CN103995249A - 一种确定目标物位置的无线通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术在移动过程中测定目标位置。本发明提出确定目标物位置的无线通信方法和系统，解决目标物防丢功能精度低、速度慢、安全性差、成本高等问题。本发明的系统包含主机和子机，主机包含蓝牙模块、处理器模块、移动传感器、报警器和定位显示器，子机包含蓝牙模块。本发明的方法是通过传感器信号计算得出主机的三个轨迹点坐标；利用蓝牙RSSI技术得到各个轨迹点与子机之间的距离，超出安全距离时发出安全告警提示、启动目标跟踪，计算子机坐标。若子机运动，则增加主机轨迹点采样率，并利用KALMAN滤波对采样结果进行修正以提高定位精度。本发明安全性高，定位时间短，寻找物品快、定位精度高、实现简单，市场规模大。

Description

一种确定目标物位置的无线通信系统和方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及无线通信技术用在移动过程中测定目标位置的技术。

背景技术

要对重要目标物(物品、或人员)希望进行安全的保护，比如钱包、手提包等贵重物品、儿童、老人等重要人员。特别是对于生活在大都市的白领，以及高端商务人士，因为工作、生活的压力，注意力往往被其它事务占据，有可能对身边的看管物失去警觉。希望有一个处理中心能帮助、确保所携带或看护的重要目标安全，目的是要在重要目标物超出安全距离时能立即发现、并触发报警跟踪目标移动，实现该目标物重新获取。

目前市面上的看护功能电子产品主要有两大类，一类是利用蓝牙技术实现距离测量，并通过报警声获知物品位置的标贴类产品；另一类则是利用GPS、AGPS、北斗等导航功能进行定位的产品，如360电子手环。

利用蓝牙技术实现距离测量，此类产品的原理框图如图1所示，由主机和防丢子机构成，主机与防丢子机之间基于蓝牙协议(例如蓝牙4.0)进行无线通信，以通信时的信号强度(RSSI)为参考，再运用滤波算法，最终测量出主机与防丢子机之间的距离。根据用户设定的报警条件发出报警。通过手机或防丢子机上的按键可以控制对方发出声音，达到寻找的目的。

该技术的缺点如下：只能测试物品与参照物之间的直线距离，无法实现坐标的定位。蓝牙4.0的测距技术，对于室内的信道估计很难特别准确，因此定位精度较差，定位误差可达10米以上，不易于对于定位物品的快速找寻。通过报警声音的方式进行双向寻找，在闹市等不利环境下声音传播容易被干扰；在物品被盗的场景下仅靠报警声实现定位，定位子机很容易被摘除、破坏而导致定位寻找失败。所以此方案的安全性较差。

GPS、AGPS或北斗定位技术，靠卫星实现定位。GPS、AGPS类产品本身是用于户外远距离导航系统的，可以用于定位物品防护功能，其基本原理和手机定位软件一致，为了提高位置精度，需要利用无线通信模块辅助内部的GPS芯片捕获准确的目标物(人员、物品)位置。

该技术存在以下缺点：定位时间长，靠卫星实现坐标定位搜星时间长，对于短距离快速移动的目标会因定位时间较长而导致定位速度慢且定位不准确。功耗高，工作电流在10mA甚至几十mA以上，需要频繁更换电池，不利于室外的携带。成本昂贵，除导航功能外，还要具备需要无线通信功能模块；由于向运营商缴费，使用维护成本较高。

因此，需要一种安全性好、成本低且工作快速的方案，解决现有技术方案存在的问题。

发明内容

本发明提出确定目标物位置的无线通信方法和系统，可以实现目标物防丢功能，本发明将传感器技术和蓝牙技术高效结合，并利用多点定位技术等平滑算法实现短距离准确定位功能，解决现有技术方案精度低、速度慢、安全性差、成本高等问题。

本发明确定目标物位置的无线通信系统，包含主机1和子机2，所述子机2安装于所述目标物，所述主机1包含第一蓝牙模块11、处理器模块12、移动传感器13、报警器14和定位显示器15；所述子机2包含第二蓝牙模块21；所述第一蓝牙模块11和第二蓝牙模块21之间通过符合蓝牙协议的无线通信接口信号a相连接。

所述处理器模块12和所述第一蓝牙模块11通过第一接口信号s1相连接；所述处理器模块12和所述定位显示器15通过第二接口信号s2相连接；所述处理器模块12和所述移动传感器13通过第三接口信号s3相连接。

