CN110068791A - 基于阵列天线的室内定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于阵列天线的室内定位系统，涉及室内定位技术领域，本发明包括定位标签、定位基站和定位服务器，定位标签间歇性发送信号，信号包含标签ID信息，定位基站接收信号并解析定位标签的相对位置，将相对位置信息发送给定位服务器，定位服务器根据预设坐标计算定位标签的位置。本发明采用低成本阵列天线+蓝牙实现高精度室内定位，定位精度可达10cm，是纯蓝牙定位精度的10倍以上，系统整体部署成本与蓝牙定位相当，利用阵列天线的测角功能测量信号发射源的方位，结合阵列定位算法实现精确定位；利用蓝牙低成本、低功耗、普及性强等特点实现密集用户的辨识和低成本系统建设，市场前景巨大。
Description
技术领域
本发明属于室内定位领域，涉及室内精确定位技术，具体是一种基于阵列天线的室内定位系统。
背景技术
随着信息化、智能化的发展，越来越多的行业领域开始采用高精度室内定位技术来推动行业管理或服务升级。工业4.0需要室内精确定位技术提供精确的位置信息，室内的各类机器人需要精确的位置信息用于辅助导航或工作，机场、火车站等公共场所需要为乘客提供定位导航服务，引导乘客以最快时间到达登机口或检票口；商场商城需要方便简洁的获得顾客的地理位置信息，以提供基于位置的增值服务推送业务。而看守所、戒毒所等监所由于警情预警、人员追踪、轨迹分析、无陪同告警等的需要，也有对工作人员及受监人员的精确定位需求。
目前的室内定位技术和产品的精度和成本难以满足市场的需求，主要原因有以下几点：
(一)成本低的精度过低：如目前技术成熟价格便宜的蓝牙、WIFI、ZigBee等技术，定位精度3m～10m，不能满足实际精确定位的需求。同时，这些受环境因素影响大，定位精度不稳定，不能持续可靠提供有效的可信赖的定位服务；
(二)精度高的成本高：相比WIFI、蓝牙这种精度太低只能做做导航类的技术，UWB定位体现了厘米级的高精度，但成本过高。像监所这种房间很多的场景，UWB基站数量需要随房间数成倍数增长。有过统计表明，一个5000人左右的监狱需要布置至少2000个基站，按8000元/基站计算，单基站成本就至少需要1600万元，这种成本的技术很难在监所普及。
(三)现有的技术应用存在诸多限制：如RFID、UWB，其通信距离和用户容量受限，一般仅支持1m～10m范围内单个用户定位，不能满足公共场所人员密集场景的实际定位需求。
已有的定位和区域管控技术主要基于RSSI强度测量和相位测量两种，具体的定位算法和方法主要包括DOA、TOA几种技术体制，根据载体和技术手段不同，室内定位的有以下六种类型：
(1)基于RFID的室内定位
RFID定位精度一般在3m量级，仅用于区域性定位。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，中国专利(授权公告号CN108074206A)基于RFID的校园监护方法、装置、服务器及系统采用的这种方法；
(2)基于蓝牙beacon的定位方法
蓝牙定位的精度与布设密集有关，精度一般在1m～10m之间。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，其中中国专利(授权公告号CN201711238640.6)一种基于蓝牙的室内定位系统及方法就是采用这种方法，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；
(3)基于WIFI的定位
基于WIFI的定位与蓝牙基本相同，精度相当，一般在1m～10m，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，中国专利(授权公告号CN108168563A)一种基于WiFi的大型商场室内定位导航方法采用这种方法，该方法与蓝牙存在同样的问题；
(4)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，但传统具有较高精度测角能力的阵列天线规模较大，成本高昂，目前未见产品应用；
