CN109151996A - 一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，可以解决传统的室内定位技术通用性不足，信号强度波动大，定位精度和稳定性差，边界模糊，信号衰减大，需要部署更多的基站，实施成本高，结构复杂，难以实现对进出人员的监管的问题。包括定位系统、定位装置、蓝牙胸卡和电路，所述定位系统由若干个125K发射器、蓝牙模块、若干个蓝牙基站以及后台服务器构成，若干个所述125K发射器连接所述蓝牙模块，所述蓝牙模块包括若干个蓝牙标签，每个所述125K发射器连接两个所述蓝牙标签，每两个与所述125K发射器相连接的所述蓝牙标签连接一个所述蓝牙基站，若干个所述蓝牙基站共同连接所述后台服务器。

Description

一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备

技术领域

本发明涉及一种室内定位设备，具体涉及一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备。

背景技术

随着物联网和智能互联技术的发展，越来越多的服务需要位置信息的支撑。大型商场、停车场需要室内导航系统，监狱、看守所、学校、养老院等行业普遍需要室内人员实时位置信息，实现对人员的管理和服务。已有的定位和区域管控系统主要基于RSSI强度测量、DOA、TOA几种技术体制，根据载体不同，室内定位的具体技术途径主要有以下六种。

基于RFID的室内定位。RFID定位常用频段有2.4GHz、900MHz、433MHz用于室内粗定位，实施方案是在室内部署大量RFID基站，定位客户端(一般是卡片或手环)发射ID信号，通过接收基站及信号强度确定客户端位置。为了提高定位精度，便边界更加明确，常常与125K激励器共同使用。由于RFID的专用性强，各家设备采用自定义通信协议，不同厂家设备不能互相通信，难以在整行业拓展。当客户端较多时，RFID标准未能给出有效的规避机制，容易发生拥塞，导致通信效率下降。这类方法目前比较常见，专利【基于RFID的校园监护方法、装置、服务器及系统CN108074206A】采用这种方法。

基于蓝牙beacon的定位方法，目前市场上已有较多的基于蓝牙的定位方法，主要手段是通过检测RSSI强度推算标签的距离，再通过多点联合测算出标签位置，其中专利【一种基于蓝牙的室内定位系统及方法CN201711238640.6】就是采用这种方法。这种方法的缺陷是定位精度有限，RSSI强度容易受环境、人员移动、人体遮挡的影响，信号强度波动大，定位精度和稳定性差。如果要达到较高的定位精度，则需要部署高密度的基站，

基于wifi的定位。基于wifi的定位与蓝牙基本相同，都是根据2.4G信号的强度确定标签或终端的位置，为保证准确性，通常会增加一些抗干扰或滤波的算法，专利【一种基于WiFi的大型商场室内定位导航方法CN108168563A】采用这种方法，该方法与蓝牙存在同样的问题。

基于雷达阵列天线技术的定位。雷达阵列天线具备测角功能，根据所测DOA角度，根据三角计算可以测得基站与终端之间的距离，但阵列天线成本高昂，使用范围受限。

基于UWB测距的定位。UWB采用高频信号和TOA方法测量基站与终端的距离，定位精度较高，但UWB工作频率较高，容易被遮挡，信号衰减大，覆盖范围一般在10米以内，需要部署更多的基站，实施成本高。

基于led可见光定位。基于可见光的定位是利用LED光调制测距码，根据传播时间延迟计算距离标签与基站的距离，再利用三个以上的基站测定位置。专利【一种室内LED可见光定位方法、系统及装置CN201810184130】采用这种方法，LED可见光存在互相干扰、容易被遮挡，而且LED可见光标签无法上传输位置信息，需要另加微波发射器，结构复杂，成本较高。

已有蓝牙定位主要依靠RSSI信号强度检测和双曲线定位算法，但是蓝牙定位模糊，受环境影响大，用于监狱环境时，无法判断在大门处和窗口处的人员是否在房间内部，进而影响房间内进入的人数统计，因此单纯基于算法的蓝牙定位一般用于商场，无法在监狱等可靠要求极高的场所使用。

