CN109451424A - 一种基于蓝牙的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于蓝牙的定位方法，涉及利用蓝牙进行定位的技术领域。本申请的可移动物体(终端)获取该终端附近所有蓝牙基站的MAC地址以及RSSI数据与服务器中数据库数据进行比对，筛选出有用的数据并计算出该可移动物体在以左下角为原点的极坐标中的位置。当可移动物体数量变多时，为了防止信号RSSI受干扰导致的误差变大，使用补偿算法进行辅助矫正。本申请定位方法简单，检测设备如蓝牙基站成本低、设备体积小，超低功耗，易集成在移动设备中，对终端的要求相对低。

Description

一种基于蓝牙的定位方法

技术领域

本发明涉及利用蓝牙进行定位的技术领域。

背景技术

目前行动定位技术可区分为以卫星及网络为基础两种，卫星定位的成本较高，且使用者需要有额外设备支持；网络定位则需要布设足够的基地台以提供稳定的讯号质量，卫星定位技术如GPS(全球卫星定位系统)，拥有以下优点：使用低频讯号，全天候，不易受任何天气的影响；全球覆盖率高；三维定速定时高精度；定位快速；可移动定位；所能连接到的卫星数越多，其定位出来的位置就越精确，但其缺点在于其讯号很容易被固定物如建筑物、墙壁或树木挡住。

而网络定位技术如Wi-Fi定位系统是最近才发展的技术，其讯号质量会受到基地台的密度、环境因子与无线网络布设方式所限制，环境因子包含温湿度、障碍物、移动物体的变化都会影响定位的精确度，如在湿度较高的环境中(下雨天)，造成讯号衰弱的情况较明显，人群或车辆的移动，也都会影响讯号分布的稳定性。

在室内环境中一般无法收到GPS的讯号，而Wi-Fi则是常常会因为布设的点位不够导致讯号不佳，所以在卖场、仓库或医院中利用这些习知技术还是有所缺陷，因目前蓝牙接受装置、手持电子装置与APP软件的进步可进一步整合应用成为定位系统。

发明内容

本发明目的是提供一种定位方法简单，检测设备如蓝牙基站成本低、设备体积小，超低功耗，易集成在移动设备中，对终端的要求相对低的基于蓝牙的定位方法。

一种基于蓝牙的定位方法，包括如下步骤：

第一步：开始，布局蓝牙设备；

第二步：终端S进入场景，搜索附件的蓝牙基站；

第三步：获取数据库中的蓝牙基站数据，对比终端S的蓝牙是否为布局蓝牙，若为是则保留数据，若为否则抛弃该蓝牙，重复第二步搜索；

第四步：对第三步的蓝牙基站数据使用快速排序算法按RSSI数值从大到小排序，得到信号最强的三个蓝牙基站数据；

第五步：选择第四步中三个蓝牙基站数据中信号最强的两个基站A、B；

第六步：得到第五步中最强两个基站的两交点坐标的极角θ；

第七步：得到第五步中最强两个基站的两交点坐标的极径ρ；

第八步：根据第六步、第七步的极角和极径得出最强两个基站A、B在平面场景内以左下角为极坐标原点的极坐标位置；

第八步：得到剩余一个基站C与最强两个基站A、B之间的距离|AC|与|BC|；

第九步：比较终端与基站C之间的距离与|AC|差值的绝对值＞终端与基站C之间的距离与|BC|差值的绝对值，若为是，则终端位置定为基站B；若为否，则终端定为基站A；

第十步：将第九步得到的基站的MAC地址注册入数据库并保存其在该场景中的位置；获取目前场景中蓝牙基站与终端数据；

第十一步：对第十步中的数据库中终端数量知否大于等于6台，若为是，则启用3P、2P算法；若为否，结束定位；

第十二步：与周围数据比对后筛选出信号强度最强的一台蓝牙基站L与另外五台终端数据；从五台终端数据设备中选取信号量cnum为1的信号最强的三台终端数据设备Z1、Z2、Z3，分别判断蓝牙与三台终端之间的距离，得到与蓝牙之间距离最近的两台终端，从而得到两台终端之间的中点，将该点置为待测终端的真实位置，并将信号量cnum置为1，当该点移动时，将cnum设置为0。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

相比GPS定位，在室内通过蓝牙定位，精度更高。相比同类室内定位算法，如WiFi室内定位技术、红外线室内定位技术、超声波室内定位技术、RFID室内定位技术、超宽带UWB室内定位技术，具有定位方法简单，检测设备如蓝牙基站成本低、设备体积小，超低功耗，易集成在移动设备中，对终端的要求相对低等优点。相比传统蓝牙定位，通过三环定位改良型算法——3P2P算法，一种蓝牙基站加多终端辅助校正算法，达到更精准的定位。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明的整体框架图。