(5)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；
(6)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。中国专利(授权公告号CN201810184130)一种室内LED可见光定位方法、系统及装置采用这种方法，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，目前尚不具备工程应用性。
现提供一种低成本、高精度、大容量、广兼容的基于阵列天线的室内定位系统，解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于阵列天线的室内定位系统，利用阵列天线的测角功能测量信号发射源的方位，结合阵列定位算法实现精确定位，利用蓝牙低成本、低功耗、普及性强等特点实现密集用户的辨识和低成本系统建设，为工业4.0、室内机器人、公共安全、室内导航等提供精确的室内位置信息。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于阵列天线的室内定位系统，包括定位标签、定位基站、定位服务器；
其中，所述定位标签间歇性向定位基站发送标签信号，该标签信号内包含标签ID信息；所述定位基站接收标签信号并根据标签信号解析定位标签的相对位置，所述定位基站将相对位置信息传输到定位服务器，所述定位服务器用于根据预设坐标系和相对位置信息计算定位标签的位置；定位的核心是测定标签位置的方法，具体计算方法为：
步骤一：定位基站采用阵列天线测量蓝牙标签与定位基站垂线之间的夹角，获取到夹角信息，夹角信息包括水平方向夹角θ和俯仰方向夹角β；
步骤二：将夹角信息传送至定位服务器，定位服务器建立坐标系，并自动获取到定位基站的位置(x0,y0)；同时获取到定位基站与标签的之间的水平高度差，将该水平高度差标记为h；
步骤三：根据定位基站的位置(x0,y0)和高度h计算标签的位置(x,y)：
x＝h*tanθ+x0，
y＝h*tanβ+y0。
进一步地，其中，所述定位标签发送的标签信号为蓝牙或RFID信号，发送频率为100ms—5000ms一次，发射功率-4dBm—+4dBm。
进一步地，所述定位基站包括阵列天线、定位模块、蓝牙解析模块、同步处理模块和通信模块；
其中，所述阵列天线用于对标签信号进行接收、放大和滤波之后得到点频信号，并将点频信号传输到定位模块；所述阵列天线的设计采用矩形布阵，单元间距选为60cm，阵列天线实现选用贴片天线形式；
阵列天线与蓝牙解析模块、定位模块通过PCB印刷一次成型加工制作；
所述定位模块同时接收若干个阵列天线的点频信号，通过比较若干个天线单元接收信号时间差可以计算发射源即定位标签与阵列天线阵面之间的夹角信息；具体表现为：
S1：通过排列成面阵的天线单元，获得信号源的二维角度信息，计算出水平方向夹角θ和俯仰方向夹角β；
S2：将角度信息输出至同步模块，使用中，将阵列天线基站安装在天花板屋顶，已知其距离地面的高度；
S3：根据高度与二维角度信息，可以测算出信号源的实际坐标，也就是信号源的地理位置信息；
其中，蓝牙解析模块通过天线接收标签信号并解析标签ID信息，以区分多个标签，将标签ID信息传输到同步处理模块；
其中，所述同步处理模块用于将该标签ID信息与测算出来的地理位置信息进行关联，从而实现用户信息识别与室内定位的结合；由于同时存在多个用户，需要对不同用户的信息进行区分与分组，将角度信息与标签ID信息相关联形成关联信息，以实现同时多用户的识别与定位，并将关联信息传输到通信模块；
其中，所述通信模块通过有线网络或无线wifi将关联信息发送至定位服务器，定位服务器负责计算标签的具体位置。
进一步地，所述定位服务器主要用于在计算机上运行定位算法，所述定位服务器包括坐标设置模块、位置计算模块、多点优化模块和位置显示模块；
其中，所述坐标设置模块中设置若干个定位基站的位置、高度信息；
所述位置计算模块用于根据基站的位置、高度、联合定位基站发来的夹角信息，计算标签的位置；
所述多点优化模块根据若干个定位基站的定位结果联合计算，进一步优化定位精度，通过联合若干个定位基站共同对同一标签实施定位，通过若干个基站多次定位的数据累积，去除奇异数值；
