在藍牙無線跟蹤定位系統中，我們選擇了點對多點網絡拓撲結構(詳見附圖1)。
隨著無線通信技術的發展，特別是數字通信技術的進步，無線產品性能和造價的比價更趨合理，所以，利用無線技術進行監控，跟蹤，定位成為現實。特別是藍牙(Bluetooth)技術的出現，為無線監控技術的推廣應用奠定了堅實的基礎。利用藍牙技術的產品，具有體積小，功耗低，造價低等特點，而且，在監控過程中允許被監控對象在一定範圍內移動，因此，可以利用藍牙技術對某些特殊場合(如礦井、車間、監獄等區域性場合)的人員進行實時定位跟蹤。在發生意外情況時，對人員的位置進行定位，為實時對意外事件處理採取應急措施，減小其危害程度起到非常重要的作用。特別在當前，我國政府對煤礦安全生產越來越重視，煤礦工人的生命安全越來越受到各界的廣泛關注，因此，對每一個礦工在井下的實際工作位置進行實時定位跟蹤是十分重要的。
藍牙技術的這些優勢，為其在小區域內的無線安全跟蹤定位的實際應用提供了條件。
發明內容
本專利的目的是提供一種無線跟蹤定位系統，為了解決成本高、功耗大和小區域定位的問題，本系統運用藍牙技術，具有技術先進、體積小、功耗小、造價低的特點，為小區域的無線跟蹤定位提供了前所未有的技術基礎。
在充分分析藍牙技術以及小區域無線跟蹤定位特點的基礎上，本專利提出了藍牙無線安全跟蹤定位系統方案，主要達到以下目的●利用主接入點設備對從節點設備進行跟蹤定位，提供從節點設備的活動範圍。
●主接入點設備負責將其監控範圍內的從節點設備的相關信息上報給監控中心。
●在發生異常情況時，從節點設備能主動和主接入點通信，並提供其區域範圍，由主接入點設備向監控中心發出報警信息。
●在監控中心，為相關的人員提供友好的顯示界面，讓工作人員能及時了解各個移動從節點設備的活動範圍。
●在監控中心資料庫中保存各個移動從節點設備的詳細活動軌跡，如進入主接入點的時間以及離開主接入點的時間。
●監控中心可根據目前各區域的狀況，向相應區域的從節點設備發送有關信息，以便及時通知相關人員採取相應的措施。
●監控中心和從節點之間可以進行雙向的語音通信。
●在發生危急情況時，搜救人員可以手持搜救設備進行搜救。搜救設備能夠搜索附近的從節點設備，並且能夠進行點對點的通信。
本專利所採取的技術方案如下藍牙無線跟蹤定位系統，，由主接入點設備、從節點設備、通信總線、監控中心和搜救設備組成，從節點設備附著在被跟蹤對象的表面或嵌入其內部，當一個新的從節點設備進入主接入點設備控制區域後，主接入點設備負責添加該從節點設備，並將相關信息上報給監控中心，當主接入點設備控制範圍內的某個從節點設備離開其控制區域後，主接入點設備要對其做出相應處理，並將信息上報給監控中心；另外，在發生異常情況時，從節點設備還可以主動請求和主接入點設備進行通信，將相關的異常信息及時地上報給監控中心，同時，監控中心和從節點之間能夠進行雙向的語音通信，以便監控中心的工作人員能及時地採取相應的措施；在監控中心，為用戶提供友好的用戶界面，能及時顯示各種當前信息，並對信息輕重情況進行分類，對異常情況給出報警提示；在發生危急情況時，搜救人員可以手持搜救設備進行搜救。搜救設備可以搜索附近的從節點設備，並且能夠進行點對點的通信；在找到攜帶從節點設備的人員後，可以將現場相關信息和人員狀態存入搜救設備的資料庫中，最終與監控中心的資料庫進行同步，上傳搜救結果。
系統各組成部分說明如下(1)從節點設備放置在被控制對象的表面或內部，與被監控對象物理集成為一體，具有以下功能a與主接入點設備進行無線信息交換；b報警被控制對象發生異常或電池電壓較低時報警；c電源實現外電源與可充電電池雙電源供電，具有低壓報警功能，外電源可由被監控對象或其它設備提供；d具有與監控中心進行雙向語音通信的功能。
(2)主接入點設備放置在監測區域適當的位置，能夠跟蹤到其覆蓋區域內的全部被監控對象(從節點設備)。
a主接入點設備中的藍牙模塊與從節點設備中的藍牙模塊實現無線連接，主接入點設備與監控中心通過總線相連；b在規定的時間內對從節點設備進行定位檢測；c及時將其控制區域內的從節點設備的工作情況上報給監控中心。