当前的蓝牙的定位主要依靠周期性发射，经测试，受环境和标签之间的干扰的影响，蓝牙标签需要3-5s被基站感知到。仅在大门处这装基站难以实现对进出人员的监管，并且蓝牙beacon定位模糊，区域管控边界不清晰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，可以解决传统的室内定位技术通用性不足，信号强度波动大，定位精度和稳定性差，边界模糊，信号衰减大，需要部署更多的基站，实施成本高，结构复杂，难以实现对进出人员的监管的问题，蓝牙beacon定位模糊，区域管控边界不清晰。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，包括定位系统、定位装置、蓝牙胸卡和电路，所述定位系统由若干个125K发射器、蓝牙模块、若干个蓝牙基站以及后台服务器构成，若干个所述125K发射器连接所述蓝牙模块，所述蓝牙模块包括若干个蓝牙标签，每个所述125K发射器连接两个所述蓝牙标签，每两个与所述125K发射器相连接的所述蓝牙标签连接一个所述蓝牙基站，若干个所述蓝牙基站共同连接所述后台服务器；

所述定位装置包括125K激发器、带125K唤醒的蓝牙标签、所述蓝牙网关或基站和所述后台服务器，所述125K激发器连接所述带125K唤醒的蓝牙标签，所述带125K唤醒的蓝牙标签连接所述蓝牙网关或基站，所述蓝牙网关或基站连接所述后台服务器，所述125K激发器包括Flash、曼彻斯特大编码、ASK调制和偶极子天线，所述带125K唤醒的蓝牙标签包括125K陶瓷天线、125K接收器、MCU控制器、2.4GHz蓝牙发射器和2.4GHz陶瓷天线，所述蓝牙网关或基站包括2.4GHz蓝牙接收机、定向或全向天线、MCU控制器、TCP接口和RAM；

所述蓝牙胸卡由盖板、电池、所述定位装置中的所述蓝牙模块、125K线圈以及盒体，所述蓝牙模块连接所述电池，所述电池安装在所述盒体内部，且所述电池与所述盒体之间安装所述125K线圈，所述盖板位于所述电池顶部。

优选的，所述带125K唤醒的蓝牙标签采用超低功耗设计，寿命大于两年，主要由电路、电池和外壳组成，所述电路部分包括125K天线和接收器、flash、MCU控制器、蓝牙发射器和电池，125K天线和接收器持续不间断工作，工作电流约2uA，蓝牙发射器及MCU采用周期工作和唤醒工作模式，发射状态时，整机电流15mA，休眠时电流5uA，工作占空比约5％。

优选的，所述蓝牙模块在接收到125K信号时，125K接收器唤醒MCU，将ID号送往MCU，同步更新flash内存储的125K的ID号，供MCU周期性发射时读取，MCU唤醒后启动猝发模式，连续发2秒，每秒发送8次，发射内容包括本地ID和125K激发器的ID，周期性发射时，MCU根据内部的定时器每200-1000ms唤醒一次，唤醒后从flash中取得最新的125K激发的ID号，与本地ID合发发射，记录蓝牙卡片经过的最近的125K激发器。

优选的，所述蓝牙模块采用立柱定位，热熔立柱顶端固定，125K线圈通过上盖限位结构定位，并通过灌胶固定四周，上下盖通过超声波封装。

优选的，所述电路的125K同时支持三个频点的信号接收，当有125K信号时触发指定序列，唤醒蓝牙芯片内置的MCU，三个频点即支持三个频道、三种类型的基站。

优选的，所述蓝牙网关或基站进行初步预处理，周期性的回传给服务器，蓝牙接收模块持续接收空间内的beacon报文，送至MCU进行预处理，去除重复接收的报文，再由网络传输模块定期将采集到的所有信息发送给服务器。

