CN104931055A - 一种基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法及其系统，该系统包括：支持蓝牙4.0的手机(操作系统不限)和基于SensorTag的防丢器。只需使用手机和SensorTag，安装App，做少许配置，通过手机与防丢器之间的通信确定是否丢失，利用防丢器的传感器进行微环境感知来制定防丢策略，使用手机端的加速度计、指南针和陀螺仪等设备进行用户轨迹追踪，从而逆向找回丢失的物品。整个过程无需用户有意识的参与，全部由系统自动进行，不会干扰到用户的任何行为。整个过程快速、有效，无需用户担心。该方法针对不同场合采用不同的方案，减少了设备成本，避免了不必要的噪声烦恼，也防止其他人听见报警后拿走物品，并且大大降低了寻找难度，增加了准确率。

Description

一种基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法及其系统

技术领域

本发明属于室内导航和可穿戴设备领域，特别涉及一种基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法及其系统。

背景技术

目前基于蓝牙的防丢设备成品有很多，基本上都是相同的原理和功能。比较典型的，功能较为齐全的。如Foxkn公司制作的Bluetooth 4.0Keep防丢设备，体积小巧，可挂在钥匙等其他物品上，手机安装Keep App，当Keep设备与手机之间的距离超过一个预设值时，手机与Keep端都会报警，比如响铃和Led灯闪烁。可设置的最大距离为30-50米。同时手机的GPS会记录报警时的地点，并在手机地图上显示出来。而且在Keep设备上还配置了摄像头和话筒，可以通过手机远程打开摄像头拍照和录音，增加提供寻找的信息。

但该产品存在较大的局限性，例如，在较为嘈杂和复杂的场所，用户难以听到设备的提示音，也看不到Led灯的闪烁，需要在一个最大方圆30-50米的范围内进行查找，耗时耗力。而有时用户并不希望防丢器报警，比如在安静的场所如办公室、图书馆等，较大的声音会打扰他人的工作和学习，引来不必要的烦恼；并且，如果丢失的是贵重物品，防丢器报警可能会引起其他路人的注意，见财起意，从而导致物品丢失。另一方面，GPS只能在室外的情况下，提供一个比较大的范围，而在室内不能起到精确定位的效果。而作为辅助的摄像头和话筒不仅难以起到应有的定位效果，而且会有侵犯他人隐私的顾虑。Keep的售价超过250元，价格昂贵。因此该类型的产品在实际的应用中存在着很多尚未解决问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，利用商用的Sensor Tag(配备有蓝牙4.0模块和多个传感器)，提供一种基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法及其系统，该方法针对不同场合采用不同的方案，减少了设备成本，避免了不必要的噪声烦恼，也防止其他人听见报警后拿走物品，并且大大降低了寻找难度，增加了准确率。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法，包括：

移动终端运行防丢程序App，并与基于SensorTag的防丢器配对；用户正常使用；

获取移动终端与防丢器之间距离M；

根据距离M与设置的防丢参数进行比较，所述防丢参数包括记录轨迹的距离d和最大报警距离D，d＞D；

当M≥d时，移动终端实时记录用户行走轨迹并显示轨迹；

当M＞D或者手动开启查找时，移动终端和防丢器作出防丢决策；用户根据防丢决策和行走轨迹反向寻找防丢器；

当用户手动重置防丢程序App时，删除存储的行走轨迹，重新开始正常使用。

作为本发明的进一步改进，所述行走轨迹通过以下步骤得到：

2.1)、计算行走步数

通过移动终端的加速度传感器检测出来人行走加速度计的波形，使用标准自相关函数检测出波形的数量，

第m个样本的标准自相关函数为：

$x(m,\mathrm{\τ})=\frac{\underset{k=0}{\overset{k=\mathrm{\τ}-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[(a(m+k)-\mathrm{\μ}(m,\mathrm{\τ}))(a(m+k+\mathrm{\τ})-\mathrm{\μ}(m+\mathrm{\τ},\mathrm{\τ}))\right]}{\mathrm{\τ\σ}(m,\mathrm{\τ})\mathrm{\σ}(m+\mathrm{\τ},\mathrm{\τ})}---\left(1\right)$

其中a(n)为信号，μ、σ分别为样本期望和样本标准差，τ为要求出的步数，利用最优化方法使x为最大值时取此时的τ值，即

φ(m)＝max(x(m,τ_max))           (2)