d當從節點和監控中心進行雙向語音通信時，主接入點充當橋梁作用，既要將從節點的語音數據通過總線傳送給監控中心，又要把監控中心的語音數據回應給從節點設備。
(3)通信總線a連接監控中心和主接入點的物理設備，例如線纜、中繼器、分線盒等；b通信總線負責傳輸監控中心與主接入點之間的數據信息和控制信息。
(4)監控中心a通過總線與主接入點相連接；b建立各個從節點設備位置信息的資料庫管理系統；c監控中心計算機界面能及時直觀顯示各個從節點設備的位置信息；
d在從節點設備發生異常情況時，具有報警顯示功能。
e根據需要，在監控中心可向相關區域下達相應的控制命令，並與從節點之間建立雙向語音通信。
(5)搜救設備手持式移動搜救設備，能夠跟蹤到其覆蓋區域內的全部被監控對象(從節點設備)。
a搜救設備中的藍牙模塊與從節點設備中的藍牙模塊實現無線連接；b搜救設備可以與從節點設備建立點對點的連接，從而對從節點進行跟蹤和定位；c搜救設備可以把指定的信息存入本地資料庫；d搜救設備的資料庫可以與監控中心的資料庫進行同步，下載人員信息，或者上傳搜救結果。
同時本系統還具有如下特點●系統的可靠性MAC層採用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，保證系統的可靠性。
●防幹擾、誤報藍牙採用快跳頻技術，具有抗幹擾性、抗噪聲、抗衰減和保密性能好等優點。
●對其它無線設備的影響小藍牙發射功率較低，因此對周圍其它無線設備影響很小。
●控制範圍的可調性可以通過選擇發射功率來調整主接入點設備的監控範圍。一般為10米～100米，滿足本系統要求。
綜上所述，藍牙(Bluetooth)無線跟蹤定位系統創新點如下●本無線跟蹤定位系統採用了藍牙(Bluetooth)無線通信技術，可自行選定控制對象、自行設定控制區域；可對單個目標和多個目標進行實時跟蹤定位，實用性強，使用靈活。
●本無線跟蹤定位系統的主接入點設備和從節點設備的體積都比較小，並且可實現全向無線通信，所以其使用靈活、方便。
●本無線跟蹤定位系統，採用了藍牙全向無線通信技術，可保證被控制對象具有一定的可移動性。
●本無線跟蹤定位系統，為藍牙在安全定位上的應用提供了完整的解決方案。
為了使本發明容易理解和實現，現在通過參考附圖進行說明，附圖中相似的附圖標記是指所有各個視圖中同樣的或功能相似的部件。這些附圖和下面的詳細說明一起被包含進來並形成說明書的一部分，以進一步解釋各種原理和優點，其中圖1是藍牙網絡拓撲結構圖，示意了點對點、點對多點和散射網這三種網絡拓撲結構；圖2是藍牙無線安全跟蹤定位系統框圖，所述系統包括從節點設備201，主接入點設備202，監控中心203，搜救設備204和通信總線205。
圖3是從節點設備框圖，從節點設備包括藍牙模塊301、天線302、微處理器303、供電電路304、電壓檢測裝置305和語音模塊306。
圖4是從節點設備程序流程圖。
圖5是主接入點設備框圖，主接入點設備包括藍牙模塊501、天線502、微處理器503、供電電路504和通信總線接口505。
圖6是主接入點設備程序流程圖。
圖7是搜救設備框圖，搜救設備包括藍牙模塊701、天線702、處理器703、顯示模塊704、供電電路705和PC同步模塊706。
圖8是監控中心框圖，監控中心設備包括顯示終端801、資料庫伺服器802、總線傳輸接口803、聲光報警裝置804和語音模塊805。
具體實施例方式
藍牙無線跟蹤定位系統，核心部分是主接入點設備和從節點設備兩個部分，兩者之間通過藍牙技術實現無線連接，兩者之間有效通信距離為10～100米。
藍牙無線跟蹤定位系統的主要技術指標為●單個主接入點設備能夠控制的從節點數目大於30個●單個主接入點設備監控從節點設備的活動範圍10～100米(半徑)●從節點的電池工作時間90天●環境溫度-10℃～50℃藍牙無線跟蹤定位系統的應用範圍為煤礦、監獄、特殊監控場所等小區域範圍的無線跟蹤定位。
參考圖2，藍牙無線跟蹤定位系統由從節點設備201，主接入點設備202，監控中心203，搜救設備204和通信總線205組成。各組成部分都是系統不可或缺的。