图3是本发明移动终端对蓝牙基站的感知图。

图4是本发明的主体置换效果图。

图5是本发明的3P2P的算法描述图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所述，一种基于蓝牙的定位方法，包括如下步骤：

第一步：开始，布局蓝牙设备；

第二步：终端S进入场景，搜索附件的蓝牙基站；

第三步：获取数据库中的蓝牙基站数据，对比终端S的蓝牙是否为布局蓝牙，若为是则保留数据，若为否则抛弃该蓝牙，重复第二步搜索；

第四步：对第三步的蓝牙基站数据使用快速排序算法按RSSI数值从大到小排序，得到信号最强的三个蓝牙基站数据；

第五步：选择第四步中三个蓝牙基站数据中信号最强的两个基站A、B；

第六步：得到第五步中最强两个基站的两交点坐标的极角θ；

第七步：得到第五步中最强两个基站的两交点坐标的极径ρ；

第八步：根据第六步、第七步的极角和极径得出最强两个基站A、B在平面场景内以左下角为极坐标原点的极坐标位置；

第八步：得到剩余一个基站C与最强两个基站A、B之间的距离|AC|与|BC|；

第九步：比较终端与基站C之间的距离与|AC|差值的绝对值＞终端与基站C之间的距离与|BC|差值的绝对值，若为是，则终端位置定为基站B；若为否，则终端定为基站A；

第十步：将第九步得到的基站的MAC地址注册入数据库并保存其在该场景中的位置；获取目前场景中蓝牙基站与终端数据；

第十一步：对第十步中的数据库中终端数量知否大于等于6台，若为是，则启用3P、2P算法；若为否，结束定位；

第十二步：与周围数据比对后筛选出信号强度最强的一台蓝牙基站L与另外五台终端数据；从五台终端数据设备中选取信号量cnum为1的信号最强的三台终端数据设备Z1、Z2、Z3，分别判断蓝牙与三台终端之间的距离，得到与蓝牙之间距离最近的两台终端，从而得到两台终端之间的中点，将该点置为待测终端的真实位置，并将信号量cnum置为1，当该点移动时，将cnum设置为0。

本发明第四步中的快速排序算法，它的基本思想是：通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两部分，其中一部分的所有数据都比另外一部分的所有数据都要小，然后再按此方法对这两部分数据分别进行快速排序，整个排序过程可以递归进行，以此达到整个数据变成有序序列。包括如下步骤：

1)对N个数据进行排序，首先设置两个变量i、j，排序开始的时候：i＝0，j＝N-1；

2)以第一个数组元素作为关键数据，赋值给key，即key＝A[0]；

3)从j开始向前搜索，即由后开始向前搜索(j--)，找到第一个小于key的值A[j]，将A[j]和A[i]互换；

4)从i开始向后搜索，即由前开始向后搜索(i++)，找到第一个大于key的A[i]，将A[i]和A[j]互换；

5)重复第3、4步，直到i＝j，令循环结束。

上述3)、4)步中，若没找到符合条件的值，即3)中A[j]不小于key,4)中A[i]不大于key的时候，改变j、i的值，使得j＝j-1，i＝i+1，直至找到为止；若找到符合条件的值，进行交换的时候i，j指针位置不变。另外，i＝＝j这一过程一定正好是i+或j-完成的时候，此时令循环结束。

本发明第五步中从第四步中的三个蓝牙基站数据中选择信号最强的两个基站A、B，为根据搜索到的RSSI值(信号强度，通常是随着通信节点间距离增加，RSSI值相对降低)保留较大的两个蓝牙基站数据。

本发明第六步中假设三个蓝牙基站MAC1、MAC2、MAC3的坐标分别为(与坐标原点距离长度ρ，极角θ，圆半径r)：(ρ1，θ1，r1)、(ρ2，θ2，r2)、(ρ3，θ3，r3),求出两圆在极坐标下的交点坐标A(ρ4，θ4)、B(ρ5，θ5)；

ρ₀cos(θ-θ₀) (1)得到最强两个基站的两交点坐标的极角θ。

本发明第七步中假设假设三个蓝牙基站MAC1、MAC2、MAC3的坐标分别为(与坐标原点距离长度ρ，极角θ，圆半径r)：(ρ1，θ1，r1)、(ρ2，θ2，r2)、(ρ3，θ3，r3),两圆在极坐标下的交点坐标A(ρ4，θ4)、B(ρ5，θ5)；