τ_max即为人行走的步数step；

每个人的步长设为pace，则人行走的路径为：

S＝pace*step；

2.2)、计算行走方向

通过移动终端的陀螺仪和指南针的旋转来检测移动终端此时的方向，指南针确定此时的全局方向：

$A_x\left(a\right)=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccc}1& & \\ & \cos a& \sin a\\ & -\sin a& \cos a\end{array}\right],A_y\left(a\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos a& & -\sin a\\ & 1& \\ \sin a& & \cos a\end{array}\right],A_z\left(a\right)=\end{array}\left[\begin{array}{ccc}\cos a& \sin a& \\ -\sin a& \cos a& \\ & & 1\end{array}\right]$

A_x(a)，A_y(a)和A_z(a)为分别绕x,y,z轴旋转a度的旋转矩阵，设得到的方向为direction；

2.3)、计算行走轨迹

根据行走的路径S和方向direction，移动终端可以利用如下公式在全局坐标系中画出人在离开防丢器到开始报警之间行走的轨迹L：

x^k＝x^k-1+(pace+δ)cos(α+θ+β)     (3)

y^k＝y^k-1+(pace+δ)cos(α+θ+β)      (4)

k表示第k步，x^k,y^k分别表示第k步在x和y上的偏转，δ纠正步长不均的影响，α为移动终端偏转的角度，可以通过陀螺仪的数据得到；θ是指南针的读数，表示当前的全局方位，β值作为磁场偏差和指南针错误校准。

作为本发明的进一步改进，在使用防丢器之前还包括存储配置文件中的特征值的步骤；配置文件中的特征值通过以下步骤得到：

3.1)训练样本：

移动终端APP利用GPS在地图上标记常去地点；以标记点为圆心的预设范围内均定义为固定地点；

在固定地点利用SensorTag上的配置加速度(x,y,z轴)、湿度、温度、磁场、大气压强传感器，分别提取湿度、温度、磁场强度和大气压强组成微环境特征F＝(H,T,B,P)；H、T、B、P分别为湿度、温度、磁场、大气压强参数值；用户在固定地点分别将防丢器放置1-3分钟，用来采集微环境特征值样本；

3.2)存入数据库配置文件：采集到的微环境特征值样本作为配置文件保存在移动终端本地数据库中。

作为本发明的进一步改进，所述的防丢决策包括以下三种：

4.1)移动终端显示轨迹并报警，SensorTag Led灯闪烁，移动终端根据微环境与GPS自动判定SensorTag是否报警；

4.2)移动终端显示轨迹并报警，SensorTag Led灯闪烁，SensorTag报警；

4.3)移动终端显示轨迹并报警，SensorTag Led灯闪烁，SensorTag不报警；

自动判定是指移动终端根据防丢器传回的当前微环境特征信息与配置文件中的特征值进行特征匹配，并作出是否报警，特征匹配判断为固定地点时，报警器不报警；判断为不在固定地点时，报警器报警。

作为本发明的进一步改进，所述特征匹配步骤具体为：

5.1)利用移动终端GPS初步判断固定地点

移动终端的GPS获取地理位置，若此时移动终端所在地理位置在配置文件中的标记地点的范围内，则初步认为移动终端处于固定地点，进入下一步微环境检测；若不在固定地点，则判断为不在固定地点；

5.2)当前微环境特征值与配置文件中的特征值进行特征匹配

将当前微环境特征值与配置文件中的特征值比较，如果接近，则认为防丢器处于固定地点，具体过程如下：

设第i个配置文件的特征值序列为F_i＝(H_i,T_i,B_i,P_i)，而当前特征值为f＝(h,t,b,p)，分别计算欧氏距离

D_i＝(|H_i-h|,|T_i-t|,|B_i-b|,|P_i-p|)

当D_i四个特征值分别小于阈值G_h,G_t,G_b,G_p时，则匹配成功，否则匹配不成功，查找下一个配置文件；如有n个配置文件，则一共重复n次，直到有一个匹配成功为止；若全部匹配失败，系统认为此时报警器不在固定地点。

作为本发明的进一步改进，距离M是通过移动终端与防丢器之间信号强度计算得到。

作为本发明的进一步改进，设置的防丢参数之前先进行距离校准，即从近到远的校准防丢器与移动终端之间的衰减参数；d设置在3-5米；D设置在15-25米。

一种基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航系统，包括：支持蓝牙的移动终端和基于SensorTag的防丢器；