优选的，所述后台服务器包括定位算法、数据处理、位置运算、数据库和全系统参数配置，且所述后台服务器负责信息的处理、位置运行和数据库存储，同时负责全系统的参数配置。

优选的，所述带125K唤醒的蓝牙标签通过所述125K陶瓷天线连接所述125K接收器，所述125K接收器连接所述Flash以及所述MCU控制器，所述Flash连接所述MCU控制器，所述MCU控制器连接晶振以及所述2.4GHz蓝牙发射器，所述晶振也连接所述2.4GHz蓝牙发射器，所述2.4GHz蓝牙发射器连接所述2.4GHz陶瓷天线。

本发明的有益效果：

1、通用性更强，与RFID定位相比，采用蓝牙协议作为通信和设备，软硬件更加通用，接口更加开放，有利于市场发展；

2、边界更精确，人员流动更精准，采用125K划定边界，边界的精度可达到20cm级，同时在关键边界或模糊边界采用125K唤醒，激发猝发模式，提高采集准确性；

3、部署成本更低，与RFID相比，蓝牙的市场规模更大，产业链更加成熟，总体成体不到RFID的一半。

4、实用性更强，与LED可见光阵列、雷达阵列互、UWB等相比，综合考虑成本、部署、可用性，基于蓝牙的定位方案工程化程度更高，更加贴合实际。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明定位系统框；

图2为本发明定位装置框图；

图3为本发明带125K唤醒的蓝牙标签组成框图；

图4为本发明蓝牙胸卡爆炸图；

图5为本发明电路框图；

图6为本发明蓝牙RSSI检测的双曲线定位原理图；

图7为本发明各部分连接关系图；

图8为本发明具体设备的部署图；

图中：1、定位系统；2、蓝牙胸卡；3、盖板；4、蓝牙模块；5、电池；6、125K线圈；7、盒体；8、电路；9、定位装置。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8所示，一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，包括定位系统1、定位装置9、蓝牙胸卡2和电路8，定位系统1由若干个125K(125KHz)发射器、蓝牙模块、若干个蓝牙基站以及后台服务器构成，若干个125K发射器连接蓝牙模块，蓝牙模块包括若干个蓝牙标签，每个125K发射器连接两个蓝牙标签，每两个与125K发射器相连接的蓝牙标签连接一个蓝牙基站，若干个蓝牙基站共同连接后台服务器；

定位装置9包括125K激发器、带125K唤醒的蓝牙标签、蓝牙网关或基站和后台服务器，125K激发器连接带125K唤醒的蓝牙标签，带125K唤醒的蓝牙标签连接蓝牙网关或基站，蓝牙网关或基站连接后台服务器，125K激发器包括Flash、曼彻斯特大编码、ASK调制和偶极子天线，带125K唤醒的蓝牙标签包括125K陶瓷天线、125K接收器、MCU控制器、2.4GHz蓝牙发射器和2.4GHz陶瓷天线，蓝牙网关或基站包括2.4GHz蓝牙接收机、定向或全向天线、MCU控制器、TCP接口和RAM；

蓝牙胸卡2由盖板3、电池5、定位装置9中的蓝牙模块4、125K线圈6以及盒体7，蓝牙模块4连接电池5，电池5安装在盒体7内部，且电池5与盒体7之间安装125K线圈6，盖板3位于电池5顶部。

带125K唤醒的蓝牙标签采用超低功耗设计，寿命大于两年，由电路8、电池5和外壳组成，电路8部分包括125K天线和接收器、flash、MCU控制器、蓝牙发射器和电池，125K天线和接收器持续不间断工作，工作电流2uA，蓝牙发射器及MCU采用周期工作和唤醒工作模式，发射状态时，整机电流15mA，休眠时电流5uA，工作占空比约5％。

