CN114025426B - 一种联合蓝牙aoa和rssi的室内定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联合蓝牙AOA和RSSI的室内定位系统，包括利用蓝牙扫描连接模块连接数据包广播模块，将连接信号上传至上位机，数据包广播模块，使用恒定音扩展发送包含AOA tone信息的数据包至数据包接收处理模块，数据包接收处理模块接收包含AOA tone信息的数据包，进行处理得到目标角度和RSSI值，并上传到上位机处理模块中，上位机处理模块接收目标角度数据和RSSI值，并对所述RSSI值进行校准和数据降噪处理，综合坐标计算得到待定位设备的目标位置。本发明所提供的系统，利用蓝牙连接待定位设备，获取包含AOA tone信息的数据包，提取AOA角度和RSSI值，同时结合AOA角度和RSSI值实现高精准的定位，降低了系统的功耗，设备操作简单，采用较少的设备，减少了设备的成本。

Description

一种联合蓝牙AOA和RSSI的室内定位系统
技术领域
本发明涉及蓝牙定位领域，特别是涉及一种联合蓝牙AOA和RSSI的室内定位系统。
背景技术
近年来，传统室内定位技术方法主要分为以下几种：超声波室内定位技术、WIFI室内定位技术、UWB技术定位。超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，且超声波频率受多普勒效应和温度影响，同时也需要大量基础硬件设施，成本较高，缺点非常明显。WIFI室内定位技术缺点也很明显，定位之前需要采集每个地点的特征信号，而且需要多个基站，操作复杂不管是设备成本还是操作成本都很高。UWB定位技术虽然定位精度能够达到要求，但是设备成本较高，射频频段工作在6-7GHz，设计难度大，软件复杂，商用场合受限。
综上所述可以看出，如何构建定位准确且成本低的定位系统是目前有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种联合蓝牙AOA和RSSI的室内定位系统解决了定位准确并且设备成本低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种联合蓝牙AOA和RSSI的室内定位系统，包括：蓝牙扫描连接模块、待定位设备中的数据包广播模块、数据包接收与处理模块和上位机处理模块；所述蓝牙扫描连接模块，作为蓝牙主设备，用于连接所述数据包广播模块，将连接信号利用异步收发传输器发送到所述上位机处理模块并共享连接参数；所述数据包广播模块，作为蓝牙从设备，用于与所述蓝牙扫描连接模块建立连接，并使用恒定音扩展发送包含AOA tone信息的数据包至所述数据包接收与处理模块；所述数据包接收与处理模块，用于接收所述包含AOA tone的信息数据包，并进行同相和正交分量I/Q值的采样，提取所需的幅度和相位数据，利用单片机进行处理得到目标角度数据和RSSI值，将所述目标角度数据和所述RSSI值上传至所述上位机处理模块；所述上位机处理模块，用于接收所述目标角度数据和所述RSSI值，并对所述RSSI值进行校准和数据降噪处理，综合坐标计算得到所述待定位设备的目标位置。
在本发明的一个实施例中，所述蓝牙扫描连接模块还包括：启动单元，用于给所述数据包广播模块发送启动AOA请求信息，并配置所述包含AOA tone信息的数据包。
在本发明的一个实施例中，所述上位机处理模块包括：数据校准单元和数据降噪单元。
在本发明的一个实施例中，所述数据校准单元，用于对蓝牙主从设备相距于阈值一米距离时的RSSI值进行连续采集及平均化处理，并作为RSSI距离计算公式中所述蓝牙扫描连接模块和所述数据包广播模块相距阈值一米时的参考标准值。
在本发明的一个实施例中，所述数据降噪单元，用于将上传的RSSI值作平滑处理。
在本发明的一个实施例中，所述蓝牙主设备采用的蓝牙芯片为CC2640R2F芯片。
在本发明的一个实施例中，所述连接参数包括：访问地址、主睡眠时钟精度和循环冗余校验初始化。
在本发明的一个实施例中，所述数据接收与处理模块包括：数据接收天线单元和单片机处理单元。
在本发明的一个实施例中，所述数据接收天线单元，用于接收所述数据广播模块发送的所述嵌入了AOA tone信息的数据包。
在本发明的一个实施例中，所述单片机处理单元，用于将所述同相和正交分量I/Q值计算转换为角度，并读取所述RSSI值。