移动终端，包括GPS、加速度传感器、陀螺仪、指南针、警报系统和防丢程序App，

防丢程序App包括数据处理单元、数据存储单元和显示单元；所述数据存储单元用于存储标记的固定地点和采集到的微环境特征值样本；所述数据处理单元，开启防丢程序App，实时调用GPS监测与防丢器之间的距离，调用加速度传感器、陀螺仪、指南针记录防丢过程中所走过的路径，控制警报系统；所述显示单元与数据处理单元连接显示轨迹图像；防丢程序App与用户交互；

防丢器，开启后实时与移动终端进行蓝牙通信；其包括防丢器处理单元、传感器、防丢器警报装置、数据传输单元和提示单元；所述防丢器处理单元通过数据传输单元与移动终端进行通信和连接，通过提示单元及防丢器警报装置与用户交互；传感器用于采集微环境数据，通过数据传输单元将微环境信息传输给移动终端。

防丢程序App的显示单元包括地图显示模块、防丢参数设置模块、防丢决策设置模块、查找防丢器模块和连接防丢器模块，地图显示模块用于显示行走轨迹；防丢参数设置模块用于设置记录轨迹的最远距离d和最大报警距离D；防丢决策设置模块用于设置不同的防丢决策；连接防丢器模块用于连接防丢器，查找防丢器模块用于直接控制防丢器报警。

所述蓝牙通信是蓝牙4.0通讯。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法，特别是基于SensorTag的微环境感知和轨迹追踪的方法，不增加额外的设备，只需使用现有的商用移动终端和SensorTag即可，由于蓝牙4.0的低功耗特性，越来越多的移动终端已经配备蓝牙4.0模块，因此本发明在使用平台上非常广泛。而与其他防丢器相比，可以描绘出搜索轨迹，画出用户从丢失到当前时刻的行走路线，让用户可以逆向沿轨迹寻找，大大降低了找寻物品的时间代价，提高了物品找回的概率。

进一步，本发明能够感知微环境从而自动设置报警策略，智能地解决了不同场所的使用问题，也防止其他人听见报警后拿走物品；

进一步，本方法可用于室外及室内的检测和导航，控制准确方便。可进行大致地理位置的定位及微环境数据的采集。

进一步，自动给判定固定地点，GPS用于初步判定，微环境检测用于最后的确定，需要结合两个结果，一方面匹配GPS的位置是否处于范围之内，另一方面匹配微环境是否符合，两者符合表明处于固定地点。

进一步，采用特征值匹配，尤其是欧氏距离的计算与匹配，匹配准确。

本发明的基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航系统，是一种基于SensorTag和室内导航的防丢检测导航系统。只需使用现有的商用移动终端和SensorTag，安装专门的App，做少许配置，通过移动终端与防丢器之间的通信确定是否丢失，利用防丢器的传感器进行微环境感知来制定防丢策略，使用移动终端的加速度计、指南针和陀螺仪等设备进行用户轨迹追踪，从而逆向找回丢失的物品。整个过程无需用户有意识的参与，全部由系统自动进行，不会干扰到用户的任何行为。整个过程快速、有效，无需用户担心。而本发明则转换思路，利用移动终端的微环境检测技术和轨迹追踪技术反向寻找蓝牙设备，既可以避免不必要的噪音，又可以在复杂、嘈杂环境以及室内的环境下帮助用户准确导航到蓝牙设备，并且只需使用移动终端的传感器，而无需在蓝牙设备端添加昂贵的摄像头和话筒，大大降低设备成本。

进一步，由于蓝牙4.0的低能耗特性，能够在实际使用过程中大幅度延长使用周期，由于价格低廉，成本低，因此能够在实际使用中长期提供低成本的检测任务。

附图说明

图1为基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航系统示意图；

图2为用户行走过程中的固定模式图。

图3为用户行走过程中移动终端加速度传感器的波形变化图。

图4为用户整个行走过程演示图。

图5为防丢程序App界面设计。

图6为基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法框图。

图7为移动终端App设置防丢参数流程框图。

图8为自动判断防丢策略的判断逻辑框图。

具体实施方式

本发明基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航系统，如图1所示，包括：支持蓝牙4.0的手机(操作系统不限)和基于SensorTag的防丢器。

