CN107241687B - 一种基于天线差分信号处理的室内定位装置及方法 - Google Patents

一种基于天线差分信号处理的室内定位装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于天线差分信号处理的室内定位装置及方法，包括若干个定位信标和被定位智能手机，若干个定位信标与被定位智能手机的距离不超过20m，定位信标的WiFi单元内置有MCU微控制器，天线单元的射频开关可分别与第一天线、第二天线连接，MCU微控制器与BLE单元连接，BLE单元和WiFi单元均与天线单元的射频开关连接，被定位智能手机通过扫描定位信标发出的信息，获取定位信标ID与天线ID，根据不同定位信标不同天线发出的定位信息的RSS差，判定被定位智能手机的位置；本发明的定位装置是基于RSS差分处理来完成定位，无需复杂的事前训练，简化了定位流程，不同类型手机RSS测量偏差及人流密度与分布变化均不会影响定位结果，提升了系统稳定性和适用范围。

Description

一种基于天线差分信号处理的室内定位装置及方法
技术领域
本发明涉及一种室内定位装置及方法，尤其是一种基于天线差分信号处理的室内定位装置及方法，主要应用于智能手机的定位，属于通讯定位领域。
背景技术
随着全球定位系统GPS技术的成熟和广泛应用，基于位置的服务LBS已经成为互联网承载的一类重要业务，但对于人们居留时间长达80%的室内环境，GPS无法提供有效的定位服务。
室内定位从技术上可以分为基于WiFi、BLE、ZigBee、SubG以及超宽带UWB的微波无线定位技术、基于LF磁信号的磁场定位技术、基于超声波的声定位技术、基于可见光或红外的光定位技术、基于摄像头的计算机视觉定位技术、基于室内地磁异常匹配的定位技术、基于微机电MEMS运动传感器的惯导技术等。其中微波无线定位技术、磁场定位技术、声定位技术、光定位技术需要在室内环境部署专用设备，生成并发射对应的定位信号，这些设备称之为定位信标。
在各类微波无线定位技术中，由于WiFi、BLE已集成进主流智能手机中，无需专门的定位终端，便于各种新型LBS服务的推广；同时WiFi与BLE具有定位信标成本低，定位服务区域广等优势，已成为面向智能手机的室内定位系统首选技术。
基于WiFi/ BLE的室内定位系统多采用接收信号强度（Received SignalStrength ：RSS）进行定位，这类技术需要提前在现场进行大量的RSS值采集与训练，定位流程复杂；WiFi与BLE作为2.4GHz的电磁波，RSS受人流密度与分布变化影响较大，实际定位时，如果人流密度与分布较训练时发生较大变化，定位性能下降严重，稳定性差；由于不同类型手机的WiFi/BLE的RSS测量值差别较大，难以适用于其他型号的手机，制约了室内定位系统的应用效果与适用范围。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于天线差分信号处理的室内定位装置及方法，该定位装置设置多个定位信标，智能手机接收到不同定位信标的不同天线发射的WiFi/BLE定位信号，并对定位信号进行RSS差分处理，根据处理结果定位智能手机的位置，定位装置及方法无需进行大量的RSS值采集与训练，简化了定位流程，且不受人流密度和分布变化，能够适配各类智能手机，提升了系统的稳定性和适用性。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：一种基于天线差分信号处理的室内定位装置，其特征在于，包括若干个定位信标和被定位智能手机，所述若干个定位信标与被定位智能手机的距离不超过20m，所述定位信标包括WiFi单元、BLE单元和天线单元，所述WiFi单元内置有MCU微控制器，所述MCU微控制器控制WiFi单元发送WiFi Beacon帧消息，所述天线单元包括射频开关、第一天线和第二天线，所述射频开关可分别与第一天线、第二天线连接，所述MCU微控制器与BLE单元连接，且用于控制BLE单元发送BLE通告消息，所述BLE单元和WiFi单元均与天线单元的射频开关连接，且通过MCU微控制器控制射频开关实现WiFi单元与BLE单元之间信号通道的切换，所述定位信标通过天线单元的第一天线和第二天线交替向外广播携带自身标识ID与天线ID的WiFi Beacon帧或BLE通告消息；
所述被定位智能手机通过扫描定位信标发出的WiFi Beacon帧或BLE通告信息，获取WiFi Beacon帧或BLE通告消息中的定位信标ID与天线ID，根据不同定位信标不同天线发出的WiFi Beacon帧或BLE通告消息的RSS差，判定被定位智能手机的位置。