得到最强两个基站的两交点坐标的极径ρ。

本发明的第十二步包括如下步骤：

第1)步：根据公式(1)计算出蓝牙与终端设备Z1之间的两个相交点1、2；

第2)步：利用|ρ1ρ2|＝√ρ12+ρ22-2ρ1ρ1cos(θ1-θ2)得到终端S与两个相交点之间的距离|S1|、|S2|；

第3)步：判断|S1|＞|S2|，若为是选择相交点2；若为否选择相交点1；

第4)步：得到终端S与相交点1、2之间的中点P1；

第5)步：重复上述第1)步到第4)步，得到中点P2、P3；

第6)步：选出P1、P2、P3中距离最近的两点，并舍弃最远的一点；

第7)步：求出最近两点的中点并将其置为终端S的最终确定点并置信号量并将信号量cnum置为1，当该点移动时，将cnum设置为0。

如图2所示，可移动物体(终端)获取该终端附近所有蓝牙基站的MAC地址以及RSSI数据与服务器中数据库数据进行比对，筛选出有用的数据并利用算法1计算出该可移动物体在以左下角为原点的极坐标中的位置。当可移动物体数量变多时，为了防止信号RSSI受干扰导致的误差变大，使用补偿算法2进行辅助矫正。

具体实现依据

算法1

当可移动终端置于蓝牙基站覆盖场中时，可搜寻到n个基站的mac地址，由于蓝牙基站不能自主向服务器发送探测到移动终端的数据，因此移动终端的定位只能使用从移动终端探测到的蓝牙基站的RSSI及MAC地址，所以当移动终端探测到附近n个蓝牙基站及不同RSSI时，对于终端而言其感知的基站如图3所示，其感知到的基站对于移动终端而言它们的位置位于由以移动终端为同心圆圆心，由RSSI转换的距离为半径的多个同心圆上。因此无法计算出其具体位置，须进行主体置换。

主体置换时，先将移动终端获取的MAC地址以及RSSI数据放入ArrayList中。将MAC地址发送至服务器与所有已录入数据库的蓝牙基站MAC地址数据进行比对，删去不存在数据库中的地址数据(非定制蓝牙终端信号)，将数据response到移动终端上，移动终端将数据按RSSI值从大到小使用快排进行排序，选出数值最大的三个数据。以移动终端MAC1为圆心，以移动终端MAC1的距离为半径画极坐标轴下的圆，将其他两个MAC地址以相同方式画圆，由此完成了主体置换，其置换后效果图如图4，此时由未知蓝牙基站转换成未知移动终端并根据已知蓝牙终端求移动终端具体位置。

如图4所示，移动终端与服务器数据库通讯后获取MAC1、MAC2、MAC3在极坐标轴中的极坐标点以及信号强度，将信号强度转换成距离后便可知三个蓝牙基站的坐标以及半径。假设MAC1、MAC2、MAC3的坐标分别为(与坐标原点距离长度ρ，极角θ，圆半径r)：(ρ1，θ1，r1)、(ρ2，θ2，r2)、(ρ3，θ3，r3),然后根据以下算法公式1及算法公式2求出两圆在极坐标下的交点坐标A(ρ4，θ4)、B(ρ5，θ5)。

公式1:

ρ₀cos(θ-θ₀) (1)公式2:

由算法公式1可得两交点坐标的θ，由算法公式2可得两交点坐标ρ，由此可知两交点坐标A和B的位置。然后通过公式3计算MAC3坐标点C分别与所得点A、B的距离，比较|AC|与|BC|大小，选择数值小的点作为待测终端的具体位置，至此，通过算法1完成对待测终端位置的计算，后须由补偿算法2进行辅助矫正。

公式3:

算法2(3P2P算法)

在算法2中，所用到的计算位置的数学公式与算法1一致，在此不进行赘述，只讲述补偿算法的大致框架。

如图5所示，对于每个已经确定的终端位置，都将其存入到服务器数据库中，并设置一个信号量cnum，当已知终端个数大于等于4个时，启用3P2P技术。当前待矫正终端在通过算法1计算出自己的坐标位置后，获取周围MAC地址以及信号强度，与服务器数据库对比后获取信号强度最强的1个蓝牙以及另外5台终端设备，从5台设备中优先选取cnum为1的信号最强的3台终端。由终端1与蓝牙1计算后得出具体位置为1、2两点，根据待矫正终端位置与1、2点进行比较后，假定确认其点为2，则求出待待矫正终端与2点的中点A。类似地获取终端2、3与蓝牙1计算后与终端2、3的中点B、C，求出A、B、C三点中距离最近的两点，将第三点作为误差舍去，求其两点中点，将该点置为待测终端的真实位置，并将信号量cnum置为1,当该点移动时，将cnum设置为0。

Claims (6)