支持蓝牙4.0的手机，包括数据处理单元、数据存储单元、提示单元和显示单元，用于存储用户的微环境信息，开启防丢器和防丢程序App，实时监测与防丢器之间的距离，调用多种传感器记录防丢过程中所走过的路径，控制警报系统，显示轨迹图像。

配置SensorTag的防丢器，支持蓝牙4.0传输，防丢器包括数据传输单元和提示单元。具备多个传感器和警报装置，开启后实时与手机进行蓝牙通信。防丢器通过数据传输单元与手机进行通信和连接，通过提示单元与用户交互。用户需随身携带手机，并将防丢器与贵重物品放置在一起。

如图5，防丢程序App的显示单元包括地图显示模块、防丢参数设置模块、防丢决策设置模块、查找防丢器模块和连接防丢器模块，地图显示模块用于显示行走轨迹；防丢参数设置模块用于设置记录轨迹的最远距离d和最大报警距离D；防丢决策设置模块用于设置不同的防丢决策；连接防丢器模块用于连接防丢器，查找防丢器模块用于直接控制防丢器报警。

其中，手机构建和存储用户的微环境信息，与用户进行交互，开启防丢器和防丢程序App，实时监测与防丢器之间的距离，调用多种传感器记录防丢过程中所走过的路径，控制警报系统，显示轨迹图像给用户。防丢器，支持蓝牙4.0传输，具备多个传感器和警报装置，开启后实时与手机进行蓝牙通信，将微环境信息传输给手机。

所述的手机端的防丢追踪需要以下技术的支持：

1、计算行走步数

每个人在行走的过程中会产生一个固定的重复的模式，如图2；该模式可以通过手机的加速度传感器检测出来，如图3。大量实验表明，无论手机所处姿态如何，其加速度计的波形都如2图所示，因此使用标准自相关函数检测出波形的数量，就可以得到人行走的步数step。

第m个样本的标准自相关函数为：

$x(m,\mathrm{\τ})=\frac{\underset{k=0}{\overset{k=\mathrm{\τ}-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[(a(m+k)-\mathrm{\μ}(m,\mathrm{\τ}))(a(m+k+\mathrm{\τ})-\mathrm{\μ}(m+\mathrm{\τ},\mathrm{\τ}))\right]}{\mathrm{\τ\σ}(m,\mathrm{\τ})\mathrm{\σ}(m+\mathrm{\τ},\mathrm{\τ})}---\left(1\right)$

其中a(n)为信号，μ、σ分别为样本期望和样本标准差。τ为要求出的步数。利用最优化方法使x为最大值时取此时的τ值，即

φ(m)＝max(x(m,τ_max))         (2)

τ_max即为人行走的步数step。

每个人的步长是一个恒定值，设为pace，则人行走的路径为

S＝pace*step；

2、计算行走方向

通过手机的陀螺仪和指南针的旋转来检测手机此时的方向，指南针确定此时的全局方向，但可能受到磁场的影响，需要加上一个校正值；而陀螺仪确定手机偏转的角度。然后利用重力方向将本地坐标转换为全局坐标。

$A_x\left(a\right)=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccc}1& & \\ & \cos a& \sin a\\ & -\sin a& \cos a\end{array}\right],A_y\left(a\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos a& & -\sin a\\ & 1& \\ \sin a& & \cos a\end{array}\right],A_z\left(a\right)=\end{array}\left[\begin{array}{ccc}\cos a& \sin a& \\ -\sin a& \cos a& \\ & & 1\end{array}\right]$

A_x(a)，A_y(a)和A_z(a)为分别绕x,y,z轴旋转a度的旋转矩阵。设得到的方向为direction。在计算方向之前，由于需要使用到指南针，而指南针容易受到外部磁场的影响，故此时建议先进行指南针校准。

3、计算行走轨迹

根据行走的路径S和方向direction，手机可以利用如下公式在全局坐标系中画出人在离开防丢器到开始报警之间行走的轨迹L：

x^k＝x^k-1+(pace+δ)cos(α+θ+β)     (3)

y^k＝y^k-1+(pace+δ)cos(α+θ+β)       (4)

k表示第k步，x^k,y^k分别表示第k步在x和y上的偏转。由于人行走过程中步长会有一定的变化，因此使用δ来纠正步长不均的影响。α为手机偏转的角度，可以通过陀螺仪的数据得到。θ是指南针的读数，表示当前的全局方位，但受到磁场的影响，该读数可能在室内不准，故使用β值作为磁场偏差和指南针错误校准。整个过程如图4所示。

