CN106303954B - 一种基于区域定位判别算法的蓝牙自助导游装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区域定位判别算法的蓝牙自助导游装置，是应用于由n个展位构成的一个展区中；蓝牙自助导游装置包括：m×n个蓝牙广播设备和游客佩戴的便携导游设备；m≥3；即每个展位布置m个蓝牙广播设备；便携导游设备包括：蓝牙收发单元、音频解码单元、音频存储单元、处理器；通过三边定位测量算法对蓝牙信号进行定位处理，得到便携设备所在的展区坐标，再利用区域定位判别算法对蓝牙信号进行判断处理，得到便携设备所在的精确展位。本发明能根据游客位置的变化，提供及时的导游信息，从而实现智能化和自动化的自助导游服务。

Description

一种基于区域定位判别算法的蓝牙自助导游装置

技术领域

本发明涉及无线通信和室内定位领域，具体的说是一种基于区域定位判别算法的蓝牙自助导游装置。

背景技术

随着人们生活的富足，旅游已经成为人们日常生活中一种较为常见的的娱乐放松方式。一直以来，博物馆和科技馆等文化传播基地的是人们旅游的热门地点，而在博物馆和科技馆里，一定的讲解必不可少。传统的讲解方式以导游人工口述为主，但导游人数有限且人工解说成本较高。

为了满足游客的导游需求和出于节约人力的考虑，开发自助导游装置是一种合理的解决方案。目前，部分博物馆已经开始逐步使用自动解说器来替代人工讲解。调查发现，现有的解说器大多需要人手工按键控制，并不能实现完全意义上的自动解说，因此在提倡智能化、自动化的今天并不能让满足实际需求。

低功耗蓝牙技术是蓝牙技术的最新版本，即蓝牙4.0，是蓝牙3.0的升级版本，该技术拥有极低的运行和待机功耗，并且成本低，有较好的设备交互性，可以实现完全的向下兼容，将传统蓝牙技术、高速技术和低功耗技术结合为一体。

室内定位常用的算法包括有到达时间(Time ofArrival，简称TOA)定位算法，到达时间差(Time Difference of Arrival)定位算法和基于接收强度指示符(ReceivedSignal Strength Identification，RSSI)的定位算法等，将测量的度量值转换为距离或方位。

基于RSSI的定位算法的基本原理是，发送端广播蓝牙信号，在距离发送端距离d₀的接收端接收到发送端的信号时，根据无线信号中的接收强度指示符，得到距离d时的RSSI，距离d和d₀的RSSI，可以式(1)转换得出发送端与接收端的距离：

三边定位测量算法的基本原理是基于RSSI信号强度指示符，选择三个或三个以上的广播信号参考点，根据参考点的坐标和接收端接收到的每个广播参考点RSSI和坐标解算出接收点的相对坐标。

三边定位算法提出年代久远，根据RSSI定位精度偏低，难以适用在展点分辨要求较高，实时识别游客精确展点的自助导游系统之中。尤其是在展点的边缘处的定位，误差较大，难以精确对游客位置进行实时的识别。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的不足之处，提供一种基于区域定位判别算法的蓝牙自助导游装置，以解决现有电子导游设备智能度低，定位识别不精确，成本较高的问题，并自动确定游客的位置信息，根据游客位置的变化，提供及时的导游信息，从而实现智能化和自动化的自助导游服务。

本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明一种基于区域定位判别算法的蓝牙自助导游装置的特点是应用于由n个展位构成的一个展区中；以所述展区的外接矩形的一个顶点设为原点O，将所述原点O的两条邻边分别设置为X轴和Y轴，从而构成坐标系XOY；

所述蓝牙自助导游装置包括：m×n个蓝牙广播设备和游客佩戴的便携导游设备；m≥3；

在每个展位内布置m个所述蓝牙广播设备；所述便携设备包括：蓝牙收发单元、音频解码单元、音频存储单元、处理器；

在所述坐标系XOY中，所述蓝牙收发单元接收到任意展位内的蓝牙广播设备发送的蓝牙信号并传递给所述处理器；所述蓝牙信号包括：蓝牙广播设备的坐标、设备标识和信号强度；

所述处理器通过三边定位测量算法对所述蓝牙信号进行定位处理，得到便携设备所在的坐标；并根据所述便携设备所在的坐标确定相应的展位；当所述便携设备所在展位处于多展位交接区域时，再利用区域定位判别算法对蓝牙信号进行判断，得到所述便携设备所在的精确展位；

