CN114598994A - 一种映射已有蓝牙基站的方法及终端 - Google Patents

一种映射已有蓝牙基站的方法及终端 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种映射已有蓝牙基站的方法及终端，其方法包括:蓝牙可移动扫描设备在第一位置接收蓝牙基站发送过来的第一无线信号，蓝牙基站已经部署在固定位置上；基于第一无线信号和自身的天线类型得到第一蓝牙数据和第一俯仰角，天线类型包括单一天线和天线阵列，蓝牙数据包括AoA和AoD；根据第一蓝牙数据、第二数据以及第一位置的位置数据得到蓝牙基站的位置数据，第二数据为蓝牙基站的离地高度和第一俯仰角或者为蓝牙可移动扫描设备在第二位置所得到的第二蓝牙数据和第二位置的位置数据。本发明能实现对蓝牙基站更加便捷且更高精度的定位。

Description

一种映射已有蓝牙基站的方法及终端
技术领域
本发明属于定位技术领域，具体涉及一种映射已有蓝牙基站的方法及终端。
背景技术
高精定位是室内导航、公共安全、设备监控等服务的基础。无线技术，比如：Wi-Fi(无线网络通信技术)，蓝牙(BLE，Bluetooth Low Energe)和超宽带(UWB，Ultra WideBand)，在物联网和移动通讯领域应用非常广泛。无线技术是室内定位的技术基础。
有许多方法可以来提供定位服务。其中，应用最广泛的解决方案是SLAM(Simultaneous Localization And Map，即时定位与地图构建)技术。它利用已有的Wi-Fi/蓝牙网络框架，来对指定的移动终端设备进行定位。这个方法先找出Wi-Fi/蓝牙基站的位置存储在数据库里；然后，用户基于这些基站的位置数据，通过估算移动终端设备和基站的相对位置来找到移动终端设备的绝对位置。每个数据库的记录包含基站BSSID(BasicService Set Identifier，基本服务集标识符)、UUID(Universally Unique Identifier，通用唯一识别码)或MAC(Media Access Control Address，媒体存取控制位址)、估算的位置坐标以及RSS(Receiving Signal Strength，接收信号强度)。为了生成这样的数据库，一种或多种扫描设备被用来收集信号。通过分析被抓取到的信号数据包，可以得到基站的UUID/MAC，并测量RSS，基于扫描设备的位置坐标来确定目标基站的位置。基于上述的一种改进方法是：将信号强度转换为距离，这样，可以测量出多个位置，再利用三边理论计算出基站的位置。
上述方法存在一些问题。首先，信号强度很容易受周围环境的影响，人体、墙壁和其他障碍物都会改变接收信号的强度值。因此，基于信号强度来估算基站的位置可能会不准确。基站的位置不准确，就会给后面的位置服务带来误差。为了确保基站位置结果的高精度，扫描设备需要在尽可能多的观测点上观察同一个基站。但是，这个方法可能会需要非常多的时间和扫描工作，有时场景并不具备多位置扫描的条件。
2019年初，蓝牙技术联盟宣布蓝牙5.1引入了新的“寻向”功能，这个功能可检测蓝牙信号的方向，将大幅提高蓝牙定位的精确度，提供更好的位置服务，结束了以往通过RSSI信号强度的方式做低精度指纹定位的历史，为蓝牙技术解决物联网精准定位与导航问题奠定了基础。
依据被定位终端的上下行模式的不同，蓝牙高精度定位可以分为两种技术原理，分别是：
(1)、AoA到达角度法(Angle of Arrival)：它是利用单一天线信号源发射寻向讯号，而接收端的装置内建天线阵列，当信号通过时，会因阵列中接收到的不同距离，产生相位差异，进而计算出相对的信号方向。
(2)、AoD出发角度法(Angle of Departure)：它与前者相反，由已经固定位置具备天线阵列的基站来发送信号，传给单一天线终端，终端接收到天线阵列多个天线发出的信号后，通过计算信号间的相位差来估算出来波方向，进而定位。
无论是AoA还是AoD，其角度检测的基本原理是通过天线阵列获取信号在不同阵元上的相位差，然后，通过信号角度估计算法获得来波方向信息。蓝牙5.1标准协议为了更好地支持AoA/AoD，专门制定了信号IQ采样及CTE(Constant Tone Extension，固定频率扩展信号)的相关技术要求。但到目前为止，还没有一种解决方案使用了AoD/AoA技术来对蓝牙基站位置进行定位。
发明内容