轨迹得到之后在图5中的“地图”部分表示出来。

这种基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法，如图6所示，主要分为以下几个步骤：

一、手机与SensorTag对微环境采集阶段

1)利用手机GPS确定固定地点。

手机的GPS可以确定固定地点的大致地理位置，如家、办公室和图书馆等，手机APP利用GPS在地图上手动标记这些地方，当触发丢失事件时，判断GPS位置，若此时手机所在地点在地图标记地点方圆50米之内，则初步认为手机处于固定地点，进入下一步微环境检测。

2)利用SensorTag采集微环境数据

仅有GPS是不够的，因为在室内环境下GPS有时误差较大，甚至无法检测，这时需要利用SensorTag上的不同传感器感知微环境来辅助判断，SensorTag上配置有加速度(x,y,z轴)、湿度、温度、磁场、大气压强传感器，本发明在固定地点分别提取湿度、温度、磁场强度和大气压强组成微环境特征F＝(H,T,B,P)，每当触发丢失事件时，手机端匹配已收集的微环境特征判断寻找策略；

步骤2)还包括以下步骤(此步骤在使用防丢器之前设置)：

2.1)训练样本：用户在固定地点分别将防丢器放置1-3分钟，用来采集微环境特征值，放置的具体位置不作要求，但不能靠近微波率、电磁炉等影响磁场、温度的地方。保证数据不受干扰。

2.2)存入数据库配置文件：采集到的微环境特征值样本作为配置文件保存在手机本地数据库中。

2.3)特征匹配：若上一步中GPS位置匹配成功，则进行这一步。将当前微环境特征值与配置文件中的特征值比较，如果接近，则认为防丢器处于固定地点，此时报警器不报警。具体过程如下：

设第i个配置文件的特征值序列为F_i＝(H_i,T_i,B_i,P_i)，而当前特征值为f＝(h,t,b,p)，分别计算欧氏距离

D_i＝(|H_i-h|,|T_i-t|,|B_i-b|,|P_i-p|)

当D_i四个特征值分别小于阈值G_h,G_t,G_b,G_p时，则匹配成功，否则匹配不成功，查找下一个配置文件。如有n个配置文件，则一共重复n次，直到有一个匹配成功为止。若GPS匹配也成功，则认为此时报警器处于固定地点；若微环境配置文件全部匹配失败，系统认为此时报警器不在固定地点。

二、设置防丢参数阶段

3)设置开始记录轨迹的距离d

当SensorTag与手机之间的距离超过d时，手机利用加速度传感器、陀螺仪和指南针等设备开始记录用户行走的轨迹。

4)设置最大报警距离D

当SensorTag与手机之间的距离超过D时，手机记录并匹配GPS信息和微环境特征信息作出防丢决策。

其中，距离d和D需要做如下补充：

根据信号衰减模型，最近距离与最远距离往往误差较大，因此在设置距离之前最好先进行距离校准，即从近到远的校准防丢器与手机之间的衰减参数。d不应设置太小，以免手机端不断计算轨迹，使得耗电量急剧增加，建议设置在3-5米范围；D不应设置太大，以免在复杂环境下超出蓝牙最大传输范围从而无法将决策传达给防丢器。当前蓝牙4.0的最大传输距离为50米，而实际生活中的复杂环境导致往往20-30米信号就很弱，因此建议D的范围在20米左右。

5)设置防丢决策

此时可由用户自由设置防丢决策。如图7所示，主要分为以下几种策略：

1.手机显示轨迹并报警，SensorTag Led灯闪烁，手机根据微环境与GPS自动判定SensorTag是否报警

2.手机显示轨迹并报警，SensorTag Led灯闪烁，SensorTag报警

3.手机显示轨迹并报警，SensorTag Led灯闪烁，SensorTag不报警

手机的报警设置与手机默认设置相关，不在本发明的考虑范围之内。

自动判定是指移动终端根据防丢器传回的当前微环境特征信息与配置文件中的特征值进行特征匹配，并作出是否报警，特征匹配判断为固定地点时，报警器不报警；判断为不在固定地点时，报警器报警。具体判断如图8所示。