所述处理器根据便携设备所在的精确展位从所述音频存储单元中读取相应展位的解说音频信息并利用所述音频解码单元进行解码后播报；从而实现蓝牙自助导游功能。

本发明所述的基于区域定位判别算法的蓝牙自助导游装置的特点也在于：所述区域定位判别算法是按如下步骤进行：

步骤1、将所接收到的蓝牙信号，记为X＝{X₁,X₂,…,X_i,…,X_I}；X_i表示第i个蓝牙广播设备发送的蓝牙信号；1≤i≤I≤m×n；并有：X_i＝{D_i,M_i,RSSI_i}；D_i＝(x_i,y_i)表示第i个蓝牙广播设备的坐标；M_i由展位号与MAC地址组成，表示第i个设备标识；RSSI_i表示第i个蓝牙广播设备的信号强度；

步骤2、判断I个设备标识{M₁,M₂，…,M_i，…,M_I}各自所在的展位并进行统计，将展位内的设备标识唯一最多的展位作为便携设备所在的精确展位；若展位内的设备标识数量相同，则表示所述便携设备处于多展位交接区，并执行步骤3；

步骤3、将设备标识数量相同的展位各自所包含的信号强度进行降序排序，并组成一个二维数组；数组的行向量为每个展位自身所有的信号强度；数组的列向量为不同展位各自的信号强度；依次比较数组中的列向量；直到选出列向量中信号强度的最大值所在的展位作为所述便携设备的精确展位；若无法选出，则表示所述便携设备处于相应展位的交界点。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明由游客佩戴的轻量级便携导游设备和覆盖展区的多个蓝牙广播设备构成，采用了低功耗蓝牙技术(Bluetooth Low Energy,BLE)、三边定位测量算法(TrilaterationAlgorithm)和区域定位判别算法，为自助导游装置提供展点定位和精确的展点识别功能。

2、本发明运行精简智能。现有的电子导游设备大多需要游客在离开展点时进行手动更换导游信息，这样就在游览的过程中增加了许多不便，当游客在一个展点忘记打开更换，就会导致游客的游览体验下降。本发明只需要佩戴导游装置，即可实现自动识别展点，并实时向游客进行导游语音播报，运行精简智能。

3、本发明构建成本低廉。相较于传统的电子导游设备，省去了运营管理的成本，一旦将设备布置好了之后直接带上就可以自动播报导游语音，省去了人工运行的成本，节约了导游人力。

4、本发明定位精确。相对于传统的室内定位方法，本发明采用了在三边定位测量算法的基础上结合了区域判别算法，减少了在多展点边缘结合处出现的定位误差，使定位和区域判别更精确。

5、本发明体积小能耗低。采用低功耗蓝牙技术，能耗是传统蓝牙的十分之一，而且可以更快速地搜索到设备的蓝牙信号。同时，硬件设计采用极小的贴片式电子元件节省了体积。

6、本发明抗干扰能力强。低功耗蓝牙技术支持自适应跳频，可以最大程度地减少和其他2.4Ghz ISM无线技术的串扰，有较强的健壮性，所有数据包都使用24-bit CRC校验，确保最大程度抵御外界信号干扰。以上这些特性可以使采用低功耗蓝牙技术的设备以适应恶劣的无线环境，达到数据传输和定位的功能。

附图说明

图1为本发明蓝牙自助导游装置的结构示意图；

图2为本发明三边测量定位算法的原理图；

图3为本发明展区按展点划分示意图；

图4为本发明区域判别算法的一种情况原理图；

图5为本发明区域判别算法的另一种情况原理图；

图6为本发明区域判别算法的第三种情况原理图；

图7为本发明导游装置工作流程图；

图8为本发明导游装置硬件原理图。

具体实施方式

本实施例中，一种基于区域定位判别算法的蓝牙自助导游装置，是应用于由n个展位构成的一个展区中；以展区的外接矩形的一个顶点设为原点O，将原点O的两条邻边分别设置为X轴和Y轴，从而构成坐标系XOY；将展区按坐标划分成n个展位，每个展位都有对应于坐标系XOY的坐标区间；