本发明所提供的一种联合蓝牙AOA和RSSI的室内定位系统，通过所述蓝牙扫描连接模块连接所述数据包广播模块，将连接信号上传至上位机，所述数据包广播模块，使用恒定音扩展发送包含AOA tone信息的数据包至所述数据包接收处理模块，所述数据包接收处理模块接收包含AOA tone信息的数据包，进行处理得到目标角度和RSSI值，并上传到所述上位机处理模块中，所述上位机处理模块接收所述目标角度数据和所述RSSI值，并对所述RSSI值进行校准和数据降噪处理，综合坐标计算得到待定位设备的目标位置。本发明所提供的系统，利用蓝牙连接待定位设备，获取包含AOA tone信息的数据包，提取AOA角度和RSSI值，同时结合AOA角度和RSSI值实现高精准的定位，降低了系统的功耗，设备操作简单，采用较少的设备，减少了设备的成本。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种联合蓝牙AOA和RSSI的室内定位系统结构框图；
图2为本发明所提供的数据包结构图；
图3为本发明所提供的数据降噪示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种联合蓝牙AOA和RSSI的室内定位系统，实现了通过简单系统实现了精准定位。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，图1为本发明所提供的一种新型可调光谱光强的植物照明系统结构框图，包括：蓝牙扫描连接模块、待定位设备中的数据包广播模块、数据包接收与处理模块和上位机处理模块。
所述蓝牙扫描连接模块12与所述数据包广播模块11通过蓝牙连接，所述蓝牙扫描连接模块12通过数据线连接上位机处理模块14，所述数据包接收与处理模块13通过数据线连接所述上位机处理模块14。
所述蓝牙扫描连接模块12，作为蓝牙主设备，用于连接所述数据包广播模块，将连接信号利用异步收发传输器发送到所述上位机处理模块并共享连接参数。
所述数据包广播模块11，作为蓝牙从设备，用于与所述蓝牙扫描连接模块建立连接，并使用恒定音扩展发送包含AOA tone信息的数据包至所述数据包接收与处理模块。
所述数据包接收与处理模块13，用于接收所述包含AOA tone信息的数据包，并进行同相和正交分量I/Q值的采样，提取所需的幅度和相位数据，利用单片机进行处理得到目标角度数据和RSSI值，将所述目标角度数据和所述RSSI值上传至所述上位机处理模块。
所述上位机处理模块14，用于接收所述目标角度数据和所述RSSI值，并对所述RSSI值进行校准和数据降噪处理，综合坐标计算得到目标位置。
在本实施例所提供的系统中，利用所述蓝牙扫描连接模块连接所述数据包广播模块，将连接信号上传至上位机，所述数据包广播模块，使用恒定音扩展发送包含AOA tone信息的数据包至所述数据包接收处理模块，所述数据包接收处理模块接收包含AOA tone信息的数据包，进行处理得到目标角度和RSSI值，并上传到所述上位机处理模块中，所述上位机处理模块接收所述目标角度数据和所述RSSI值，并对所述RSSI值进行校准和数据降噪处理，综合坐标计算得到待定位设备的目标位置。本发明通过蓝牙与待定位设备连接，获取待定位设备发送的AOA tone信息的数据包，提取信息并计算得到角度和RSSI值，利用上位机进行计算，得到待定位设备的位置信息，实现了高精度定位，并且设备操作简单，设备成本低。
基于上述实施例，本实施例对一种联合蓝牙AOA和RSSI的室内定位系统进行了更加详细的说明；
所述蓝牙扫描连接模块包括启动单元，用于给所述数据包广播模块发送启动AOA请求信息，并配置所述包含AOA tone信息的数据包。
所述蓝牙扫描连接模块作为主设备，采用的蓝牙芯片为CC2640R2F芯片和CC2642R芯片，在本发明的此实施例中不做限定。
运行完整的蓝牙协议栈(BLE stack)，并充当蓝牙主设备。用于扫描并通过BLE连接到数据包广播模块。建立连接后，它将通过UART将连接信息发送到上位机处理模块与上位机共享连接参数，包括访问地址，主睡眠时钟精度和循环冗余校验(Cyclic RedundancyCheck，CRC)初始化，并且发送启动AOA请求信息，配置广播模块发送的数据包。
所述数据包广播模块，运行完整的协议栈BLE stack，并在通信系统中充当蓝牙从设备，其为需要待定位的设备。用于广播并与主设备建立连接。并且将使用恒定音扩展(Constant Tone Extension，CTE)发送嵌入了AOA tone信息的数据包。
其中，AOA tone信息的数据包，是通过在发送的连接数据包中末尾添加一段连续的1实现，且其有效地在载波频率+250kHz上传输单音信号。在数据包的header中，CTEPresent位决定该header是否包含CTE info信息。CTE info的CTE Type字段进一步标记定位数据包类型，而CTE Time字段指定CTE持续时间，且单位为8us。表明当CTE Time设置为20时，CTE的持续时间为160us。这使接收模块有时间先同步解调器，然后将来自单音调250kHz部分的I和Q样本存储到缓冲区中，最后可由单片机中的AOA应用程序对该缓冲区进行处理与计算得到角度，如图2所示。