所述位置显示模块根据室内定义的坐标，将标签位置映射到房间坐标，并以二维图的形式展现。
本发明的有益效果：
1、本发明采用阵列天线技术实现低成本室内定位系统，阵列天线常用于雷达、军用通信、SAR成像等领域，本发明引入了阵列天线技术，改变传统依靠信号强度定位的模式；
2、本发明通过硬件成本较低的阵列天线，结合测角技术实现蓝牙标签ID与地理位置的同时采集，实现同时多用户的精确定位功能，以极低的部署成本的实现高精度定位，是性价比较高的定位技术；
3、本发明采用基于相位的检测，同时具备极高的灵敏度，不受室内环境的影响，传统基于信号强度的定位系统，信号在室内被金属反射、墙壁遮挡时会造成极大的误差，当室内环境复杂时几乎无法应用；
4、本发明在不同标签的标识上基于蓝牙协议体系，单个定位基站可以支持50～300个定位标签，用户容量巨大；
5、本发明兼容蓝牙和RFID终端，阵列天线系统工作在2.4GHz，根据后端解析模块的不同，可以支持蓝牙和RFID类型的标签和设备，由于其基于蓝牙信号的特点，本发明还可兼容市面的智能手机、平板电脑、智能手表等携带蓝牙模块的设备，系统整体成本低，兼容性好，容易推广应用。
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为本发明基于阵列天线的室内定位系统的组成框图；
图2为本发明定位原理示意图；
图3为本发明定位基站的安装及高度值确定原理示意图；
图4为本发明定位基础覆盖范围原理示意图；
图5为本发明定位基站的部署方案示意图。
具体实施方式
如图1-5所示，一种基于阵列天线的室内定位系统，包括定位标签、定位基站、定位服务器；
所述定位标签间歇性向定位基站发送标签信号，该标签信号内包含标签ID信息；所述定位基站接收标签信号并根据标签信号解析定位标签的相对位置，所述定位基站将相对位置信息传输到定位服务器，所述定位服务器用于根据预设坐标系和相对位置信息计算定位标签的位置；定位原理如图2所示；定位的核心是测定标签位置的方法，具体计算方法为：
步骤一：定位基站采用阵列天线测量蓝牙标签与定位基站垂线之间的夹角，获取到夹角信息，夹角信息包括水平方向夹角θ和俯仰方向夹角β；
步骤二：将夹角信息传送至定位服务器，定位服务器建立坐标系，并自动获取到定位基站的位置(x0,y0)；同时获取到定位基站与标签的之间的水平高度差，将该水平高度差标记为h；
步骤三：根据定位基站的位置(x0,y0)和高度h计算标签的位置(x,y)：
x＝h*tanθ+x0，
y＝h*tanβ+y0；
其中，所述定位标签发送的标签信号为蓝牙或RFID信号，发送频率为100ms—5000ms一次，发射功率-4dBm—+4dBm；
定位基站和定位服务器如图1所示，其中，所述定位基站包括阵列天线、定位模块、蓝牙解析模块、同步处理模块和通信模块；
其中，所述阵列天线用于对标签信号进行接收、放大和滤波之后得到点频信号，并将点频信号传输到定位模块；阵列天线是本项目的核心，所述阵列天线的设计采用矩形布阵，单元间距约60cm，阵列天线实现选用贴片天线形式，空间占用少，成本低，不需要单独组装天线，不易触碰损坏，整机组装方便；
阵列天线与蓝牙解析模块、定位模块通过PCB印刷一次成型加工制作，适合批量生产，成本低廉；
所述定位模块同时接收若干个阵列天线的点频信号，通过比较若干个天线单元接收信号时间差可以计算发射源即定位标签与阵列天线阵面之间的夹角信息；具体表现为：
S1：通过排列成面阵的天线单元，获得信号源的二维角度信息，计算出水平方向夹角θ和俯仰方向夹角β；
S2：将角度信息输出至同步模块，使用中，将阵列天线基站安装在天花板屋顶，已知其距离地面的高度；
S3：根据高度与二维角度信息，可以测算出信号源的实际坐标，也就是信号源的地理位置信息；
其中，蓝牙解析模块通过天线接收标签信号并解析标签ID信息，以区分多个标签，将标签ID信息传输到同步处理模块；
其中，所述同步处理模块用于将该标签ID信息与测算出来的地理位置信息进行关联，从而实现用户信息识别与室内定位的结合；由于同时存在多个用户，需要对不同用户的信息进行区分与分组，将角度信息与标签ID信息相关联形成关联信息，以实现同时多用户的识别与定位，并将关联信息传输到通信模块。