蓝牙模块在接收到125K信号时，125K接收器唤醒MCU，将ID号送往MCU，同步更新flash内存储的125K的ID号，供MCU周期性发射时读取，MCU唤醒后启动猝发模式，连续发2秒，每秒发送8次，发射内容包括本地ID和125K激发器的ID，周期性发射时，MCU根据内部的定时器每200-1000ms唤醒一次，唤醒后从flash中取得最新的125K激发的ID号，与本地ID合发发射，由此可以记录蓝牙卡片经过的最近的125K激发器。

蓝牙模块采用立柱定位，热熔立柱顶端固定，125K线圈通过上盖限位结构定位，并通过灌胶固定四周，上下盖通过超声波封装。

电路8的125K同时支持三个频点的信号接收，当有125K信号时触发指定序列，唤醒蓝牙芯片内置的MCU，三个频点即支持三个频道、三种类型的基站，三个频道独立开关，为部署时提供更大的自由度，支持相邻激发器的适当重叠。

蓝牙网关或基站进行初步预处理，周期性的回传给服务器，蓝牙接收模块持续接收空间内的beacon报文，送至MCU进行预处理，去除重复接收的报文，再由网络传输模块定期将采集到的所有信息发送给服务器，一般传输周期设1-2s，间隔过长会造成标签信号延迟，间隔过短会增大网关和服务器负担，降低采集效率。

后台服务器包括定位算法、数据处理、位置运算、数据库和全系统参数配置，后台服务器负责信息的处理、位置运行和数据库存储，同时负责全系统的参数配置，对于同一张蓝牙标签，服务器会收到来自多个蓝牙网关的信息，通过筛选、融合，整理出有效数据，经定位算法计算可以得到标签的具体位置。

带125K唤醒的蓝牙标签通过125K陶瓷天线连接125K接收器，125K接收器连接Flash以及MCU控制器，Flash连接MCU控制器，MCU控制器连接晶振以及2.4GHz蓝牙发射器，晶振也连接2.4GHz蓝牙发射器，2.4GHz蓝牙发射器连接2.4GHz陶瓷天线。

本发明在使用时，首先，125K激发器持续发射125K信号，覆盖周围2-6米的区域；蓝牙标签进入到125K激发区域，125K模块接收到125K激发器的ID信息，唤醒了蓝牙模块，并将ID信息转发给蓝牙模块，蓝牙模式转发收到ID至蓝牙基站；蓝牙基站对所收到的beacon信息进行去重之后，打包发送至后台服务器；后台服务器融合多个蓝牙基站收到的信息，结合125K激发器的预定位置，计算出蓝牙标签所处的位置；

具体的工作原理结合图2，125K激发器的存储器内会由后台服务器预置ID号，ID号经过曼彻斯特编码，再由ASK调制发送，激发器提供功率控制，通过控制发射功率可以调整信号覆盖范围。125K的ID号和蓝牙标签的ID号被蓝牙网关收取后，转发至后台服务器，后台服务器根据125K的ID、蓝牙ID、定位网关的位置信息计算出蓝牙标签的位置。带125K唤醒的蓝牙标签，采用超低功耗设计，寿命大于两年，主要由电路部分、电池和外壳组成。其中电路部分包括4个模块：125K天线和接收器、flash存储、MCU控制器、蓝牙发射器和电池。125天线和接收器持续不间断工作，工作电流约2uA，蓝牙发射器及MCU采用周期工作和唤醒工作模式，发射状态时，整机电流15mA，休眠时电流5uA，工作占空比约5％。

如图3所示，在接收到125K信号时，125K接收器唤醒MCU，将ID号送往MCU，同步更新flash内存储的125K的ID号，供MCU周期性发射时读取，MCU唤醒后启动猝发模式，连续发2秒，每秒发送8次，发射内容包括本地ID和125K激发器的ID。周期性发射时，MCU根据内部的定时器每200-1000ms唤醒一次，唤醒后从flash中取得最新的125K激发的ID号，与本地ID合发发射，由此可以记录蓝牙卡片经过的最近的125K激发器。