所述第一蓝牙模块11接收到所述无线通信信号a，输出信号强度信息(RSSI)，所述信号强度信息包含在所述第一接口信号s1中；所述处理器模块11根据所述信号强度信息计算所述主机1和所述子机2之间的距离；当所述距离超过安全距离时，所述处理器模块11触发所述报警器14发出用户感官可识别的信号。

所述移动传感器13中包含加速度传感器和速度传感器，所述移动传感器13输出所述第三接口信号s3，包含所述主机1的加速度和角加速度信息；所述处理器模块12运用所述加速度和角加速度信息计算得到所述主机1的坐标。

所述处理器模块12根据所述主机1在多个测量点(例如V1、V2、V3)的坐标、及所述主机在所述多个测量点根据所述信号强度信息计算得到所述距离(例如D1、D2、D3)，计算得出所述子机2的位置坐标；所述处理器模块12输出第二接口信号s2包含所述子机位置坐标的信息，通过所述定位显示器15发出用户感官可识别的信号。

本发明确定目标物位置的无线通信方法，包含以下步骤：

通过对主机移动传感器13中包含的加速度传感器和速度传感器输出信号进行二次积分，分别得出定位过程中主机的三个轨迹点的坐标；

利用蓝牙系统的RSSI测量技术，得到各个轨迹点与子机之间的距离。当子机与主机轨迹点的距离超过安全距离时，则发出安全告警提示；

如果告警后需要启动目标跟踪，则利用主机的三个轨迹点与子机之间的距离，采用三点定位法计算出子机的坐标；

当所述用三点定位法得到的位置发生较大误差时，则判断为子机运动，则增加主机的轨迹点采样率，用多于三点的定位方法计算子机的坐标，并利用KALMAN滤波对采样结果进行修正，使定位精度提高。

本发明方法和系统实现物品防护或人员监护的有益效果是：直接定位到目标位置，无需采用声音报警方式搜寻目标，安全性高。结合移动传感器和蓝牙技术、三点定位法准确捕获目标位置，定位时间短，寻找物品快。尤其在移动传感器结合蓝牙4.0技术时，定位精度高，精度可以达到5米左右。若进一步采用平滑算法，还会提高定位精度。本发明的方案实现简单，主要就是终端侧升级软件，而在目标物体上附着小型的标贴即可。市场规模大，中国有20％的白领人数，至少存在每年3亿左右的市场规模。全球大部分具备加速度传感器和陀螺仪的手机用户都是此类发明所涵盖的潜在用户。

附图说明

图1是现有技术基于蓝牙的定位方案原理图

图2是本发明确定目标物位置的无线通信系统装置图

图3是基于运动传感器的三点轨迹坐标法示意图

图4是确定目标物位置的无线通信方法流程图

图5是不考虑子机移动时确定目标物位置的无线通信方法的实施例

图6是确定目标物位置的无线通信方法子机移动校正实施例

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

图2是本发明确定目标物位置的无线通信系统装置图。本发明包含主机1和子机2，所述子机2安装于所述目标物，所述主机1包含第一蓝牙模块11、处理器模块12、移动传感器13、报警器14和定位显示器15；所述子机2包含第二蓝牙模块21；所述第一蓝牙模块11和第二蓝牙模块21之间通过符合蓝牙协议的无线通信接口信号a相连接。

所述处理器模块12和所述第一蓝牙模块11通过第一接口信号s1相连接；所述处理器模块12和所述定位显示器15通过第二接口信号s2相连接；所述处理器模块12和所述移动传感器13通过第三接口信号s3相连接。

所述第一蓝牙模块11接收到所述无线通信信号a，输出信号强度信息(RSSI)，所述信号强度信息包含在所述第一接口信号s1中；所述处理器模块11根据所述信号强度信息计算所述主机1和所述子机2之间的距离；当所述距离超过安全距离时，所述处理器模块11触发所述报警器14发出用户感官可识别的信号。

所述移动传感器13中包含加速度传感器和速度传感器，所述移动传感器13输出所述第三接口信号s3，包含所述主机1的加速度和角加速度信息；所述处理器模块12运用所述加速度和角加速度信息计算得到所述主机1的坐标。

所述处理器模块12根据所述主机1在多个测量点(例如V1、V2、V3)的坐标、及所述主机在所述多个测量点根据所述信号强度信息计算得到所述距离(例如D1、D2、D3)，计算得出所述子机2的位置坐标；所述处理器模块12输出第二接口信号s2包含所述子机位置坐标的信息，通过所述定位显示器15发出用户感官可识别的信号。