1.一种基于蓝牙的定位方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：开始，布局蓝牙设备；

第二步：终端S进入场景，搜索附件的蓝牙基站；

第三步：获取数据库中的蓝牙基站数据，对比终端S的蓝牙是否为布局蓝牙，若为是则保留数据，若为否则抛弃该蓝牙，重复第二步搜索；

第四步：对第三步的蓝牙基站数据使用快速排序算法按RSSI数值从大到小排序，得到信号最强的三个蓝牙基站数据；

第五步：选择第四步中三个蓝牙基站数据中信号最强的两个基站A、B；

第六步：得到第五步中最强两个基站的两交点坐标的极角θ；

第七步：得到第五步中最强两个基站的两交点坐标的极径ρ；

第八步：根据第六步、第七步的极角和极径得出最强两个基站A、B在平面场景内以左下角为极坐标原点的极坐标位置；

第八步：得到剩余一个基站C与最强两个基站A、B之间的距离|AC|与|BC|；

第九步：比较终端与基站C之间的距离与|AC|差值的绝对值＞终端与基站C之间的距离与|BC|差值的绝对值，若为是，则终端位置定为基站B；若为否，则终端定为基站A；

第十步：将第九步得到的基站的MAC地址注册入数据库并保存其在该场景中的位置；获取目前场景中蓝牙基站与终端数据；

第十一步：对第十步中的数据库中终端数量知否大于等于6台，若为是，则启用3P2P算法；若为否，结束定位；

第十二步：与周围数据比对后筛选出信号强度最强的一台蓝牙基站L与另外五台终端数据；从五台终端数据设备中选取信号量cnum为1的信号最强的三台终端数据设备Z1、Z2、Z3，分别判断蓝牙与三台终端之间的距离，得到与蓝牙之间距离最近的两台终端，从而得到两台终端之间的中点，将该点置为待测终端的真实位置，并将信号量cnum置为1，当该点移动时，将cnum设置为0。

2.根据权利要求1所述的基于蓝牙定位方法，其特征在于上述第四步中的快速排序算法是：通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两部分，其中一部分的所有数据都比另外一部分的所有数据都要小，然后再按此方法对这两部分数据分别进行快速排序，整个排序过程递归进行，使得整个数据变成有序序列，包括如下步骤：

1)对N个数据进行排序，首先设置两个变量i、j，排序开始的时候：i＝0，j＝N-1；

2)以第一个数组元素作为关键数据，赋值给key，即key＝A[0]；

3)从j开始向前搜索，即由后开始向前搜索(j--)，找到第一个小于key的值A[j]，将A[j]和A[i]互换；

4)从i开始向后搜索，即由前开始向后搜索(i++)，找到第一个大于key的A[i]，将A[i]和A[j]互换；

5)重复第3、4步，直到i＝j，令循环结束。

3.根据权利要求1所述的基于蓝牙定位方法，其特征在于上述第五步中从第四步中的三个蓝牙基站数据中选择信号最强的两个基站A、B，根据搜索到的RSSI值，即信号强度，随着通信节点间距离增加，RSSI值相对降低，保留RSSI值较大的两个蓝牙基站数据。

4.根据权利要求1所述的基于蓝牙定位方法，其特征在于上述第六步中假设三个蓝牙基站MAC1、MAC2、MAC3的坐标分别为(与坐标原点距离长度ρ，极角θ，圆半径r)：(ρ1，θ1，r1)、(ρ2，θ2，r2)、(ρ3，θ3，r3),求出两圆在极坐标下的交点坐标A(ρ4，θ4)、B(ρ5，θ5)；

得到最强两个基站的两交点坐标的极角θ。

5.根据权利要求1所述的基于蓝牙定位方法，其特征在于上述第七步中假设假设三个蓝牙基站MAC1、MAC2、MAC3的坐标分别为(与坐标原点距离长度ρ，极角θ，圆半径r)：(ρ1，θ1，r1)、(ρ2，θ2，r2)、(ρ3，θ3，r3),两圆在极坐标下的交点坐标A(ρ4，θ4)、B(ρ5，θ5)；

得到最强两个基站的两交点坐标的极径ρ。

6.根据权利要求4或5所述的基于蓝牙定位方法，其特征在于上述第十二步包括如下步骤：

第1)步：根据公式(1)计算出蓝牙与终端设备Z1之间的两个相交点1、2；

第2)步：利用|ρ1ρ2|＝√ρ12+ρ22-2ρ1ρ1cos(θ1-θ2)得到终端S与两个相交点之间的距离|S1|、|S2|；

第3)步：判断|S1|＞|S2|，若为是选择相交点2；若为否选择相交点1；

第4)步：得到终端S与相交点1、2之间的中点P1；

第5)步：重复上述第1)步到第4)步，得到中点P2、P3；

第6)步：选出P1、P2、P3中距离最近的两点，并舍弃最远的一点；

第7)步：求出最近两点的中点并将其置为终端S的最终确定点并置信号量并将信号量cnum置为1，当该点移动时，将cnum设置为0。