其中，所述通信模块通过有线网络或无线wifi将关联信息发送至定位服务器，定位服务器负责计算标签的具体位置；
所述定位服务器主要用于在计算机上运行定位算法和软件系统，所述定位服务器包括坐标设置模块、位置计算模块、多点优化模块和位置显示模块；
其中，所述坐标设置模块中设置多个定位基站的位置、高度等信息；
所述位置计算模块用于根据基站的位置、高度、联合定位基站发来的夹角信息，计算标签的位置；
所述多点优化模块根据多个定位基站的定位结果联合计算，进一步优化定位精度，通过联合多个定位基站共同对同一标签实施定位，通过多个基站多次定位的数据累积，去除奇异数值，从而得到更精确的位置。
所述位置显示模块根据室内定义的坐标，将标签位置映射到房间坐标，并以二维图的形式展现。
本发明可以将定位基站装在室内房顶上，定位基站通过无线或有线网络与室位服务器连接，测量定位标签与定位基站之间的水平高度差，记录定位基站相对于房间的坐标(x0，y0)，记录高度差H；
在测量标签与定位基站水平高度差之后，根据高度差计算定位基站的定位覆盖范围，定位范围根据基站的性能和定位精度不同，可以选取正负60度，或正负45度，计算方法如下图所示，覆盖范围f＝H*tan(π/3)或f＝H*tan(π/4)；
之后根据定位基站的覆盖范围，按照步骤1在房间内部署定位基站，保证定位基站对房间的全覆盖房，每个定位基站都与定位服务器连接；
最后建议房间的坐标系，将所有测量值及基站位置、定位标签的位置映射到房间坐标系；
本发明的基于阵列天线的室内定位系统，主要用途和服务领域：
(1)工业4.0及安全生产
工业4.0要求物料出入、产品输出输入实行全自动化，其中货物运送车、加工机器等需要精确定位信息作为指导和基准，一些大型机械、危险生产设备的边界划定，如煤矿等企业对大型设备需要通过定位实现危险区域的报警。
(2)化工厂人员定位管理
由于近几年化工厂爆炸、火灾、有毒气体泄漏等事故频发，危险性较高，因此对于作业人员的安全保障尤为重要，基于实时定位技术，可以对不同区域的作业人员进行实时定位管理，查看每个区域的人员分布状况、移动轨迹等数据，通过设置电子围栏，可以实现区域越界预警、滞留预警、长时间静止预警等功能，充分保障人员及区域安全。
(3)公共安全及应急响应
针对火车站、机场等手机、PAD等设备的定位，可以实时了解公共场所的人员分布状况，为公共安全提供支撑，在紧急情况下，每一个人都想被救援人员精确定位到，大到建筑物的位置，甚至是楼层或者房间号。
(4)医院电子导医与病患监护
基于准室内定位技术，可实现“精准电子导医、病患定位监护、医疗设备定位管理、电子围栏”等功能。一方面给前来就医的病患提供针对整个院区的精准导航服务，让病患借助医院APP或者微信公众号可以快速导航至相应的诊疗科室；另外一方面可以对特殊病患进行定位管理，防止病患不遵医嘱发生意外。
(5)养老院老人定位监护
“老人位置监护系统”可以对所有老人实现全天候的位置管理。通过给老人佩戴定位胸牌或手环，集成“一键求助”按钮，当老人意外摔倒或是发生其他危机病情，只需按下“一键求助”按钮，即可通知相关人员赶来救援；管理人员可以依据定位数据，快速找到老人进行救援，防止老人发生意外。
(6)地铁隧道施工人员定位管理
通过对施工现场的人员进行定位管理，可实时获知其位置、是否在岗、工作时长，让考勤和管理更加便捷；危险紧急求助功能可以让施工人员在遇到危险时实现快速的救援与自救。
(7)智慧大楼人员及访客管理
可实现办公大厦内的精准位置导航，员工及访客数字化管理。可对进入办公大楼或产业园区内的访客进行实时定位管理，查看其实时位置、移动轨迹。通过设置电子围栏，可以加强对涉密及其他重要区域的安全管理，防止访客未经授权进入限制区域。除此之外，还可实现企业资产定位管理等功能，助力打造高效智慧的办公空间。
(8)会展导航与精准营销
基于精准位置感知技术，可实现展馆内展位导航，观众位置信息收集，客户精准营销，办展数据分析等功能，提升办展效果。
(9)公共场所服务导航