125K的电路设计见图5所示，125K同时支持三个频点的信号接收，当有125K信号时触发指定序列，唤醒蓝牙芯片内置的MCU。三个频点即支持三个频道、三种类型的基站，三个频道独立开关，为部署时提供更大的自由度，支持相邻激发器的适当重叠。

蓝牙网关功能是采集蓝牙标签的信号，进行初步预处理，周期性的回传给服务器。网关由4部分组成：蓝牙接收模块、MCU控制器、RAM存储、网络传输模块。蓝牙接收模块持续接收空间内的beacon报文，送至MCU进行预处理，去除重复接收的报文，再由网络传输模块定期将采集到的所有信息发送给服务器，一般传输周期设1-2s，间隔过长会造成标签信号延迟，间隔过短会增大网关和服务器负担，降低采集效率。

后台服务器，主要负责信息的处理、位置运行和数据库存储，同时负责全系统的参数配置。对于同一张蓝牙标签，服务器会收到来自多个蓝牙网关的信息，通过筛选、融合，整理出有效数据，经定位算法计算可以得到标签的具体位置。

见图5所示，本发明提出的室内定位采用两种模式：125K辅助模式和蓝牙基站定位模式，两种模式可以独立运行，也可以融合运行。在125K定位模式下，主要依靠125K的激发器和信号强度推算标签与激发器的距离，125K的传输不受障碍物影响，边界清晰。蓝牙基站定位采用RSSI强度测量和双曲线法测定标签位置，该方法常用于GPS定位。

本发明的具体实施步骤包括：

1.部署后台服务器。由图5所示，在内网部署服务器，用于汇聚、处理定位数据，计算标签的位置。

2.激励器部署与配置。在门、窗等重要出入口和重点区域部署125K激发器，优化激发器的发射功率，控制覆盖范围，在服务器后台配置125K激发器的位置信息，为定位作基准，并为每个激发器配置ID号。

3.125K蓝牙标签的部署与配置。设定蓝牙标签具备唤醒发射和周期性发射两种发射模式的参数。唤醒发射时，转发125K的ID号，同时附上本地ID号，根据实际环境设置，设置发射频率和时长，周期性发射一般不高于500ms一次，发射频次过高会降降低卡片寿命。

4.部署蓝牙基站。如图6所示，大门的内外和房间内部署蓝牙基站，在房间的四角旋转蓝牙卡，测试蓝牙基站的接收信号强度，确保蓝牙基站可以稳定的覆盖整个房间。配置蓝牙基站的地址，接入后台服务器，并在后台服务器中录入基站的位置信息，将采集数据上传至服务器。

5.后台服务器根据多个基站的接收信息以及125K激励器的位置联合运算，测算出标签所处的位置。

由于125K激发器的部署是影响系统性能的关键，具体的设备部署见图6，通过125K激发器，可以为大门、窗口、重点区域划定明确的边界，并具在进出关口唤醒猝发模式，在短时间内快速发射beacon，提高了标签被采集的概率，避免漏读。部署的方法如下，如图8：

根据门的大小和125K的覆盖范围，在大门处部署2个以上125K激发器，一个用于进入激活，一个用于离开激活，两个基站覆盖边界之间一般预留40cm间距，避免激发器混淆。

在监区内部的重点区域和窗口部署125K激发器，为区域划定明确边界。

优化各激发器的信号强度，使之刚好覆盖区域。

配置后台服务器，录入所有激发器的ID与位置的对应表。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，包括定位系统(1)、定位装置(9)、蓝牙胸卡(2)和电路(8)，其特征在于，所述定位系统(1)由若干个125K发射器、蓝牙模块、若干个蓝牙基站以及后台服务器构成，若干个所述125K发射器连接所述蓝牙模块，所述蓝牙模块包括若干个蓝牙标签，每个所述125K发射器连接两个所述蓝牙标签，每两个与所述125K发射器相连接的所述蓝牙标签连接一个所述蓝牙基站，若干个所述蓝牙基站共同连接所述后台服务器；