进一步地，所述定位信标的天线单元的天线为2~4个，天线的工作频段为2.4GHz，各个天线为具有不同方向角和增益的天线或为具有相同方向角和增益，但放置方向不同的天线。
进一步地，所述定位信标广播WiFi Beacon帧或BLE通告信息的周期为100ms。
进一步地，所述定位信标还包括供电与时钟单元，所述供电与时钟单元分别与WiFi单元和BLE单元连接，所述供电与时钟单元为定位信标提供电源与基准工作时钟。
为进一步地实现以上技术目的，本发明还提出了一种基于天线差分处理的室内定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一. 部署各个定位信标的位置，确定定位信标中第一天线和第二天线方位、方向角、增益；
步骤二. 所述定位信标通过第一天线和第二天线交替对外周期广播WiFi Beacon帧或BLE通告消息；
步骤三. 所述被定位智能手机扫描WiFi Beacon帧或BLE通告消息，获取WiFiBeacon帧或BLE通告消息中的定位信标ID与天线ID，及定位信标的RSS值；
步骤四. 所述被定位智能手机对定位信标（1）ID相同但天线ID不同的RSS值进行差分处理，根据处理结果，结合定位信标部署位置、天线放置方向，获得被定位智能手机的位置。
进一步地，所述差分处理的过程为：所述被定位智能手机扫描各个定位信标的每个天线连续发出的3个WiFi Beacon帧或BLE通告消息，获取每个天线的3个RSS值，然后求平均值，记为RSS的估计值，对不同天线的RSS估计值进行差分比较。
进一步地，对不同天线的RSS估计值进行差分比较前，通过计算天线3个RSS值的方差来判断RSS估计值是否接近真实值，若方差较小，则说明RSS估计值接近真实值，定位信标的天线发出的定位信息准确；若方差较大，则说明RSS估计值偏离真实值，定位信标的天线发出的定位信息不准确。
进一步地，所述定位信标通过设置不同的天线个数、天线放置方位及天线的方向角、增益，并指定定位信标的自身部署位置，能够适用于不同的应用场景，满足不同的应用需求。
本发明的有益效果为：
1）本发明的被定位智能手机对接收到的从定位信标不同天线发射的WiFi/BLE定位信号进行RSS差分处理后完成定位，无需进行复杂的事前训练，简化了定位流程；
2）本发明是基于RSS差分而非RSS绝对值进行定位，不同类型手机RSS测量偏差以及人流密度与分布变化均不会影响定位结果，显著提升了系统稳定性和适用范围。
附图说明
图1为本发明的定位系统组成示意图。
图2是本发明的定位信标的结构框图。
图3是本发明的实施例1的示意图。
图4是本发明的实施例2的示意图。
附图说明：1-定位信标、11-第一天线、12-第二天线、13-射频开关、14-WiFi单元、15-BLE单元、16-天线单元、17-供电与时钟单元、2-被定位智能手机、31-第三天线、32-第四天线、3-位置判定区域。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
根据图1和图2所示，一种基于天线差分信号处理的室内定位装置，其特征在于，包括若干个定位信标1和被定位智能手机2，所述若干个定位信标1与被定位智能手机2的距离不超过20m，所述定位信标1包括WiFi单元14、BLE单元15和天线单元16，所述WiFi单元14内置有MCU微控制器，作为定位信标1的主控单元，所述MCU微控制器控制WiFi单元14发送WiFiBeacon帧消息，所述天线单元16包括射频开关13、第一天线11和第二天线12，所述射频开关13可分别与第一天线11、第二天线12连接，天线的工作频段为2.4GHz，第一天线11和第二天线12天线为具有不同方向角和增益的天线或为具有相同方向角和增益，但放置方向不同的天线，所述MCU微控制器与BLE单元15连接，且用于控制BLE单元15发送BLE通告消息，所述BLE单元15和WiFi单元14均与天线单元16的射频开关13连接，且通过MCU微控制器控制射频开关13实现WiFi单元14与BLE单元15之间信号通道的切换，所述定位信标1通过天线单元16的第一天线11和第二天线12交替向外广播携带自身标识ID与天线ID的WiFi Beacon帧或BLE通告消息，且广播的周期可动态配置，默认为100ms；