參考圖3，從節點設備是由藍牙模塊301、天線302、微處理器303、供電電路304、電壓檢測裝置305和語音模塊306組成。所述供電電路304包括充電池在內的掉電、充電保護電路，保證長期供電。當外電源可直接從被控物體獲取、且從節點設備接上外電源時，供電電路304可以由外電源供電，與外電源斷開時，供電電路304由內部可充電電池供電，可進行低電壓報警。所述藍牙模塊301符合IEEE802.15.1的要求，能及時地將被監控對象的位置信息上報給對應的主接入點設備，在發生異常情況時，能主動將異常信息及時上報給主接入點設備，從節點設備通過語音模塊306和監控中心進行雙向的語音通信。
參考圖4，從節點設備在上電後，首先完成初始化工作，包括設備標識號、發送功率等參數的設定。然後，將藍牙模塊設置為從節點模式，並進入正常工作狀態，等待主接入點的連接或者主動向主接入點發起連接。當系統產生通信事件時，從節點設備執行與主接入點設備的通信事件處理程序；當系統產生報警事件時，從節點設備執行報警事件處理程序。
參考圖5，主接入點設備是由藍牙模塊501、天線502、微處理器503、供電電路504和通信總線接口505組成，其電源直接從外電路上獲取。所述主接入點設備能實時地對從節點設備進行無線跟蹤定位，並能通過總線的方式與控制中心連接，及時地將從節點設備的相關位置信息和危急情況上報信息上報給監控中心，並將監控中心的信息返回給從節點設備。所述的一個主接入點設備可與從節點設備建立無線連接，可同時對多個甚至數十萬個被監控對象進行無線跟蹤定位。
參考圖6，主接入設備在上電後，首先完成初始化工作，包括設備標識號、發送功率等參數的設定。然後，將藍牙模塊設置為主節點模式，並進入正常工作狀態，向附近的從節點設備發起連接或者處理從節點設備向主接入點發起的連接請求。當系統產生無線通信事件時，主接入點設備執行與從節點設備的通信事件處理程序；當系統產生總線通信事件時，主接入點設備執行總線通信事件處理程序。
參考圖7，搜救設備是由藍牙模塊701、天線702、處理器703、顯示模塊704、供電電路705和PC同步模塊706組成。所述供電電路705包括可充電電池在內的掉電、充電保護電路，保證長期供電。在發生危急情況時，搜救人員可以手持搜救設備進行搜救。搜救設備能夠搜索附近的從節點設備，並且能夠進行點對點的通信。在找到佩戴從節點設備的人員後，可以將現場相關信息和人員狀態存入搜救設備的資料庫中，最終與監控中心的資料庫進行同步，上傳搜救結果。
參考圖8，監控中心由示終端801、資料庫伺服器802、總線傳輸接口803、聲光報警裝置804和語音模塊805組成。系統的監控中心採用資料庫管理和友好界面顯示的方式，能將各個監控對象的相關信息及時地顯示出來，並在需要的時候發出報警信息，提醒相關工作人員採取相應措施，根據需要，監控中心可向相關區域發送控制命令，並通過語音模塊805與從節點設備進行雙向的語音通信。
系統運行後，主接入點設備的藍牙模塊採用查詢及尋呼模式，與在其有效控制範圍內的從節點設備建立無線鏈路，形成一個星型網絡，星型網絡中一個主接入點設備能同時和多個從節點設備建立無線連接，在規定時間內主接入點設備要對其控制範圍內的從節點進行跟蹤定位，並能將相應的信息上報給監控中心。同時，主接入點設備能夠實時地添加進入其控制範圍內的從節點設備，將信息上報給監控中心；當從節點設備離開其控制範圍時，刪除該從節點信息，並向監控中心上報。從節點設備要能接收主接入點設備的添加請求信息，並能在規定的時間內通主接入點通信，及時地上報其位置信息。
監控中心負責完成對各個主接入點上報信息的接收和處理，並給管理人員提供友好的界面，讓管理人員能及時了解每個控制對象當前的位置信息和每個控制對象的狀態信息。當從節點設備主動發送報警信息，主接入點設備通過總線傳到監控中心後，監控中心的聲光報警裝置就會啟動。此時，監控中心的操作人員就要及時做出響應，並且和從節點設備進行雙向的語音通信，確認控制區域附近有險情發生後，向險情區域內的主接入點設備發送撤離信息，主接入點設備接收到撤離信息後，向控制範圍內的從節點設備廣播撤離信息，提示攜帶從節點設備的人員撤離。當險情解除後，監控中心的操作人員停止聲光報警裝置，並且向險情區域的主接入點設備發送撤離取消命令。