作为本发明优化的实施例，所述主机1是一个具备蓝牙功能的手机或穿戴设备。

作为本发明优化的实施例，所述子机2是包含蓝牙模块的标贴、挂饰或其他载体。

作为本发明优化的实施例，所述蓝牙模块11，21及所述符合蓝牙协议的无线通信信号，是按照蓝牙4.0技术实现的。利用蓝牙4.0将广播信道减少到3个并缩短RF开启时间实现低功耗性能，以及优化编码和调制技术将传播距离提升到100m的特点，将其作为便携式目标物体贴件与主机的通讯技术。作为本发明的实施例，运用蓝牙4.0技术实现短距离测量，功耗较低。传统蓝牙设备的待机耗电量大，这是由于传统蓝牙技术采用16～32个频道进行广播，而低功耗蓝牙即蓝牙4.0规范则只需要采用3个广播通道，且每次广播时射频的开启时间也由传统的22.5ms减少到0.6～1.2ms。

图3是基于运动传感器的三点轨迹坐标法示意图。当在室外移动过程中，携带主机的人会经历三个轨迹点(如图3所示测量点V1、测量点V2、测量点V3)，此时利用重力传感器和加速度传感器可以获得三个坐标值V1(X1，Y1)、V2(X2，Y2)、V3(X3，Y3)，具体方法如下：以测量点V1作为参考坐标原点，然后利用加速度传感器和角速度传感器输出的数据，来计算出主机另外的两个参考坐标，具体方法如下：

$V\left(t\right)={\∫}_0^{t}A\left(\mathrm{\ζ}\right)\mathrm{d\ζ}$       公式1

$d\left(T\right)={\∫}_0^{T}V\left(t\right)\mathrm{dt}$          公式2

$\mathrm{\α}\left(t\right)={\∫}_0^t\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ζ}\right)\mathrm{d\ζ}$         公式3

$\mathrm{\θ}\left(T\right)={\∫}_0^T\mathrm{\α}\left(t\right)\mathrm{dt}$           公式4

其中A()为加速度传感器测试出的加速度；()为角速度传感器测试出的角加速度；V(t)表示主机移动的速度；d(t)表示主机移动的距离；(t)表示主机移动的角速度；(t)表示主机移动的角度。通过对加速度和角速度分别进行二次积分则可以计算出直线位移和角位移，进而计算出实际的准确位移坐标。

由公式1～4，设定主机经过测量点V1的时刻为T1＝0，经过测量点V2的时刻为T2，经过测量点V3的时刻为T3，则可以算出：

X2＝d(T2)×cos[(T2)]，Y2＝d(T2)×sin[(T2)]

X3＝d(T3)×cos[(T3)]，Y3＝d(T3)×sin[(T3)]

得到三个点的位置坐标后，根据在三个点V1、V2、V3的RSSI信号测试与目标相对距离D1、D2、D3，利用三点定位，分别以V1、V2、V3为中心，以对应的距离D1、D2、D3为半径的三个圆周曲线的交点V0即子机所在的位置。假定主机的3个实际位置为V1(0，0)、V2(0.75，0.75)、V3(2.5，2.5)，子机的实际坐标为V0(30，30)，单位为米；假设速度/加速度传感器得到的位置误差约为0.5米，RSSI测距误差为7米以内，传感器测到的三个主机位置为VM1(0，0)、VM2(1，1)、VM3(2，2)，计算三个主机与子机的距离分别为 则通过这三个坐标便可以得到子机的位置坐标在VM0(26.8，26.8)，与实际的坐标误差距离为4.48。

如图4所示，确定目标物位置的无线通信方法包含以下步骤：

步骤S1、对移动传感器13中包含的加速度传感器和速度传感器输出信号进行二次积分，分别获取定位过程中主机的三个轨迹点的坐标。

步骤S2、利用蓝牙系统的RSSI测量技术，得到轨迹点与子机之间的距离。当子机与主机轨迹点的距离超过安全距离时，则发出安全告警提示。

步骤S3、如果告警后需要启动目标跟踪，则利用主机的三个轨迹点与子机之间的距离，采用三点定位法计算出子机的坐标。

在上述过程中若子机运动，则在所述用三点定位法得到的位置发生较大误差。为实现子机移动条件下的位置校正，本发明的方法在图4所示步骤S1～S3基础上，进一步包含：

步骤S4、当所述用三点定位法得到的位置发生较大误差时，则判断为子机运动，则增加主机的轨迹点采样率，用多于三点的定位方法计算子机的坐标，并利用KALMAN滤波对采样结果进行修正，使定位精度提高。