三、防丢与追踪阶段

6)开启SensorTag

由于蓝牙4.0的低能耗特性，SensorTag即使一直处于打开状态，一个电池就能保持数个月的使用时长。因此用户可以保持长期打开。

7)手机后台运行App，并与SensorTag配对

要想正常使用防丢器，手机必须具备蓝牙4.0模块，并保持蓝牙4.0处于开启状态，同时需要在后台运行防丢App，与SensorTag保持蓝牙连接，由于App只是保持蓝牙的运行，只有在超过一定距离的时候才计算轨迹，因此App后台运行并不耗电。

8)用户正常使用并进行日常活动

日常使用且未触发警报时，该发明主要使用的技术是蓝牙信号衰减模型，即蓝牙信号强度与距离成负相关，通过信号强度计算出蓝牙设备与手机端的距离，基于目前大部分防丢器都是基于该模型所设计，因此此技术不在本发明的创新之列，说明书不再赘述。

9)手机记录轨迹

当手机与防丢器之间的距离超过d时，手机调用加速度传感器、陀螺仪以及指南针，实时记录行走轨迹。

具体包括以下步骤：

9.1)计算行走步数

每个人在行走的过程中会产生一个固定的重复的模式，如图2；该模式可以通过手机的加速度传感器检测出来，如图3。大量实验表明，无论手机所处姿态如何，其加速度计的波形都如2图所示，因此使用标准自相关函数检测出波形的数量，就可以得到人行走的步数step。

第m个样本的标准自相关函数为：

$x(m,\mathrm{\τ})=\frac{\underset{k=0}{\overset{k=\mathrm{\τ}-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[(a(m+k)-\mathrm{\μ}(m,\mathrm{\τ}))(a(m+k+\mathrm{\τ})-\mathrm{\μ}(m+\mathrm{\τ},\mathrm{\τ}))\right]}{\mathrm{\τ\σ}(m,\mathrm{\τ})\mathrm{\σ}(m+\mathrm{\τ},\mathrm{\τ})}---\left(1\right)$

其中a(n)为信号，μ、σ分别为样本期望和样本标准差。τ为要求出的步数。利用最优化方法使x为最大值时取此时的τ值，即

φ(m)＝max(x(m,τ_max))          (2)

τ_max即为人行走的步数step。

每个人的步长是一个恒定值，设为pace，则人行走的路径为：

S＝pace*step；

9.2)计算行走方向

通过手机的陀螺仪和指南针的旋转来检测手机此时的方向，指南针确定此时的全局方向，但可能受到磁场的影响，需要加上一个校正值；而陀螺仪确定手机偏转的角度。然后利用重力方向将本地坐标转换为全局坐标。

$A_x\left(a\right)=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccc}1& & \\ & \cos a& \sin a\\ & -\sin a& \cos a\end{array}\right],A_y\left(a\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos a& & -\sin a\\ & 1& \\ \sin a& & \cos a\end{array}\right],A_z\left(a\right)=\end{array}\left[\begin{array}{ccc}\cos a& \sin a& \\ -\sin a& \cos a& \\ & & 1\end{array}\right]$

A_x(a)，A_y(a)和A_z(a)为分别绕x,y,z轴旋转a度的旋转矩阵。设得到的方向为direction。在计算方向之前，由于需要使用到指南针，而指南针容易受到外部磁场的影响，故此时建议先进行指南针校准。

9.3)计算行走轨迹

根据行走的路径S和方向direction，手机可以利用如下公式在全局坐标系中画出人在离开防丢器到开始报警之间行走的轨迹L：

x^k＝x^k-1+(pace+δ)cos(α+θ+β)     (3)

y^k＝y^k-1+(pace+δ)cos(α+θ+β)      (4)

k表示第k步，x^k,y^k分别表示第k步在x和y上的偏转。由于人行走过程中步长会有一定的变化，因此使用δ来纠正步长不均的影响。α为手机偏转的角度，可以通过陀螺仪的数据得到。θ是指南针的读数，表示当前的全局方位，但受到磁场的影响，该读数可能在室内不准，故使用β值作为磁场偏差和指南针错误校准。轨迹得到之后在图5中的“地图”部分表示出来。整个过程如图4所示。

10)开启查找或触发警报

当手机与防丢器之间的距离超过D或者手动开启查找时，手机调用GPS匹配当前位置与记录的固定地点位置，并通过防丢器传回的传感器数据匹配微环境特征值。从而做出5)处用户设置的防丢决策。