所述定位装置(9)包括125K激发器、带125K唤醒的蓝牙标签、所述蓝牙网关或基站和所述后台服务器，所述125K激发器连接所述带125K唤醒的蓝牙标签，所述带125K唤醒的蓝牙标签连接所述蓝牙网关或基站，所述蓝牙网关或基站连接所述后台服务器，所述125K激发器包括Flash、曼彻斯特大编码、ASK调制和偶极子天线，所述带125K唤醒的蓝牙标签包括125K陶瓷天线、125K接收器、MCU控制器、2.4GHz蓝牙发射器和2.4GHz陶瓷天线，所述蓝牙网关或基站包括2.4GHz蓝牙接收机、定向或全向天线、MCU控制器、TCP接口和RAM；

所述蓝牙胸卡(2)由盖板(3)、电池(5)、所述定位装置(9)中的所述蓝牙模块(4)、125K线圈(6)以及盒体(7)，所述蓝牙模块(4)连接所述电池(5)，所述电池(5)安装在所述盒体(7)内部，且所述电池(5)与所述盒体(7)之间安装所述125K线圈(6)，所述盖板(3)位于所述电池(5)顶部。

2.根据权利要求1所述的一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，其特征在于，所述带125K唤醒的蓝牙标签采用超低功耗设计，寿命大于两年，主要由电路(8)、电池(5)和外壳组成，所述电路(8)部分包括125K天线和接收器、flash、MCU控制器、蓝牙发射器和电池，125K天线和接收器持续不间断工作，工作电流约2uA，蓝牙发射器及MCU采用周期工作和唤醒工作模式，发射状态时，整机电流15mA，休眠时电流5uA，工作占空比约5％。

3.根据权利要求1所述的一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，其特征在于，所述蓝牙模块在接收到125K信号时，125K接收器唤醒MCU，将ID号送往MCU，同步更新flash内存储的125K的ID号，供MCU周期性发射时读取，MCU唤醒后启动猝发模式，连续发2秒，每秒发送8次，发射内容包括本地ID和125K激发器的ID，周期性发射时，MCU根据内部的定时器每200-1000ms唤醒一次，唤醒后从flash中取得最新的125K激发的ID号，与本地ID合发发射，记录蓝牙卡片经过的最近的125K激发器。

4.根据权利要求1所述的一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，其特征在于，所述蓝牙模块采用立柱定位，热熔立柱顶端固定，125K线圈通过上盖限位结构定位，并通过灌胶固定四周，上下盖通过超声波封装。

5.根据权利要求2所述的一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，其特征在于，所述电路(8)的125K同时支持三个频点的信号接收，当有125K信号时触发指定序列，唤醒蓝牙芯片内置的MCU，三个频点即支持三个频道、三种类型的基站。

6.根据权利要求1所述的一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，其特征在于，所述蓝牙网关或基站进行初步预处理，周期性的回传给服务器，蓝牙接收模块持续接收空间内的beacon报文，送至MCU进行预处理，去除重复接收的报文，再由网络传输模块定期将采集到的所有信息发送给服务器。

7.根据权利要求1所述的一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，其特征在于，所述后台服务器包括定位算法、数据处理、位置运算、数据库和全系统参数配置，且所述后台服务器负责信息的处理、位置运行和数据库存储，同时负责全系统的参数配置。

8.根据权利要求1所述的一种基于125K辅助的蓝牙beacon室内定位设备，其特征在于，所述带125K唤醒的蓝牙标签通过所述125K陶瓷天线连接所述125K接收器，所述125K接收器连接所述Flash以及所述MCU控制器，所述Flash连接所述MCU控制器，所述MCU控制器连接晶振以及所述2.4GHz蓝牙发射器，所述晶振也连接所述2.4GHz蓝牙发射器，所述2.4GHz蓝牙发射器连接所述2.4GHz陶瓷天线。