蓝牙自助导游装置包括：m×n个蓝牙广播设备和游客佩戴的便携导游设备；m≥3；参见图1和图7，游客佩戴导游装置进入展位时，便携装置接收到蓝牙广播设备的设备标识、坐标信息和信号强度RSSI，之后通过三边定位测量算法和区域判别算法判别游客所处的精确展位，如果游客停留在展位则使硬件处理器播报导游语音信息。当游客离开展点的进入下一个展点的时候，重复上述过程。在本实施例中，同一个展位内放置的蓝牙广播设备数量m＝3，如图3所示。

在每个展位内布置m个蓝牙广播设备，由于每个蓝牙广播设备的标识具有唯一性，用于与特定的展位ID相对应，用以判别所处展位；如图8所示硬件原理图，便携设备包括：蓝牙收发单元、音频解码单元、音频存储单元、处理器等单元，同时硬件部分还设计有稳压模块保障硬件部分的供电电压的稳定性，提升系统的安全性。；由m个蓝牙广播设备构建覆盖展区的蓝牙广播信号，当开启蓝牙广播设备后，进入工作状态，广播设备以一定的时间间隔，向其有效辐射范围内，广播蓝牙信号。

在展区坐标系XOY中，便携设备的蓝牙收发单元接收到任意展位内的蓝牙广播设备发送的蓝牙信号并传递给所述处理器；蓝牙信号包括：蓝牙广播设备的坐标、设备标识和信号强度；蓝牙广播设备的坐标信息用于三边定位测量算法来计算便携设备的坐标，设备标识信息和信号强度用于区域定位判别算法，判断便携设备的精确展位。

当同一个展位内放置的蓝牙广播设备数量m＝3，处理器通过三边定位测量算法对蓝牙信号进行定位处理，根据无线信号接收强度指示符RSSI，通过式(2)转换得出蓝牙广播设备与便携设备的距离：

为了便于表达，取d₀为1m,于是可得式(3)：p(d)_dBm＝A-10nlg(d)，把p(d)_dBm写成RSSI的形式得到RSSI_N＝A-10nlg(d_N)，其中A为相距1m时便携设备接收到的无线信号强度RSSI的值，n为环境干扰系数。

如图2所示，D为便携设备所在的位置，A、B、C、是接收到的来自展位的三个蓝牙广播设备，D_x1D_y1表示A广播设备的x坐标和y坐标，d₁表示由公式RSSI_N＝A-10nlg(d_N)计算而来的蓝牙广播设备到便携设备的距离。2、3表示接收到的来自B、C个广播设备的信号；d₂d₃表示由式(3)转化得到的B、C两点到便携设备的距离。图2中还给出了环境干扰系数的经验公式。构建方程组如下：

该方程为非线性方程组，简化后可得线性方程组AX＝b，其中X＝[x,y]^T；

解算游客的坐标[x,y]。根据便携设备所在的坐标确定相应的展位；当便携设备所在展位处于多展位交接区域时，三边定位测量算法的计算结果可能存在误差，导致定位得到的展位出现错误，在这种情况下，利用区域定位判别算法对蓝牙信号进行判断，得到便携设备所在的精确展位；

处理器根据便携设备所在的精确展位从音频存储单元中读取相应展位的解说音频信息并利用音频解码单元进行解码后播报；从而实现蓝牙自助导游功能。

具体实施中，区域定位判别算法是按如下步骤进行：

步骤1、将便携设备所接收到的蓝牙信号集合，记为X＝{X₁,X₂,…,X_i,…,X_I}；X_i表示第i个蓝牙广播设备发送的蓝牙信号；1≤i≤I≤m×n；蓝牙广播设备发送的信号内容用符号标识来表示：X_i＝{D_i,M_i,RSSI_i}；D_i＝(x_i,y_i)表示第i个蓝牙广播设备的坐标；M_i由展位号与MAC地址组成，表示第i个设备标识；RSSI_i表示第i个蓝牙广播设备的信号强度；其中蓝牙广播设备的坐标D_i用于三边定位测量算法，RSSI_i经由式(2)可以计算的到蓝牙广播设备到便携设备的距离，设备标识M_i用于区域定位判别算法，用以识别便携设备所在的精确展位。

步骤2、判断I个设备标识{M₁,M₂，…,M_i，…,M_I}各自所在的展位并进行统计，将展位内的设备标识唯一最多的展位，即接收到来自同一展位发送的蓝牙广播设备数量最多，作为便携设备所在的精确展位；若展位内的设备标识数量相同，则表示便携设备处于多展位交接区，并执行步骤3；