11)用户根据警报找回防丢器

12)自动重置，返回8)

当防丢器与手机的距离小于d或者用户手动重置时，此时系统认为用户找到了防丢器，于是删除掉存储的轨迹，回到8)重新开始。

综上所述，本发明的基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航系统，是一种基于SensorTag和室内导航的防丢检测导航系统。只需使用现有的商用手机和SensorTag，安装专门的App，做少许配置，通过手机与防丢器之间的通信确定是否丢失，利用防丢器的传感器进行微环境感知来制定防丢策略，使用手机端的加速度计、指南针和陀螺仪等设备进行用户轨迹追踪，从而逆向找回丢失的物品。整个过程无需用户有意识的参与，全部由系统自动进行，不会干扰到用户的任何行为。整个过程快速、有效，无需用户担心。由于蓝牙4.0的低能耗特性，能够在实际使用过程中大幅度延长使用周期，由于价格低廉，成本低，因此能够在实际使用中长期提供低成本的检测任务。

Claims (10)

1.一种基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法，其特征在于，包括：

移动终端运行防丢程序App，并与基于SensorTag的防丢器配对；用户正常使用；

获取移动终端与防丢器之间距离M；

根据距离M与设置的防丢参数进行比较，所述防丢参数包括记录轨迹的距离d和最大报警距离D，d＞D；

当M≥d时，移动终端实时记录用户行走轨迹并显示轨迹；

当M＞D或者手动开启查找时，移动终端和防丢器作出防丢决策；用户根据防丢决策和行走轨迹反向寻找防丢器；

当用户手动重置防丢程序App时，删除存储的行走轨迹，重新开始正常使用。

2.根据权利要求1所述的基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法，其特征在于，所述行走轨迹通过以下步骤得到：

2.1)、计算行走步数

通过移动终端的加速度传感器检测出来人行走加速度计的波形，使用标准自相关函数检测出波形的数量，

第m个样本的标准自相关函数为：

$x(m,\mathrm{\τ})=\frac{\underset{k=0}{\overset{k=\mathrm{\τ}-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[(a(m+k)-\mathrm{\μ}(m,\mathrm{\τ}))(a(m+k+\mathrm{\τ})-\mathrm{\μ}(m+\mathrm{\τ},\mathrm{\τ}))\right]}{\mathrm{\τ\σ}(m,\mathrm{\τ})\mathrm{\σ}(m+\mathrm{\τ},\mathrm{\τ})}---\left(1\right)$

其中a(n)为信号，μ、σ分别为样本期望和样本标准差，τ为要求出的步数，利用最优化方法使x为最大值时取此时的τ值，即

φ(m)＝max(x(m,τ_max))                         (2)

τ_max即为人行走的步数step；

每个人的步长设为pace，则人行走的路径为：

S＝pace*step；

2.2)、计算行走方向

通过移动终端的陀螺仪和指南针的旋转来检测移动终端此时的方向，指南针确定此时的全局方向：

$A_x\left(a\right)=\left[\begin{array}{cc}1& \\ \cos a& \sin a\\ -\sin a& \cos a\end{array}\right],A_y\left(a\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos a& -\sin a\\ 1& \\ \sin a& \cos a\end{array}\right],A_z\left(a\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos a& \sin a\\ -\sin a& \cos a\\ & 1\end{array}\right]$

A_x(a)，A_y(a)和A_z(a)为分别绕x,y,z轴旋转a度的旋转矩阵，设得到的方向为direction；

2.3)、计算行走轨迹

根据行走的路径S和方向direction，移动终端可以利用如下公式在全局坐标系中画出人在离开防丢器到开始报警之间行走的轨迹L：

x^k＝x^k-1+(pace+δ)cos(α+θ+β)        (3)

y^k＝y^k-1+(pace+δ)cos(α+θ+β)        (4)

k表示第k步，x^k,y^k分别表示第k步在x和y上的偏转，δ纠正步长不均的影响，α为移动终端偏转的角度，可以通过陀螺仪的数据得到；θ是指南针的读数，表示当前的全局方位，β值作为磁场偏差和指南针错误校准。

3.根据权利要求1所述的基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法，其特征在于，在使用防丢器之前还包括存储配置文件中的特征值的步骤；配置文件中的特征值通过以下步骤得到：

