CN105516904A

CN105516904A - 一种基于小基站和蓝牙的室内融合定位方法及系统

Info

Publication number: CN105516904A
Application number: CN201510990747.0A
Authority: CN
Inventors: 姚英彪; 陈新; 严军荣; 潘鹏
Original assignee: Sunwave Communications Co Ltd
Current assignee: Sunwave Communications Co Ltd
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: CN105516904B

Abstract

本发明提供一种基于小基站和蓝牙的室内融合定位方法及系统，所述方法步骤如下：步骤1：智能终端进入室内定位系统并开启定位服务，智能终端扫描周围小基站和蓝牙信标；步骤2：智能终端向定位服务器发送定位请求；步骤3：定位服务器响应智能终端的定位请求；步骤4：标有位置信息的室内地图显示在智能终端上。其系统包括：智能终端、小基站、蓝牙信标和定位服务器。本发明有益的效果：可实现快速确定室内定位场景，加快室内定位服务的响应时间，然后利用蓝牙信标实现高精度的室内定位，可以解决不同场景的室内定位需求，从而降低提供室内定位服务的成本。

Description

一种基于小基站和蓝牙的室内融合定位方法及系统

技术领域

本发明涉及室内定位领域，具有涉及一种基于小基站和蓝牙的室内融合定位方法及系统。

背景技术

随着人民生活水平的逐步提高和无线通信技术的不断进步，人们对室内定位与导航的需求日益增大，尤其是在复杂的室内环境中，如机场大厅、展厅、超市、停车场等，常常迫切需要确定移动终端在室内的位置信息。此外，随着国内智慧城市的兴起，也激发了对室内定位的需求。因此，开展室内定位技术研究及相关产品开发具有很好的市场应用前景和经济、社会效益。

典型的室内定位技术有：蓝牙、超宽带、惯性传感器、WIFI、RFID、移动通信网络、ZigBee等等。但是大多数的方法均不能直接应用在手机上，必须通过专用的手持设备才能实现，实用性不强，且精度也受到一定限制。例如，基于UWB的室内定位虽然精度达亚米级甚至厘米级，但UWB难以实现大范围室内覆盖，且手机不支持UWB，定位成本非常高。基于WiFi的室内定位虽然很好在智能手机上实现，但其三维定位能力弱，且精度不高(1～10米)。ZigBee定位产品主要用于工业的传感领域和智能家居方面；移动通信系统的定位服务虽然都是面向手机定位，但其定位精度非常低，其应用非常有限。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，而提供一种基于小基站和蓝牙的室内融合定位方法及系统，能够帮助智能手机用户实现用户可感知位置的室内三维定位。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。本发明公开的基于小基站和蓝牙的智能手机室内融合定位方法，包括以下步骤：

步骤1、智能终端搜索周围蓝牙信标和小基站的信号，记录小基站的ID(识别号)，蓝牙信标的ID和RSSI(信号强度)；

步骤2、智能终端将搜索到的至少1个蓝牙信标和1个小基站后，将记录的信息通过TCP/IP上传到定位服务器，请求定位服务，并启动定时器等待定位服务器的响应；

步骤3、定位服务器收到定位服务请求后，按以下步骤进行响应定位服务请求：

步骤301、根据小基站ID查询小基站数据库，得到小基站的坐标和蓝牙信标所属数据库名；

步骤302、根据蓝牙信标ID查询对应蓝牙信标数据库，得到蓝牙信标所在楼层及其二维坐标；

步骤303、根据蓝牙信标节点的RSSI，利用下面公式估计智能终端和蓝牙信标之间的距离d；

d = d_{0} * 10^{(P_{r, d B} (d_{0}) + P_{T} - P_{R}) / 10 * n_{p}}

上式中，d₀为参考距离，d为智能终端和蓝牙信标之间的距离，P_r,dB(d₀)是在距离蓝牙信标d₀处的路径损耗，n_p为路径损耗常数，P_T和P_R为发送功率和接收功率，d₀、P_r,dB(d₀)、n_p和P_T都是预设的参数，P_R用RSSI进行测量；

步骤304、根据蓝牙信标数量采用不同方法确定智能终端的二维坐标位置。如果蓝牙信标数量少于3个，采用质心定位算法计算智能终端的二维坐标；否则，采用多边定位算法计算智能终端的二维坐标；

其中，质心定位算法计算公式为：

x = \frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} x_{j}, y = \frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} y_{j}, j = 1, 2, ..., n

上式中，n为智能终端扫描的蓝牙信标节点个数，(x_j,y_j)为蓝牙信标的二维坐标，(x,y)为智能终端的定位坐标。

多边定位算法计算公式为：

X＝(A^TA)^-1A^TB

其中

A = - 2 [\begin{matrix} x_{1} - x_{n} & y_{1} - y_{n} \\ x_{2} - x_{n} & y_{2} - y_{n} \\ . & . \\ . & . \\ . & . \\ x_{n - 1} - x_{n} & y_{n - 1} - y_{n} \end{matrix}], X = [\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}], B = [\begin{matrix} d_{1}^{2} - d_{n}^{2} + x_{n}^{2} - x_{1}^{2} + y_{n}^{2} - y_{1}^{2} \\ d_{2}^{2} - d_{n}^{2} + x_{n}^{2} - x_{2}^{2} + y_{n}^{2} - y_{2}^{2} \\ . \\ . \\ . \\ d_{n - 1}^{2} - d_{n}^{2} + x_{n}^{2} - x_{n - 1}^{2} + y_{n}^{2} - y_{n - 1}^{2} \end{matrix}]