由步骤2可知，当便携设备接收到来自多个展位的蓝牙广播设备信号时，若接收到的来自某一展位的广播设备信号数量最多时，结合三边定位测量算法求得的坐标，若坐标处于数量最多的展位的坐标区间，则判断便携设备处于该展位。如图4所示，便携设备接收到来自第一个展位的设备标识M₁,M₂,M₃,接收到第二个展位的设备标识M₄,M₅，接收到的第三个展位的设备标识M₆，此时将接收到的广播设备信号数量最多的第一个展位作为精确展位。

步骤3、将设备标识数量相同的展位各自所包含的信号强度进行降序排序，并组成一个二维数组；数组的行向量为每个展位自身所有的信号强度；数组的列向量为不同展位各自的信号强度；依次比较数组中的列向量；直到选出列向量中信号强度的最大值所在的展位作为便携设备的精确展位；若无法选出，则表示便携设备处于相应展位的交界点。

由步骤3可知，区域定位判别算法是对三边定位测量算法存在的定位误差进行纠正，当便携设备接收到来自不同展位的蓝牙广播信号，若其中两个数量相同，同时三边定位测量算法测算出的坐标处于有误差的坐标区间，这时，按来自同一展位将信号强度降序排序，并按展位的不同排成数组，并按从大到小的顺序依次比较。取信号强度最大的蓝牙广播设备所在的展位作为精确展位。若每个信号强度对应依次都相等，则判定处于多个展位的交接处。

如图5、图6所示，在图5中，便携设备虽然可以接收到来自第一和第二个展位的三个广播信号，根据区域定位判别算法所示，将信号强度排序后，来自第一个展位的最大信号强度RSSI₁比较于来自第二个展位的最大信号强度RSSI₂要大，则认为便携设备处于第一展位。在图6中来自第一展位和第二展位的三个信号强度对应相等，此时，认为处于两个展位的交界处。

Claims (1)

1.一种基于区域定位判别算法的蓝牙自助导游装置，其特征是应用于由n个展位构成的一个展区中；以所述展区的外接矩形的一个顶点设为原点O，将所述原点O的两条邻边分别设置为X轴和Y轴，从而构成坐标系XOY；

所述蓝牙自助导游装置包括：m×n个蓝牙广播设备和游客佩戴的便携导游设备；m≥3；

在每个展位内布置m个所述蓝牙广播设备；所述便携设备包括：蓝牙收发单元、音频解码单元、音频存储单元、处理器；

在所述坐标系XOY中，所述蓝牙收发单元接收到任意展位内的蓝牙广播设备发送的蓝牙信号并传递给所述处理器；所述蓝牙信号包括：蓝牙广播设备的坐标、设备标识和信号强度；

所述处理器通过三边定位测量算法对所述蓝牙信号进行定位处理，得到便携设备所在的坐标；并根据所述便携设备所在的坐标确定相应的展位；当所述便携设备所在展位处于多展位交接区域时，再利用区域定位判别算法对蓝牙信号进行判断，得到所述便携设备所在的精确展位；

所述区域定位判别算法是按如下步骤进行：

步骤1、将所接收到的蓝牙信号，记为X＝{X₁,X₂,…,X_i,…,X_I}；X_i表示第i个蓝牙广播设备发送的蓝牙信号；1≤i≤I≤m×n；并有：X_i＝{D_i,M_i,RSSI_i}；D_i＝(x_i,y_i)表示第i个蓝牙广播设备的坐标；M_i由展位号与MAC地址组成，表示第i个设备标识；RSSI_i表示第i个蓝牙广播设备的信号强度；

步骤2、判断I个设备标识{M₁,M₂，…,M_i，…,M_I}各自所在的展位并进行统计，将展位内的设备标识唯一最多的展位作为便携设备所在的精确展位；若展位内的设备标识数量相同，则表示所述便携设备处于多展位交接区，并执行步骤3；

步骤3、将设备标识数量相同的展位各自所包含的信号强度进行降序排序，并组成一个二维数组；数组的行向量为每个展位自身所有的信号强度；数组的列向量为不同展位各自的信号强度；依次比较数组中的列向量；直到选出列向量中信号强度的最大值所在的展位作为所述便携设备的精确展位；若无法选出，则表示所述便携设备处于相应展位的交界点；

所述处理器根据便携设备所在的精确展位从所述音频存储单元中读取相应展位的解说音频信息并利用所述音频解码单元进行解码后播报；从而实现蓝牙自助导游功能。