在發生危急情況時，搜救人員可以手持搜救設備進行搜救。搜救設備能夠搜索附近的從節點設備，並且能夠進行點對點的通信。在找到攜帶從節點設備的人員後，可以將現場相關信息和人員狀態存入搜救設備的資料庫中，最終與監控中心的資料庫進行同步，上傳搜救結果。
權利要求
1.藍牙無線跟蹤定位系統由主接入點設備、從節點設備、通信總線、監控中心和搜救設備組成，其特徵是從節點設備附著在被控制對象的表面或嵌入到其中，從節點設備、主接入點設備和搜救設備均具有藍牙模塊，所述從節點設備以無線通信方式與主接入點設備或搜救設備進行信息交換，主接入點設備利用通信總線與監控中心進行通信。
2.如權利要求1所述的藍牙無線跟蹤定位系統，其特徵是所述的從節點設備包括藍牙模塊、天線、微處理器、供電電路電壓檢測裝置和語音模塊，所述的從節點設備還包括蓄電池在內的掉電、充電保護電路；供電電路為藍牙模塊、微處理器和語音模塊供電，藍牙模塊通過天線接收和發送無線信號，微處理器處理藍牙模塊接收的信號，並把要發送的信號傳給藍牙模塊進行發送，電壓檢測裝置實時檢測電池電壓，在電壓低於門限值時，發出提示信號。
3.如權利要求2所述的藍牙無線跟蹤定位系統，其特徵是當外電源可直接從被控物體獲取、且從節點設備接上外電源時，從節點設備可以由外電源供電，與外電源斷開時，從節點設備由內部可充電電池供電，可進行低電壓報警。
4.如權利要求1所述的藍牙無線跟蹤定位系統，其特徵是所述的主接入點設備包括藍牙模塊、天線、微處理器、供電電路和通信總線接口，其電源直接從外電路上獲取；供電電路為藍牙模塊和微處理器供電，藍牙模塊通過天線接收和發送無線信號；微處理器處理藍牙模塊接收的信號，並把要發送的信號傳給藍牙模塊進行發送，另外，微處理器用通信總線接口與監控中心通信。
5.如權利要求1所述的藍牙無線跟蹤定位系統，其特徵是所述的搜救設備包括藍牙模塊、天線、處理器、顯示模塊、供電電路和PC同步模塊；供電電路為藍牙模塊、處理器和顯示模塊供電，藍牙模塊通過天線接收和發送無線信號；微處理器處理藍牙模塊接收的信號，並把要發送的信號傳給藍牙模塊進行發送，另外，微處理器用PC同步模塊與伺服器信息資料庫進行同步。
6.對目標對象進行定位跟蹤的方法，其特徵在於所述方法應用了藍牙技術。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵是所述的一個主接入點設備可與多個從節點設備同時建立無線連接，實現同時對多個被監控對象的實時控制和跟蹤，其方式如下當一個新的從節點設備進入主接入點設備控制區域，主接入點設備負責添加該從節點設備，並將相關信息上報給監控中心，當主接入點設備控制範圍內的某個從節點設備離開了其控制區域，主接入點設備要對其做出相應處理，並將信息上報給監控中心；另外在發生異常情況時，從節點設備還可以主動請求和主接入點設備進行通信，將相關的異常信息及時地上報給監控中心，並且能夠與監控中心進行雙向的語音通信，以便控制中心的工作人員能及時地採取相應的措施；在監控中心，為用戶提供友好的用戶界面，能及時顯示各種當前信息，並對信息輕重情況進行分類，對異常情況給出報警提示。
全文摘要
本發明給出了一種藍牙無線跟蹤定位系統，由於藍牙技術具有技術先進、體積小、功耗小、成本低等特點，可支持多個設備、具有一定的穿透性、全方向數據傳輸，採用自適應跳頻技術，具有較強的抗幹擾能力，可實現對小區域範圍內多個節點的實時控制。該系統由從節點設備201，主接入點設備202，監控中心203，搜救設備204和通信總線205組成(見附圖)，從節點設備以無線通信方式同主接入點設備或搜救設備進行信息交換，主接入點設備與監控中心採用通信總線相互連接，搜救設備可以與伺服器信息資料庫進行同步，從而上傳或下載人員信息。
文檔編號G01S5/02GK101022293SQ20071006293
公開日2007年8月22日 申請日期2007年1月22日 優先權日2007年1月22日
發明者蔣挺, 施炯, 趙成林 申請人:北京郵電大學