本发明的目的是提供一种映射已有蓝牙基站的方法及终端，以对蓝牙基站进行高精度定位。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种映射已有蓝牙基站的方法，包括：
蓝牙可移动扫描设备在第一位置接收蓝牙基站发送过来的第一无线信号，所述蓝牙基站已经部署在固定位置上；
基于所述第一无线信号和自身的天线类型得到第一蓝牙数据和第一俯仰角，所述天线类型包括单一天线和天线阵列，所述蓝牙数据包括AoA和AoD；
根据所述第一蓝牙数据、第二数据以及所述第一位置的位置数据得到所述蓝牙基站的位置数据，所述第二数据为所述蓝牙基站的离地高度和第一俯仰角或者为所述蓝牙可移动扫描设备在第二位置所得到的第二蓝牙数据和第二位置的位置数据。
进一步地，还包括：
若所述蓝牙基站的离地高度未知，则在得到所述蓝牙基站的位置数据之后根据第一俯仰角或者所述蓝牙可移动扫描设备在第二位置所得到的第二个俯仰角计算得到所述蓝牙基站的离地高度。
进一步地，当所述第二数据为所述蓝牙基站的离地高度和第一俯仰角时，所述根据所述第一蓝牙数据、第二数据以及所述第一位置的位置数据得到所述蓝牙基站的位置数据为：
根据所述蓝牙基站的离地高度和第一俯仰角计算得到所述蓝牙基站与所述蓝牙可移动扫描设备之间的距离；
根据所述第一蓝牙数据、所述距离和所述第一位置的位置数据得到所述蓝牙基站的位置数据。
进一步地，当所述第二数据为所述蓝牙可移动扫描设备在第二位置所得到的第二蓝牙数据和第二位置的位置数据时，所述第二数据还包括通过所述蓝牙可移动扫描设备上的PDR传感器来检测出自身从所述第一位置移动到所述第二位置时的航位推算数据。
进一步地，当所述第二数据为所述蓝牙可移动扫描设备在第二位置所得到的第二蓝牙数据和第二位置的位置数据时，所述第二数据还包括所述蓝牙可移动扫描设备在地图或平面图上的坐标数据。
进一步地，所述蓝牙可移动扫描设备通过GPS传感器获取自身在每一个位置上的位置数据。
进一步地，所述第一无线信号包括RSSI、IQ采样数据和基站识别码，所述IQ采样数据由所述蓝牙可移动扫描设备在第一位置上根据所监听到的CTE数据包生成的。
进一步地，还包括：
存储所述蓝牙基站的基站识别码和所述蓝牙基站的位置数据。
进一步地，所述基站识别码为所述蓝牙基站的UUID或MAC。
为了解决上述技术问题，本发明还公开了一种蓝牙可移动扫描设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实施上述一种映射已有蓝牙基站的方法。
本项发明通过蓝牙可移动扫描设备来计算得到AoA或AoD，若此时知道蓝牙基站的离地高度，则只需要一个定位测量点就可以得到蓝牙基站的位置数据，若不知道蓝牙基站的离地高度，则通过第二个位置来得到第二组的AoA或AoD同样也可以得到蓝牙基站的位置数据；同时，本项发明使用AoA或AoD来定位现有蓝牙基站，其精度水平能达到1至3米，而仅使用RSS的测量方法其精度水平只能达到10至20米，因此，本项发明的定位精度更高，从而实现对蓝牙基站更加便捷且更高精度的定位。
附图说明
图1为天线阵列的一种蓝牙可移动扫描设备与蓝牙基站通信连接的结构示意图。
图2为单一天线的一种蓝牙可移动扫描设备与蓝牙基站通信连接的结构示意图。
图3为一种映射已有蓝牙基站的方法的流程示意图。
图4为蓝牙可移动扫描设备接收蓝牙基站的无线信号的流程示意图。
图5为蓝牙可移动扫描设备收集蓝牙基站的位置数据的流程示意图。
图6为通过Wi-Fi基站数据库来定位移动设备的流程示意图。
图7为通过蓝牙基站数据库来定位移动设备的流程示意图。
图8至图12为一种映射已有蓝牙基站的方法的不同实施方式的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明的具体实施例可以应用在：使用位置服务来使得商业运营和用户使用更便利。主要的应用领域包括：机场、展览馆、地下商场、学校、医院、工厂、仓库等。本发明可以帮助位置服务提供商来构建更准确的位置信息数据库。
实施例一
如图1和图2所示，一种蓝牙可移动扫描设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行计算机程序时实施二至五中的一种映射已有蓝牙基站的方法。
图1描述了一个有天线阵列的蓝牙可移动扫描设备100，可以进行信号扫描和位置映射。蓝牙可移动扫描设备100可以探测到无线信号、GPS信号和传感器移动信号。