所述被定位智能手机2通过扫描定位信标1发出的WiFi Beacon帧或BLE通告信息，获取WiFi Beacon帧或BLE通告消息中的定位信标ID与天线ID，根据不同定位信标1不同天线发出的WiFi Beacon帧或BLE通告消息的RSS差，判定被定位智能手机2的位置。
所述定位信标1还包括供电与时钟单元17，所述供电与时钟单元17分别与WiFi单元14和BLE单元15连接，所述供电与时钟单元17为定位信标1提供电源与基准工作时钟。
一种基于天线差分信号处理的室内定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一. 部署各个定位信标1的位置，确定定位信标1中第一天线11和第二天线12方位、方向角、增益；
步骤二. 所述定位信标1通过第一天线11和第二天线12交替对外周期广播WiFiBeacon帧或BLE通告消息；
步骤三. 所述被定位智能手机2扫描WiFi Beacon帧或BLE通告消息，获取WiFiBeacon帧或BLE通告消息中的定位信标1ID与天线ID，及定位信标1的RSS值；具体的，Android系统智能手机从WiFi Beacon帧获取定位信标ID与天线ID，iPhone系统智能手机从BLE通告消息获取定位信标ID与天线ID；
步骤四. 所述被定位智能手机2对定位信标1ID相同但天线ID不同的RSS值进行差分处理，根据处理结果，结合定位信标1部署位置、天线放置方向，获得被定位智能手机2的位置。
所述差分处理的过程为：所述被定位智能手机2扫描各个定位信标1的每个天线连续发出的3个WiFi Beacon帧或BLE通告消息，获取每个天线的3个RSS值，然后求平均值，记为RSS的估计值，对不同天线的RSS估计值进行差分比较；对不同天线的RSS估计值进行差分比较前，通过计算天线3个RSS值的方差来判断RSS估计值是否接近真实值，若方差较小，则说明RSS估计值接近真实值，定位信标1的天线发出的定位信息准确；若方差较大，则说明RSS估计值偏离真实值，定位信标1的天线发出的定位信息不准确。
如图1所示，为在一个长廊对被定位智能手机2进行定位的应用场景。两个定位信标1，每个定位信标1有两个定向天线，第一天线11和第二天线12的方向角与增益相同，但放置方向相反，第三天线31和第四天线32的方向角与增益相同，但放置方向相反。被定位智能手机2连续扫描定位信标1的第一天线11和第二天线12发出的3个WiFi Beacon帧或BLE通告消息，获取定位信息的RSS值，求3个RSS的平均值，得到第一天线11的RSS估计值和第二天线12的RSS估计值，两个估计值进行差分比较，发现第二天线12的RSS估计值大于第一天线RSS估计值，可判断被定位智能手机2位于定位信标1的右侧；同理，发现第四天线32的RSS估计值小于第三天线31的RSS估计值，则判断被定位智能手机2位于另一个定位信标1左侧，结合两个定位信标1的部署位置，可判定被定位智能手机2位于位置判定区域3。
如图3所示，为本发明实施例1的示意图，准确定位区分被定位智能手机2位于店内还是店外。定位信标1带有2个不同的定向天线，第一天线11和第二天线12的方向角与增益相同，第一天线11朝向店外，第二天线12朝向店内。当被定位智能手机2位于店内时，第二天线12发出的WiFi/BLE信号RSS估计值大于第一天线11发出的WiFi/BLE信号RSS估计值；如果被定位智能手机2位于店外，第一天线11发出的WiFi/BLE信号RSS估计值大于第二天线12发出的WiFi/BLE信号RSS估计值。这个应用场景在商场可准确估计每家商店的进店人流或者基于智能手机是否在店内进行不同的消息推送等方面具有广阔的前景与价值。
如图4所示，为本发明实施例2的示意图，准确判断被定位智能手机2是否位于某件商品的正前方。定位信标1带有2个天线，第一天线11为全向天线，第二天线12为定向天线，且朝向商品的正前方。如果携带智能手机的消费者来到商品正前方时，定向天线发出的WiFi/BLE信号RSS估计值大于全向天线发出的WiFi/BLE信号RSS估计值；否则，定向天线发出的WiFi/BLE信号RSS估计值小于全向天线发出的WiFi/BLE信号RSS估计值。这个应用场景在分析消费者线下行为如在哪个商品前方停留了多长时间等领域具有广阔的前景与价值。