主机发现子机运动的方法是误差筛选法，即当采用三点定位算法后所获得的子机位置后，计算位置误差(第四点通过蓝牙RSSI信号强度计算出的距离D4，第四点坐标结合前三点定位计算的子机坐标所计算出的距离D4'，位置误差为两者之间的差值D4-D4'的绝对值)，当误差超过设定范围(例如10米)，则认定为子机在移动。

在第四点判断为子机移动后，启动快速跟踪子机运动的轨迹测量策略。具体方法是：提高主机位置的采样精度，比如原有三点时按照每1秒1个采样点实现主机采样，则此时将主机采样速率提高到0.75秒每个采样点，进而启动四点定位算法(就是用四个点与子机的距离去拟合估算子机的位置，理论上点数越多平滑效果越好、估算越准确，当然算法复杂度也会高)，利用四点与目标距离已知的方式继续推算子机的位置V0；当第五点后继续用相邻四点推算，然后基于此相邻轨迹点，不断迭代，并通过KALMAN滤波对新的定位坐标进行滤波，得出子机的轨迹；当所述位置误差回归设定范围(例如10米)内后，再转为三点定位法。

图5是在不考虑子机移动时确定目标物位置的无线通信方法优化的实施例，与图4所示工作方法的步骤相对应，具体说明如下。

步骤S1进一步包含：

S101、选取轨迹点V1，通过RSSI测试子机与V1的距离D1；选取轨迹点V2，通过RSSI测试子机与V2的距离D2；选取轨迹点V3，通过RSSI测试子机与V3的距离D3；转步骤S201。

S102、选取新的轨迹点V3'，并计算出准确坐标，根据RSSI得出D3'；将原有的轨迹点更新，即取值V1＝0，D1＝D2；V2＝V3-V2，D2＝D3；V3＝V3'-V2，D3＝D3'；转步骤S201。

步骤S2进一步包含：

S201、判断D3是否大于安全距离，如果是则转步骤S301，否则转步骤S102。

步骤S3进一步包含：

S301、判断是否收到定位指令，是则转步骤S302，否则转步骤S102。

S302、按照三点定位法确定子机所在位置区域，然后基于V3得出子机相对于V3点的坐标值；转步骤S102(如图5)、或转步骤S401(如图6)。

图6是确定目标物位置的无线通信方法实现子机移动校正的实施例，与图4所示工作方法的步骤相对应，步骤S4进一步包含：

S401、选取第N+1个主机坐标点V(N+1)，测试V(N+1)与接收到的RSSI估计出V(N+1)与子机的距离D(N+1)；用前面三点估算出的子机坐标V0，计算V0与V(N+1)的距离D(N+1)'；转步骤S402。

S402、误差检测，判断|D(N+1)-D(N+1)'|是否大于设定范围，是则转步骤S403；否则转步骤S401。

S403、提高主机的采样频率为原来的(N+1)/N倍，利用第N+1点一起对子机位置进行估算(N为上一次选定的主机点数)；若N+1>4，则启动KALMAN滤波对第N+1点位置进行滤波；根据N+1点主机位置与子机之间的距离估算子机位移坐标，后续采样点数更新为N+1点，取值N＝N+1；转步骤S401。

S404、判断检测所用点数N是否大于3？是则转步骤S405，否则转步骤S102。

S405、根据N-1点主机位置与子机之间的距离估算子机位移坐标，后续采样点数更新为N-1点，取值N＝N-1；转步骤S401。

Claims (8)

1.一种确定目标物位置的无线通信系统，包含主机和子机，所述子机安装于所述目标物，其特征在于，

所述主机包含第一蓝牙模块、处理器模块、移动传感器、报警器和定位显示器；所述子机包含第二蓝牙模块；所述第一蓝牙模块和第二蓝牙模块之间通过符合蓝牙协议的无线通信接口信号相连接；

所述处理器模块和所述第一蓝牙模块通过第一接口信号相连接；所述处理器模块和所述定位显示器通过第二接口信号相连接；所述移动传感器和所述处理器模块通过第三接口信号相连接；