蓝牙可移动扫描设备100上包含无线模块111、天线阵列、处理器113、GPS接收器114、PDR传感器115、存储器116和移动部件117，其中，各部件的连接关系参照图1即可。具体而言，天线阵列有2个或更多个天线112a–112n。天线阵列连接在无线模块111上，无线模块111可以生成IQ采样数据和从蓝牙基站所收到的无线信号RSS。其中，天线间距需要小于半个波长，这样，由无线模块111所生成的相位信息可以用于计算AoA。无线模块111会发送IQ采样数据、RSS和时间戳信息给处理器113用于AoA测量。处理器113可以在本地计算AoA，或将请求发送给远程计算单元。其中，GPS接收器114能接收来自卫星的经纬度位置信号。PDR传感器115通过使用重力传感器，来测量设备的移动，包括运动的方向和速度。所有收集到的数据会被处理器113处理，然后，存储在存储器116里，之后上传到数据库中，用于生成蓝牙基站位置映射。其中，处理器113为CPU。
在图1中，119是蓝牙基站的高度。118是蓝牙可移动扫描设备100上天线阵列的正面方向。
图2描述了一个单一天线的蓝牙可移动扫描设备100，蓝牙可移动扫描设备100上只有一个天线112a。这里，蓝牙基站上有多天线阵列，其余部分参照图1。
实施例二
在本实施例中，图8描述了蓝牙可移动扫描设备200测量AoA/Elevation(离地高度)的一个示例，其中，蓝牙可移动扫描设备200上有天线阵列。201是蓝牙基站。202和203是当接收到来自蓝牙基站201的信号时，计算出的AoAα1和俯仰角β1。204是天线阵列正面方向FD，或称为AoA基准。
如图3所示，一种映射已有蓝牙基站201的方法，包括：
S1、蓝牙可移动扫描设备200在第一位置接收蓝牙基站201发送过来的第一无线信号，蓝牙基站201已经部署在固定位置上；
其中，蓝牙可移动扫描设备200通过GPS传感器获取自身在每一个位置上的位置数据。其中，第一无线信号包括RSSI、IQ采样数据和基站识别码，IQ采样数据由蓝牙可移动扫描设备200在第一位置上根据所监听到的CTE数据包生成的。其中，基站识别码为蓝牙基站201的UUID或MAC。
在实际应用中，使用AoA技术来映射已有的蓝牙基站201，一个重要的步骤是生成IQ采样数据。
图4展示了蓝牙可移动扫描设备200如何发现周围的蓝牙基站201以及使用标准协议帧来生成IQ采样数据。即当蓝牙可移动扫描设备200来到一个新位置，它会在2.4Ghz的所有信道上监听CTE数据。其中，蓝牙信号是调制信号，其调制特性本身就会带来相位的变化，不利于直接采样计算相位差，故蓝牙5.1规范规定了CTE标准，目的是使得相位差检测更加方便。
CTE是定频(250kHz)无调制的信号，可非常方便地用于相位差检测。它的时长16us到160us，无CRC校验(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)，支持广播模式和连接模式两种类型。CTE信号是附加在CRC校验之后的信号，不影响原来的数据内容。
蓝牙5.1协议规定了CTE的切换/采样时隙。CTE的处理过程可以分为初始的4us的守卫时间、8us的参考时间以及后续一系列的采样和切换时间片，守卫时间用于和前面的信号分开，保证不干扰，参考时间用于对第一个天线进行8个IQ采样。天线切换仅在Switchslot完成，采样仅在Sample slot完成。天线的切换模式可以通过HCI命令设置。
S2、基于第一无线信号和自身的天线类型得到第一蓝牙数据和第一俯仰角。
即在本实施例中，蓝牙可移动扫描设备200的天线类型为天线阵列，则蓝牙数据为AoA；
S3、根据第一蓝牙数据、第二数据以及第一位置的位置数据得到蓝牙基站201的位置数据。
在本实施例中，第二数据为蓝牙基站201的离地高度h和第一俯仰角β1，按照如下公式可以计算出蓝牙可移动扫描设备200和蓝牙基站201的距离：
Dist＝h/sin(β1)；
通过使用AoA和距离Dist，蓝牙可移动扫描设备200能计算出蓝牙基站201的准确位置，在本实施例中不进行赘述。
S4、存储蓝牙基站201的基站识别码和蓝牙基站201的位置数据。
上述步骤S2至S4对应至图5中的步骤。
在本实施例中，图6是通过三个已映射的Wi-Fi基站来定位移动设备的位置，图7和图12是通过三个已映射的蓝牙基站201来定位移动设备的位置，以下具体描述通过三个或更多个已映射的蓝牙基站201的AoA测量值来计算移动设备的位置。