上式中，n为智能终端扫描的蓝牙信标节点个数，(x_j,y_j)为蓝牙信标的二维坐标，(x,y)为智能终端的定位坐标，d_i为智能终端到蓝牙信标的估计距离。

步骤305、定位服务器将完整的定位坐标体系及该点周围的室内地图反馈给智能终端。

步骤4、智能终端如果在定时时间以内收到定位服务器的响应后，APP内显示当前位置的室内地图，并标注用户所在位置，结束本次定位服务；否则，提示定位失败，等待用户的下步操作指令。

本发明还提供的基于小基站和蓝牙的智能手机室内融合定位系统，其包括：智能终端、小基站、蓝牙信标和定位服务器组成；其中，所述的智能终端指支持低功耗蓝牙的设备，且需要在设备上安装室内定位服务APP，在定位系统中是定位服务的发起者和接收者；所述的小基站指移动通信系统用于室内信号覆盖的smallcell，在定位系统中给智能手机提供数据业务链路和辅助定位作用；所述的蓝牙信标指支持低功耗蓝牙(蓝牙4.0)协议的蓝牙基站，在定位系统中蓝牙信标以固定功率广播自己的ID(识别号)，给智能终端提供参考定位坐标；所述的定位服务器由定位服务软件和数据库组成，定位服务软件负责响应智能终端的定位服务请求，计算智能终端的位置；数据库负责记录小基站和蓝牙基站的位置坐标，以及每个场景的特征参数，它主要由1张小基站位置表、多张蓝牙信标位置表组成。

所述的基于小基站和蓝牙的智能手机室内融合定位系统的定位坐标体系为“应用场景(大楼)+楼层+房间，二维坐标”。

本发明的有益的效果在于：利用蓝牙信号穿透性衰减大的特点，实现三维的室内定位覆盖，且三维坐标体系是用户可感知的坐标体系，即用户非常清楚自己所在的室内位置；利用小基站少的特点，快速确定室内定位场景，加快室内定位服务的响应时间，然后利用蓝牙信标实现高精度的室内定位；多场景的室内定位覆盖，即一个定位服务器入口，可以解决不同场景的室内定位需求，从而降低提供室内定位服务的成本。

附图说明

图1为本发明所述系统的组成框图；

图2为本发明所述方法的流程图；

图3为具体实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1，其为本发明的一种基于小基站和蓝牙的室内融合定位系统组成框图，其包括：智能终端a、小基站b(本实施例中为Smallcell)、蓝牙信标c和定位服务器d组成；其中，所述的智能终端a指支持低功耗蓝牙的设备，且需要在设备上安装室内定位服务APP，在定位系统中是定位服务的发起者和接收者；所述的小基站b指移动通信系统用于室内信号覆盖的smallcell，在定位系统中给智能手机提供数据业务链路和辅助定位作用；所述的蓝牙信标c指支持低功耗蓝牙(蓝牙4.0)协议的蓝牙基站，在定位系统中蓝牙信标以固定功率广播自己的ID(识别号)，给智能终端提供参考定位坐标；所述的定位服务器d由定位服务软件和数据库组成，定位服务软件负责响应智能终端的定位服务请求，计算智能终端的位置；数据库负责记录小基站和蓝牙基站的位置坐标，以及每个场景的特征参数，它主要由1张小基站位置表、多张蓝牙信标位置表组成。

如图2所示，其为本发明的一种基于小基站和蓝牙的室内融合定位方法流程图。

如图3所示，其为本发明所述系统的一个优选实施例的组成框图。在本实施例中，有两个定位场景，分别是A楼和B楼，下面以移动终端M1为例，详细说明本发明的具体实施方式。

1.M1在发起定位请求服务后，扫描自己周围小基站和蓝牙信标信号，如图3所示，它可以收到小基站C1和蓝牙信标B11，B12，B13和B14的信号。

2.M1将扫描到的信号打包成一个数据包，通过小基站C1提供的数据链路将这个数据包发送到定位服务器，并启动定时器T。

数据包格式为：{类型，小基站个数，每个小基站的编码和RSSI值，蓝牙信标个数，每个蓝牙信标的编码和RSSI，循环冗余校验码CRC}，数据包每1项都是固定长度。在本例中，该数据包为{1，1，C1，RSSI_C1，4，B11，RSSI_B11，B12，RSSI_B12，B13，RSSI_B13，B14，RSSI_B14，CRC}，此处我们规定1代表定位请求服务。