所述第一蓝牙模块接收到所述无线通信信号，输出信号强度信息，所述信号强度信息包含在所述第一接口信号中；所述处理器模块根据所述信号强度信息计算所述主机和所述子机之间的距离；当所述距离超过安全距离时，所述处理器模块触发所述报警器发出用户感官可识别的信号；

所述移动传感器中包含加速度传感器和速度传感器，所述移动传感器输出所述第三接口信号，包含所述主机的加速度和角加速度信息；所述处理器模块运用所述加速度和角加速度信息计算得到所述主机的坐标；

所述处理器模块根据所述主机在多个测量点的坐标、及所述主机在所述多个测量点根据所述信号强度信息计算得到所述距离，计算得出所述子机的位置坐标；所述处理器模块输出第二接口信号包含所述子机位置坐标的信息，通过所述定位显示器发出用户感官可识别的信号。

2.如权利要求1所述确定目标物位置的无线通信系统，其特征在于，所述主机是一个具备蓝牙功能的手机或穿戴设备。

3.如权利要求1所述确定目标物位置的无线通信系统，其特征在于，所述子机是包含蓝牙模块的标贴、挂饰或其他载体。

4.如权利要求1所述确定目标物位置的无线通信系统，其特征在于，所述第一蓝牙模块，第二蓝牙模块、及所述符合蓝牙协议的无线通信信号，按照蓝牙4.0技术实现。

5.一种确定目标物位置的方法，用于权利要求1～4任一项所述无线通信系统，其特征在于，包含以下步骤：

通过对主机中移动传感器中包含的加速度传感器和速度传感器输出信号进行二次积分，分别得出定位过程中主机的三个轨迹点的坐标；

利用蓝牙系统的RSSI测量技术，得到各个轨迹点与子机之间的距离，当子机与主机轨迹点的距离超过安全距离时，则发出安全告警提示；

如果告警后需要启动目标跟踪，则利用主机的三个轨迹点与子机之间的距离，采用三点定位法计算出子机的坐标。

6.如权利要求5所述确定目标物位置的方法，其特征在于，还包含以下步骤：当所述用三点定位法得到的位置发生较大误差时，则判断为子机运动，则增加主机的轨迹点采样率，用多于三点的定位方法计算子机的坐标，并利用KALMAN滤波对采样结果进行修正，使定位精度提高。

7.一种确定目标物位置的方法，用于权利要求1～4任一项所述无线通信系统，其特征在于，包含以下步骤：

S101、选取轨迹点V1，通过RSSI测试子机与V1的距离D1；选取轨迹点V2，通过RSSI测试子机与V2的距离D2；选取轨迹点V3，通过RSSI测试子机与V3的距离D3；转步骤S201；

S102、选取新的轨迹点V3'，并计算出准确坐标，根据RSSI得出D3'；将原有的轨迹点更新，即取值V1＝0，D1＝D2；V2＝V3-V2，D2＝D3；V3＝V3'-V2，D3＝D3'；转步骤S201；

S201、判断D3是否大于安全距离，如果是则转步骤S301，否则转步骤S102；

S301、判断是否收到定位指令，是则转步骤S302，否则转步骤S102；

S302、按照三点定位法确定子机所在位置区域，然后基于V3得出子机相对于V3点的坐标值。

8.如权利要求7所述确定目标物位置的方法，其特征在于，还包含以下步骤：

S401、选取第N+1个主机坐标点V(N+1)，测试V(N+1)与接收到的RSSI估计出V(N+1)与子机的距离D(N+1)；用前面三点估算出的子机坐标V0，计算V0与V(N+1)的距离D(N+1)'；转步骤S402；

S402、误差检测，判断|D(N+1)-D(N+1)'|是否大于设定范围，是则转步骤S403；否则转步骤S401；

S403、提高主机的采样频率为原来的(N+1)/N倍，利用第N+1点一起对子机位置进行估算，其中N为上一次选定的主机点数；若N+1>4，则启动KALMAN滤波对第N+1点位置进行滤波；根据N+1点主机位置与子机之间的距离估算子机位移坐标；后续采样点数更新为N+1点，取值N＝N+1；转步骤S401；

S404、判断检测所用点数N是否大于3？是则转步骤S405，否则转步骤S102；

S405、根据N-1点主机位置与子机之间的距离估算子机位移坐标，后续采样点数更新为N-1点，取值N＝N-1；转步骤S401。