如图12所示，移动设备500是无线传感器，可以测量所接收信号的AoA。501和502是地图坐标系平面的X和Y轴。三个AP(AP1，AP2，AP3)已经被映射在地图上的(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)。503是移动设备500的AoA基准线。移动设备500能够测量出AP1、AP2和AP3的3个AoA，分别为：α1、α2和α3。
θ510是X轴501和AoA基线503的斜率角。移动设备500的坐标是(x，y)。我们能得到：
Figure BDA0003572564450000081
Figure BDA0003572564450000082
Figure BDA0003572564450000083
那么，我们根据这3个线性方程能解出x，y和tan(θ)。
Figure BDA0003572564450000084
Figure BDA0003572564450000085
Figure BDA0003572564450000086
由此，就可以得到移动设备500的准确位置信息。
实施例三
在本实施例中，图9描述了蓝牙可移动扫描设备210测量AoD/Elevation的一个示例。210是只有单一天线的蓝牙可移动扫描设备。211是有多天线阵列的蓝牙基站。212和213是计算出的AoDα1和俯仰角β1。已知211距离地面的高度为h，则，使用俯仰角β1，按照如下公式可以计算出210和211的距离：
Dist＝h/sin(β1)；
通过使用AoD和距离Dist，蓝牙可移动扫描设备210能计算出蓝牙基站211的准确位置。
实施例四
在本实施例中，图10描述了使用蓝牙可移动扫描设备300和PDR传感器来进行精准位置推算。
其中，310和311是XY坐标平面。蓝牙可移动扫描设备300先在第一位置P0(0，0)处。它检测到AP(蓝牙基站)301的AoA是α，然后，蓝牙可移动扫描设备300移动到P1点。蓝牙可移动扫描设备300上的PDR传感器检测出它偏离X轴310方向、顺时针γ度，移动了d米，蓝牙可移动扫描设备300在第二位置P1的AoA是β。即在本实施例中，第二数据为蓝牙可移动扫描设备300在第二位置所得到的第二蓝牙数据、第二位置的位置数据以及通过蓝牙可移动扫描设备300上的PDR传感器来检测出自身从第一位置移动到第二位置时的航位推算数据，此时，通过以下公式，我们能计算出AP位置P(x,y)：
Figure BDA0003572564450000091
Figure BDA0003572564450000092
Figure BDA0003572564450000093
在本实施例中，蓝牙基站301的离地高度未知，则在得到蓝牙基站301的位置数据之后根据第一俯仰角或者蓝牙可移动扫描设备300在第二位置所得到的第二个俯仰角计算得到蓝牙基站301的离地高度。
实施例五
在本实施例中，图11展示了如何通过地图或平面图来映射出AP位置。
蓝牙可移动扫描设备400使用地图或平面图来测量AP401的位置。这种情况下，不需要PDR传感器。蓝牙可移动扫描设备400先被放在地图上的P1(x1，y1)。蓝牙可移动扫描设备400的正面朝向和它的行进方向412平行。这样，在P1点所测量的AoAα1和辅助线412和413的夹角相等。这样，沿着辅助线412，蓝牙可移动扫描设备400会移动到点P2(x2，y2)，然后，测量到AoAα2。
即在本实施例中，第二数据为蓝牙可移动扫描设备400在第二位置所得到的第二蓝牙数据、第二位置的位置数据以及蓝牙可移动扫描设备400在地图或平面图上的坐标数据。
首先，我们能根据P1和P2计算出412(θ)的斜率。
Figure BDA0003572564450000101
然后，根据已知的α1，α2和θ，我们能创建只有两个未知量(x，y)的线性方程组。
Figure BDA0003572564450000102
Figure BDA0003572564450000103
由此，通过求解上述线性方程组，就可以得到AP401的位置数据(x，y)。
同理，在本实施例中，蓝牙基站401的离地高度未知，则在得到蓝牙基站401的位置数据之后根据第一俯仰角或者蓝牙可移动扫描设备400在第二位置所得到的第二个俯仰角计算得到蓝牙基站401的离地高度。
即对于上述实施例中：
首先，通过使用蓝牙5.1标准协议所支持的AoA/AoD技术，可以实现高精定位。并且，很容易在扫描设备上支持。仅需要一个或两个定位测量点，就可以对基站进行高精定位，且误差在1米以内，后续若将AoA/AoD、TOF和RSS进行融合，我们可以计算出基站更准确的位置坐标，即本实施例实现对蓝牙基站更加便捷且更高精度的定位。若仅使用RSS来决定位置，精度水平大概是：10-20米，而使用了AoA/AoD或TOF，则，精度水平为：1-3米。