本发明的特点为：本发明定位装置的定位信标1的天线单元16的天线为2~4个，所述定位信标1通过设置不同的天线个数、天线放置方位及天线的方向角、增益，并指定定位信标1的自身部署位置，能够适用于不同的应用场景，满足不同的应用需求；本发明是基于RSS差分比较进行定位，不同类型手机RSS测量偏差以及人流密度与分布变化均不会影响定位结果，显著提升了系统稳定性和适用范围。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于天线差分信号处理的室内定位装置，其特征在于，包括若干个定位信标（1）和被定位智能手机（2），所述若干个定位信标（1）与被定位智能手机（2）的距离不超过20m，所述定位信标（1）包括WiFi单元（14）、BLE单元（15）和天线单元（16），所述WiFi单元（14）内置有MCU微控制器，所述MCU微控制器控制WiFi单元（14）发送WiFi Beacon帧消息，所述天线单元（16）包括射频开关（13）、第一天线（11）和第二天线（12），所述射频开关（13）可分别与第一天线（11）、第二天线（12）连接，所述MCU微控制器与BLE单元（15）连接，且用于控制BLE单元（15）发送BLE通告消息，所述BLE单元（15）和WiFi单元（14）均与天线单元（16）的射频开关（13）连接，且通过MCU微控制器控制射频开关（13）实现WiFi单元（14）与BLE单元（15）之间信号通道的切换，所述定位信标（1）通过天线单元（16）的第一天线（11）和第二天线（12）交替向外广播携带自身标识ID与天线ID的WiFi Beacon帧或BLE通告消息； 所述被定位智能手机（2）通过扫描定位信标（1）发出的WiFi Beacon帧或BLE通告信息，获取WiFi Beacon帧或BLE通告消息中的定位信标ID与天线ID，根据不同定位信标（1）不同天线发出的WiFiBeacon帧或BLE通告消息的RSS差，判定被定位智能手机（2）的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于天线差分信号处理的室内定位装置，其特征在于，所述定位信标（1）的天线单元（16）的天线为2~4个，天线的工作频段为2.4GHz，各个天线为具有不同方向角和增益的天线或为具有相同方向角和增益，但放置方向不同的天线。
3.根据权利要求1所述的一种基于天线差分信号处理的室内定位装置，其特征在于，所述定位信标（1）广播WiFi Beacon帧或BLE通告信息的周期为100ms。
4.根据权利要求1所述的一种基于天线差分信号处理的室内定位装置，其特征在于，所述定位信标（1）还包括供电与时钟单元（17），所述供电与时钟单元（17）分别与WiFi单元（14）和BLE单元（15）连接，所述供电与时钟单元（17）为定位信标（1）提供电源与基准工作时钟。
5.一种基于天线差分信号处理的室内定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一. 部署各个定位信标（1）的位置，确定定位信标（1）中第一天线（11）和第二天线（12）方位、方向角、增益；
步骤二. 所述定位信标（1）通过第一天线（11）和第二天线（12）交替对外周期广播WiFiBeacon帧或BLE通告消息；
步骤三. 被定位智能手机（2）扫描WiFi Beacon帧或BLE通告消息，获取WiFi Beacon帧或BLE通告消息中的定位信标（1）ID与天线ID，及定位信标（1）的RSS值；
步骤四. 所述被定位智能手机（2）对定位信标（1）ID相同但天线ID不同的RSS值进行差分处理，根据处理结果，结合定位信标（1）部署位置、天线放置方向，获得被定位智能手机（2）的位置。
6.根据权利要求5所述的一种基于天线差分信号处理的室内定位方法，其特征在于，所述差分处理的过程为：所述被定位智能手机（2）扫描各个定位信标（1）的每个天线连续发出的3个WiFi Beacon帧或BLE通告消息，获取每个天线的3个RSS值，然后求平均值，记为RSS的估计值，对不同天线的RSS估计值进行差分比较。
7.根据权利要求6所述的一种基于天线差分信号处理的室内定位方法，其特征在于，对不同天线的RSS估计值进行差分比较前，通过计算天线3个RSS值的方差来判断RSS估计值是否接近真实值，若方差较小，则说明RSS估计值接近真实值，定位信标（1）的天线发出的定位信息准确；若方差较大，则说明RSS估计值偏离真实值，定位信标（1）的天线发出的定位信息不准确。
8.根据权利要求5所述的一种基于天线差分信号处理的室内定位方法，其特征在于，所述定位信标（1）通过设置不同的天线个数、天线放置方位及天线的方向角、增益，并指定定位信标（1）的自身部署位置，能够适用于不同的应用场景，满足不同的应用需求。
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