3.定位服务器收到M1的数据包后，先解析数据包，然后开始响应M1的定位请求，具体过程如下：

301根据小基站ID查询数据库中的小基站表，得到C1在A楼，且C1下面的蓝牙信标的表索引为I1，此时可以知道M1在A楼；

302根据蓝牙信标ID查询数据库中的蓝牙信标表I1，得到B11到B14在A楼3层，且其对应的二维坐标，此时可以知道M1在A楼3层；

303利用M1上报的数据包中的RSSI值，根据下面公式估计M1距每个蓝牙信标的距离d；

d = d_{0} * 10^{(P_{r, d B} (d_{0}) + P_{T} - P_{R}) / 10 * n_{p}}

304根据302步得到的蓝牙信标的二维坐标和303步得到的M1距每个蓝牙信标的距离d_i，采用多边测量法计算M1的二维坐标，此时可以知道M1在A楼3层及具体的二维坐标；

此例中，此时A、X、B分别为

A = - 2 [\begin{matrix} x_{11} - x_{14} & y_{11} - y_{14} \\ x_{12} - x_{14} & y_{12} - y_{14} \\ x_{13} - x_{14} & y_{13} - y_{14} \end{matrix}], X = [\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}], B = [\begin{matrix} d_{1}^{2} - d_{4}^{2} + x_{14}^{2} - x_{11}^{2} + y_{14}^{2} - y_{11}^{2} \\ d_{2}^{2} - d_{4}^{2} + x_{14}^{2} - x_{12}^{2} + y_{14}^{2} - y_{12}^{2} \\ d_{3}^{2} - d_{4}^{2} + x_{14}^{2} - x_{13}^{2} + y_{14}^{2} - y_{13}^{2} \end{matrix}]

因此，X＝(A^TA)^-1A^TB。

305定位服务器将完整的定位坐标及该点周围的室内地图反馈给M1。

4.在M1定时器T的定时时间以内，M1收到定位服务器的响应，APP内显示当前位置的室内地图，并标注用户所在位置，结束本次定位服务。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种基于小基站和蓝牙的智能手机室内融合定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、智能终端搜索周围蓝牙信标和小基站的信号，记录小基站的ID，蓝牙信标的ID和RSSI；

d = d_{0} * 10^{(P_{r, d B} (d_{0}) + P_{T} - P_{R}) / 10 * n_{p}}

步骤304、根据蓝牙信标数量采用不同方法确定智能终端的二维坐标位置；如果蓝牙信标数量少于3个，采用质心定位算法计算智能终端的二维坐标；否则，采用多边定位算法计算智能终端的二维坐标；

其中，质心定位算法计算公式为：

x = \frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} x_{j}, y = \frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} y_{j}, j = 1, 2, ..., n

上式中，n为智能终端扫描的蓝牙信标节点个数，(x_j,y_j)为蓝牙信标的二维坐标，(x,y)为智能终端的定位坐标；

多边定位算法计算公式为：

X＝(A^TA)^-1A^TB

其中

A = - 2 [\begin{matrix} x_{1} - x_{n} & y_{1} - y_{n} \\ x_{2} - x_{n} & y_{2} - y_{n} \\ . & . \\ . & . \\ . & . \\ x_{n - 1} - x_{n} & y_{n - 1} - y_{n} \end{matrix}], X = [\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}], B = [\begin{matrix} d_{1}^{2} - d_{n}^{2} + x_{n}^{2} - x_{1}^{2} + y_{n}^{2} - y_{1}^{2} \\ d_{2}^{2} - d_{n}^{2} + x_{n}^{2} - x_{2}^{2} + y_{n}^{2} - y_{2}^{2} \\ . \\ . \\ . \\ d_{n - 1}^{2} - d_{n}^{2} + x_{n}^{2} - x_{n - 1}^{2} + y_{n}^{2} - y_{n - 1}^{2} \end{matrix}]

上式中，n为智能终端扫描的蓝牙信标节点个数，(x_j,y_j)为蓝牙信标的二维坐标，(x,y)为智能终端的定位坐标，d_i为智能终端到蓝牙信标的估计距离；

步骤305、定位服务器将完整的定位坐标体系及该点周围的室内地图反馈给智能终端；

2.一种基于小基站和蓝牙的智能手机室内融合定位系统，其特征在于，所述系统包括：智能终端、小基站、蓝牙信标和定位服务器；其中，所述的智能终端指支持低功耗蓝牙的设备，且需要在设备上安装室内定位服务APP，在定位系统中是定位服务的发起者和接收者；所述的小基站指移动通信系统用于室内信号覆盖的smallcell，在定位系统中给智能手机提供数据业务链路和辅助定位作用；所述的蓝牙信标指支持低功耗蓝牙协议的蓝牙基站，在定位系统中蓝牙信标以固定功率广播自己的ID，给智能终端提供参考定位坐标；所述的定位服务器由定位服务软件和数据库组成，定位服务软件负责响应智能终端的定位服务请求，计算智能终端的位置；数据库负责记录小基站和蓝牙基站的位置坐标，以及每个场景的特征参数，其由1张小基站位置表、多张蓝牙信标位置表组成。