其次，除了二维坐标(X，Y)，还可以利用俯仰角来估算出基站高度，得出三维坐标。
因此，当扫描设备在扫描固定的蓝牙基站时，仅需要扫描设备具有AoA/AoD的计算能力，就能构建出这些蓝牙基站的映射或数据库。然后，用户可以使用上述的数据库，来对移动终端设备进行定位。如果被定位移动设备也支持AoA/AoD，则定位精度可以达到：2-6米；如果移动设备不支持AoA/AoD，但是支持RSS，则，也可以进行定位，定位精度大约可达到：5-10米。
因此，位置服务提供商可以通过更少的步骤，收集更准确的Wi-Fi AP和蓝牙基站信息。如果本方案整合到移动终端设备中，比如手机、机器人、自动驾驶等，那么，它可以利用现有的Wi-Fi/蓝牙基站架构，来对这些移动设备提供高精定位。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (10)

1.一种映射已有蓝牙基站的方法，其特征在于，包括：
蓝牙可移动扫描设备在第一位置接收蓝牙基站发送过来的第一无线信号，所述蓝牙基站已经部署在固定位置上；
基于所述第一无线信号和自身的天线类型得到第一蓝牙数据和第一俯仰角，所述天线类型包括单一天线和天线阵列，所述蓝牙数据包括AoA和AoD；
根据所述第一蓝牙数据、第二数据以及所述第一位置的位置数据得到所述蓝牙基站的位置数据，所述第二数据为所述蓝牙基站的离地高度和第一俯仰角或者为所述蓝牙可移动扫描设备在第二位置所得到的第二蓝牙数据和第二位置的位置数据。
2.如权利要求1所述的一种映射已有蓝牙基站的方法，其特征在于，还包括：
若所述蓝牙基站的离地高度未知，则在得到所述蓝牙基站的位置数据之后根据第一俯仰角或者所述蓝牙可移动扫描设备在第二位置所得到的第二个俯仰角计算得到所述蓝牙基站的离地高度。
3.如权利要求1所述的一种映射已有蓝牙基站的方法，其特征在于，当所述第二数据为所述蓝牙基站的离地高度和第一俯仰角时，所述根据所述第一蓝牙数据、第二数据以及所述第一位置的位置数据得到所述蓝牙基站的位置数据为：
根据所述蓝牙基站的离地高度和第一俯仰角计算得到所述蓝牙基站与所述蓝牙可移动扫描设备之间的距离；
根据所述第一蓝牙数据、所述距离和所述第一位置的位置数据得到所述蓝牙基站的位置数据。
4.如权利要求1所述的一种映射已有蓝牙基站的方法，其特征在于，当所述第二数据为所述蓝牙可移动扫描设备在第二位置所得到的第二蓝牙数据和第二位置的位置数据时，所述第二数据还包括通过所述蓝牙可移动扫描设备上的PDR传感器来检测出自身从所述第一位置移动到所述第二位置时的航位推算数据。
5.如权利要求1所述的一种映射已有蓝牙基站的方法，其特征在于，当所述第二数据为所述蓝牙可移动扫描设备在第二位置所得到的第二蓝牙数据和第二位置的位置数据时，所述第二数据还包括所述蓝牙可移动扫描设备在地图或平面图上的坐标数据。
6.如权利要求1所述的一种映射已有蓝牙基站的方法，其特征在于，所述蓝牙可移动扫描设备通过GPS传感器获取自身在每一个位置上的位置数据。
7.如权利要求1所述的一种映射已有蓝牙基站的方法，其特征在于，所述第一无线信号包括RSSI、IQ采样数据和基站识别码，所述IQ采样数据由所述蓝牙可移动扫描设备在第一位置上根据所监听到的CTE数据包生成的。
8.如权利要求1所述的一种映射已有蓝牙基站的方法，其特征在于，还包括：
存储所述蓝牙基站的基站识别码和所述蓝牙基站的位置数据。
9.如权利要求8所述的一种映射已有蓝牙基站的方法，其特征在于，所述基站识别码为所述蓝牙基站的UUID或MAC。
10.一种蓝牙可移动扫描设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实施权利要求1至9任意一项所述的一种映射已有蓝牙基站的方法。
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CN117530202A (zh) * 2024-01-09 2024-02-09 常州辉途智能科技有限公司 一种牧场牛只行为分析系统及其工作方法
CN117530202B (zh) * 2024-01-09 2024-04-02 常州辉途智能科技有限公司 一种牧场牛只行为分析系统及其工作方法

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