可用于公共场所如机场、火车站的服务设施、用户窗口的导引等。适用于日常火车站、机场等公共场所人员的定位，公众可通过普通蓝牙终端，例如智能手机、平板电脑、智能手表等携带蓝牙模块的终端设备连接场所内设置的阵列天线基战，获取自己所在的室内地理位置信息，并依据车站、机场的引导路线快速到达检票口或登机口。
(10)监狱、看守所及戒毒所等监所人员管控
监狱、看守所及戒毒所等监所需要实时监控人员的位置、轨迹和活动，通过在监所内布设有限数量阵列天线基站，实时精确地定位嫌犯、干警身上佩戴的定制标签的位置，零延时地将两者的位置信息和ID信息准确地反映到监控室，有效进行警情预警、人员追踪、轨迹分析、无陪同告警等。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.基于阵列天线的室内定位系统，其特征在于，包括定位标签、定位基站、定位服务器；
其中，所述定位标签间歇性向定位基站发送标签信号，该标签信号内包含标签ID信息；所述定位基站接收标签信号并根据标签信号解析定位标签的相对位置，所述定位基站将相对位置信息传输到定位服务器，所述定位服务器用于根据预设坐标系和相对位置信息计算定位标签的位置；定位的核心是测定标签位置的方法，具体计算方法为：
步骤一：定位基站采用阵列天线测量蓝牙标签与定位基站垂线之间的夹角，获取到夹角信息，夹角信息包括水平方向夹角θ和俯仰方向夹角β；
步骤二：将夹角信息传送至定位服务器，定位服务器建立坐标系，并自动获取到定位基站的位置(x0,y0)；同时获取到定位基站与标签的之间的水平高度差，将该水平高度差标记为h；
步骤三：根据定位基站的位置(x0,y0)和高度h计算标签的位置(x,y)：
x＝h*tanθ+x0，
y＝h*tanβ+y0。
2.根据权利要求1所述的基于阵列天线的室内定位系统，其特征在于，其中，所述定位标签发送的标签信号为蓝牙或RFID信号，发送频率为100ms—5000ms一次，发射功率-4dBm—+4dBm。
3.根据权利要求1所述的基于阵列天线的室内定位系统，其特征在于，所述定位基站包括阵列天线、定位模块、蓝牙解析模块、同步处理模块和通信模块；
其中，所述阵列天线用于对标签信号进行接收、放大和滤波之后得到点频信号，并将点频信号传输到定位模块；所述阵列天线的设计采用矩形布阵，单元间距选为60cm，阵列天线实现选用贴片天线形式；
阵列天线与蓝牙解析模块、定位模块通过PCB印刷一次成型加工制作；
所述定位模块同时接收若干个阵列天线的点频信号，通过比较若干个天线单元接收信号时间差可以计算发射源即定位标签与阵列天线阵面之间的夹角信息；具体表现为：
S1：通过排列成面阵的天线单元，获得信号源的二维角度信息，计算出水平方向夹角θ和俯仰方向夹角β；
S2：将角度信息输出至同步模块，使用中，将阵列天线基站安装在天花板屋顶，已知其距离地面的高度；
S3：根据高度与二维角度信息，可以测算出信号源的实际坐标，也就是信号源的地理位置信息；
其中，蓝牙解析模块通过天线接收标签信号并解析标签ID信息，以区分多个标签，将标签ID信息传输到同步处理模块；
其中，所述同步处理模块用于将该标签ID信息与测算出来的地理位置信息进行关联，从而实现用户信息识别与室内定位的结合；由于同时存在多个用户，需要对不同用户的信息进行区分与分组，将角度信息与标签ID信息相关联形成关联信息，以实现同时多用户的识别与定位，并将关联信息传输到通信模块；
其中，所述通信模块通过有线网络或无线wifi将关联信息发送至定位服务器，定位服务器负责计算标签的具体位置。
4.根据权利要求1或3所述的基于阵列天线的室内定位系统，其特征在于，所述定位服务器主要用于在计算机上运行定位算法，所述定位服务器包括坐标设置模块、位置计算模块、多点优化模块和位置显示模块；
其中，所述坐标设置模块中设置若干个定位基站的位置、高度信息；
所述位置计算模块用于根据基站的位置、高度、联合定位基站发来的夹角信息，计算标签的位置；
所述多点优化模块根据若干个定位基站的定位结果联合计算，进一步优化定位精度，通过联合若干个定位基站共同对同一标签实施定位，通过若干个基站多次定位的数据累积，去除奇异数值；
所述位置显示模块根据室内定义的坐标，将标签位置映射到房间坐标，并以二维图的形式展现。
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