3.1)训练样本：

手机APP利用GPS在地图上标记常去地点；以标记点为圆心的预设范围内均定义为固定地点；

在固定地点利用SensorTag上的配置加速度(x,y,z轴)、湿度、温度、磁场、大气压强传感器，分别提取湿度、温度、磁场强度和大气压强组成微环境特征F＝(H,T,B,P)；H、T、B、P分别为湿度、温度、磁场、大气压强参数值；用户在固定地点分别将防丢器放置1-3分钟，用来采集微环境特征值样本；

3.2)存入数据库配置文件：采集到的微环境特征值样本作为配置文件保存在移动终端本地数据库中。

4.根据权利要求1所述的基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法，其特征在于，所述的防丢决策包括以下三种：

4.1)移动终端显示轨迹并报警，SensorTag Led灯闪烁，移动终端根据微环境与GPS自动判定SensorTag是否报警；

4.2)移动终端显示轨迹并报警，SensorTag Led灯闪烁，SensorTag报警；

4.3)移动终端显示轨迹并报警，SensorTag Led灯闪烁，SensorTag不报警；

自动判定是指移动终端根据防丢器传回的当前微环境特征信息与配置文件中的特征值进行特征匹配，并作出是否报警，特征匹配判断为固定地点时，报警器不报警；判断为不在固定地点时，报警器报警。

5.根据权利要求4所述的基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法，其特征在于，所述特征匹配步骤具体为：

5.1)利用移动终端GPS初步判断固定地点

移动终端的GPS获取地理位置，若此时移动终端所在地理位置在配置文件中的标记地点的范围内，则初步认为移动终端处于固定地点，进入下一步微环境检测；若不在固定地点，则判断为不在固定地点；

5.2)当前微环境特征值与配置文件中的特征值进行特征匹配

将当前微环境特征值与配置文件中的特征值比较，如果接近，则认为防丢器处于固定地点，具体过程如下：

设第i个配置文件的特征值序列为F_i＝(H_i,T_i,B_i,P_i)，而当前特征值为f＝(h,t,b,p)，分别计算欧氏距离

D_i＝(|H_i-h|,|T_i-t|,|B_i-b|,|P_i-p|)

当D_i四个特征值分别小于阈值G_h,G_t,G_b,G_p时，则匹配成功，否则匹配不成功，查找下一个配置文件；如有n个配置文件，则一共重复n次，直到有一个匹配成功为止；若全部匹配失败，系统认为此时报警器不在固定地点。

6.根据权利要求1所述的基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法，其特征在于，距离M是通过移动终端与防丢器之间信号强度计算得到。

7.根据权利要求1所述的基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航方法，其特征在于，设置的防丢参数之前先进行距离校准，即从近到远的校准防丢器与移动终端之间的衰减参数；d设置在3-5米；D设置在15-25米。

8.一种基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航系统，其特征在于，包括：支持蓝牙的移动终端和基于SensorTag的防丢器；

移动终端，包括GPS、加速度传感器、陀螺仪、指南针、警报系统和防丢程序App，

防丢程序App包括数据处理单元、数据存储单元和显示单元；所述数据存储单元用于存储标记的固定地点和采集到的微环境特征值样本；所述数据处理单元，开启防丢程序App，实时调用GPS监测与防丢器之间的距离，调用加速度传感器、陀螺仪、指南针记录防丢过程中所走过的路径，控制警报系统；所述显示单元与数据处理单元连接显示轨迹图像；防丢程序App与用户交互；

防丢器，开启后实时与移动终端进行蓝牙通信；其包括防丢器处理单元、传感器、防丢器警报装置、数据传输单元和提示单元；所述防丢器处理单元通过数据传输单元与移动终端进行通信和连接，通过提示单元及防丢器警报装置与用户交互；传感器用于采集微环境数据，通过数据传输单元将微环境信息传输给移动终端。

9.根据权利要求8所述的基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航系统，其特征在于，防丢程序App的显示单元包括地图显示模块、防丢参数设置模块、防丢决策设置模块、查找防丢器模块和连接防丢器模块，地图显示模块用于显示行走轨迹；防丢参数设置模块用于设置记录轨迹的最远距离d和最大报警距离D；防丢决策设置模块用于设置不同的防丢决策；连接防丢器模块用于连接防丢器，查找防丢器模块用于直接控制防丢器报警。

10.根据权利要求8所述的基于微环境感知的蓝牙防丢检测导航系统，其特征在于，所述蓝牙通信是蓝牙4.0通讯。