所述数据接收与处理模块，所述数据接收与处理模块包括：数据接收天线单元和单片机处理单元。
所述数据接收天线单元，用于接收所述数据广播模块发送的所述嵌入了AOA tone信息的数据包。
所述单片机处理单元，用于将所述同相和正交分量I/Q值计算转换为角度，并计算得到所述RSSI值。
用于接收具有CTE的数据包并执行同相和正交分量I/Q采样，获取幅度和相位数据，并且模块将在各个天线之间快速切换，同时测量连接不同天线间路径长度差异而导致的相移，并记录在缓存中。最终，单片机将I/Q值计算转换为角度，并将其与RSSI值通过串口同时上传至上位机处理模块进行处理。
所述上位机处理模块包括：数据校准单元和数据降噪单元。
所述数据校准单元，用于对蓝牙主从设备相距于阈值一米距离时的RSSI值进行连续采集及平均化处理，并作为RSSI距离计算公式中所述蓝牙扫描连接模块和所述数据包广播模块相距阈值一米时的参考标准值，以减小因环境因素对RSSI值变化产生的影响。
所述数据降噪单元，用于将上传的RSSI值作平滑处理，例如选择但不局限于每五个数值为一组的动态中位数处理为标准，以降低因环境因素产生的RSSI值波动，请参考图3。
用于提取串口数据，进行初始RSSI值的校正与数据降噪，最终执行坐标计算以实现目标位置定位。
本实施例所提供的系统中，重点对系统内部的作用进行了详细的说明，蓝牙扫描连接模块采用启动单元，传输启动AOA请求信息，数据包广播模块发送包含AOA tone信息的数据包，数据接收天线单元接收所述数据广播模块发送的所述嵌入了AOA tone信息的数据包，进行提取所需的信息，利用单片机处理单元将所述同相和正交分量I/Q值计算转换为角度，并计算得到所述RSSI值；将角度数据和RSSI值通过串口上传至上位机模块，上位机处理模块接收串口数据，对RSSI值进行校准和降噪，最终执行坐标计算实现待定位设备的目标位置。本发明所提供的系统，通过一个系统联合AOA和RSSI实现定位，通过系统中的装置对信息数据的提取，计算得到角度和RSSI值，对RSSI值的校准和降噪，实现了准确定位，并且系统的功耗还小，设备操作简单，成本低。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的一种联合蓝牙AOA和RSSI的室内定位系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种联合蓝牙AOA和RSSI 的室内定位系统，其特征在于，包括：蓝牙扫描连接模块、用于被定位的数据包广播模块、数据包接收与处理模块和上位机处理模块；
所述蓝牙扫描连接模块，作为蓝牙主设备，用于连接所述数据包广播模块，将连接信号利用异步收发传输器发送到所述上位机处理模块并共享连接参数；
所述数据包广播模块，作为蓝牙从设备，用于与所述蓝牙扫描连接模块建立连接，并使用恒定音扩展发送包含AOA tone 信息数据包至所述数据包接收与处理模块，所述蓝牙扫描连接模块还包括：启动单元，用于给所述数据包广播模块发送启动AOA 请求信息，并配置所述包含AOA tone 信息数据包；
所述数据包接收与处理模块，用于接收所述包含AOA tone 信息数据包，并进行同相和正交分量I/Q 值的采样，提取所需的幅度和相位数据，利用单片机进行处理得到目标角度数据和 RSSI 值，将所述目标角度数据和所述RSSI 值上传至所述上位机处理模块；
所述上位机处理模块，用于接收所述目标角度数据和所述 RSSI 值，并对所述RSSI 值进行校准和数据降噪处理，综合坐标计算得到目标位置；
所述上位机处理模块包括：数据校准单元和数据降噪单元，所述数据校准单元，用于对蓝牙主从设备相距于阈值一米距离时的RSSI 值进行连续采集及平均化处理，并作为RSSI距离计算公式中所述蓝牙扫描连接模块和所述数据包广播模块相距阈值一米时的参考标准值，对整个距离值进行平均化处理；所述数据降噪单元，用于将上传的RSSI 值作平滑处理。
2.如权利要求 1 所述的系统，其特征在于，所述蓝牙主设备采用的蓝牙芯片为CC2640R2F 芯片。
3.如权利要求 1 所述的系统，其特征在于，所述连接参数包括：访问地址、主睡眠时钟精度和循环冗余校验初始化。
4.如权利要求 1 所述的系统，其特征在于，所述数据包接收与处理模块包括：数据接收天线单元和单片机处理单元。
5.如权利要求 4 所述的系统，其特征在于，所述数据包接收天线单元，用于接收所述数据包广播模块发送的包含AOA tone 信息数据包。
6.如权利要求 4 所述的系统，其特征在于，所述单片机处理单元，用于将所述同相和正交分量 I/Q 值计算转换为角度，并计算得到所述RSSI 值。
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