CN207217787U - 蓝牙天线阵列及短距无线定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出蓝牙天线阵列及短距无线定位系统，属于无线通信与物联网技术领域，解决了用小型化的装置精确地得到AOA定位计算所必需参数的问题。蓝牙天线阵列中包含有n根天线，n为不小于2的正整数，各天线通过各信号馈入点电性接入该电路板，两两相邻天线的信号馈入点之间的距离相同且不大于一个蓝牙波长；短距无线定位系统包括发射端装置和接收端装置，发射端装置包含电路板、以及设于电路板相互电连接的发射天线和蓝牙芯片；接收端装置包含电路板、以及设于电路板相互电连接的蓝牙天线阵列和蓝牙芯片。本实用新型利用小型化的发射端装置和接收端装置，精确地得到AOA定位计算所必需的参数，节省了大量空间，便于安装与携带。

Description

蓝牙天线阵列及短距无线定位系统

技术领域

本实用新型涉及无线通信与物联网技术领域，具体涉及一种无线定位装置。

背景技术

近年来，随着用户需求的增加，无线定位技术受到越来越多的关注，推动了对无线定位技术的研究及测距技术的发展。如何尽可能地利用现存网络资源，低成本地实现对用户的精确定位一直是研究的焦点。总的来说，实现无线定位主要有两大类解决方案，第一类是由移动站(MS)主导的定位技术。单从技术角度讲，这种技术更容易提供比较精确的用户定位信息，它可以利用现有的一些定位系统，例如，在移动站中集成GPS接收机，从而利用现成的GPS信号实现对用户的精确定位。但这类技术需要在移动站上增加新的硬件，这将对移动站的尺寸和成本带来不利的影响。第二类是由基站(BS)主导的定位技术，这种解决方案需要对现存的基站、交换中心作出某种程度的改进，但它可以兼容现有的终端设备。其可选用的具体实现技术主要包括：到达角度测量(Angle-of-Arrival，简称AOA)的定位技术、测量信号功率的定位技术、测量信号传播时间特性(到达时间，简称TOA；到达时间差，简称TDOA)的定位技术。为了提高定位的精度，也可以采用上面数种技术的组合。

AOA测量是一种在蜂窝网比较常用的定位技术。这种方法需要在基站采用专门的天线阵列来测量特定信号的来源方向。对于一个基站来讲，AOA测量可以得出特定移动站所在方向，当两个基站同时测量同一移动站所发出的信号时，两个基站各自测量AOA所得的方向直线的焦点就是移动站所在的位置。尽管这种定位方法的原理非常简单，但在实际的应用中存在一些难以克服的缺点：AOA测量要求被测量的移动站与参与测量的所有基站之间，射频信号是视线传输(Line ofSight：LOS)的，非视线传输(NLOS)将会给AOA测量带来不可预测的误差。即使是在以LOS传输为主的情况下，射频信号的多径效应(multipath effect)依然会干扰AOA的测量。所谓多径效应(multipath effect)是指电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误。比如电磁波沿不同的两条路径传播，而两条路径的长度正好相差半个波长，那么两路信号到达同一个终点时正好波峰与波谷重合，造成相互抵消，电磁波信号消失。

而当前流行的短距离无线通信协议标准主要有蓝牙(IEEE 802.15.1)、ZigBee(IEEE 802.15.4)、Wi-Fi(IEEE 802.11)这三种。从应用的角度来看，蓝牙技术是为取代个人电子设备间的有线连接，蓝牙协议已经发展到Bluetooth4.1版本，具有超低功耗和广泛的手机移动终端产业链支持，用户不需要添置手机外的任何设备就可以进行连接，蓝牙的主要问题是数据速率比较低。

实用新型内容

基于上述背景，本实用新型是基于蓝牙信号应用于短距离的定位。

本实用新型提出一种蓝牙天线阵列，设置于一个电路板上，蓝牙天线阵列中包含有n根天线，n为不小于2的正整数，各天线通过各自信号馈入点电性接入该电路板，两两相邻的天线的信号馈入点之间的距离不大于一个蓝牙波长。进一步的，两两相邻的天线的信号馈入点之间的距离不大于1/n的蓝牙波长。

在具体实现过程中，n不小于三，能够计算得到较佳的测量精度。

优选的实施例中，为便于计算，n等于四。

进一步地，n根天线中，两两相邻的天线的信号馈入点之间的距离为相同。

进一步地，n根天线的信号馈入点排列成一直线。

在n等于四的情况，进一步地，n根天线的信号馈入点排列成一个菱形。

本实用新型还提出一种短距无线定位系统，包括至少一个发射端装置和至少一个接收端装置，发射端装置包含一个第一电路板、以及设置于第一电路板的发射天线和第一蓝牙芯片，发射天线和第一蓝牙芯片电连接；接收端装置包含一个第二电路板、以及设置于第二电路板的蓝牙天线阵列和第二蓝牙芯片，第二蓝牙芯片和蓝牙天线阵列电连接，蓝牙天线阵列为前述的蓝牙天线阵列。

进一步地，短距无线定位系统的通信性能符合多模态无线组网标准。

进一步地，短距无线定位系统还包括一计算模块，设置于接收端装置，与第二蓝牙芯片电连接，用于计算蓝牙天线阵列所接收到的信号参数来得到发射端装置的精确位置信息。

进一步地，信号参数是蓝牙天线阵列中各天线所接收到的信号相位与信号角度。

在实际应用中，发射端装置可安装在活动物体上，接收端装置安装在一固定的位置，借此，短距无线定位系统可用于活动物体的运动轨迹监控。

在实际应用中，发射端装置可安装在被检测的固定物体上，接收端装置安装在一检测设备中，检测设备相对于发射端装置在一固定的位置，借此，短距无线定位系统可用于检测物体定位。

在实际应用中，短距无线定位系统用于防丢器的精确定位，发射端装置可安装在手机、手环、防丢器、i-pad、e-tag等终端产品，可以用软件设定广播信息发射信号给蓝牙天线阵列，蓝牙天线阵列接收信号相位后，计算信号角度和距离。接收端装置安装在一设备中，设备相对于发射端装置在一固定的位置。

有益效果

本实用新型所提出的蓝牙天线阵列与短距无线定位系统，将多模态无线组网技术和到达角度测量(AOA:Angle-of-Arrival)定位技术相结合，利用小型化的发射端装置和接收端装置，得到AOA定位计算所必需的参数，进而得到低功耗的短距离的无线定位技术，在实际应用中可达到亚米级的定位。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1为蓝牙天线阵列设置在电路板上的结构示意图。

图2为发射端装置的结构示意图。

图3为短距无线定位系统的工作示意图。

图例说明：

第一电路板 100

第一蓝牙芯片 101

发射天线 103

第二电路板 200

蓝牙天线阵列 201

信号馈入点 202

第二蓝牙芯片 203

计算模块 204

第一蓝牙接收天线 211

第一蓝牙接收天线信号馈入点 212

第二蓝牙接收天线 221

第二蓝牙接收天线信号馈入点 222

第三蓝牙接收天线 231

第三蓝牙接收天线信号馈入点 232

第四蓝牙接收天线 241

第四蓝牙接收天线信号馈入点 242

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本实用新型，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本实用新型的技术方案。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。

为解决定位导航的问题，科技巨头和研究机构在室内定位技术方面开展了大量的研究，如基于移动通信网络的辅助GPS(A-GPS)、伪卫星(Pseudolite)、无线局域网(WLAN)、射频标签(RFID)、Zigbee、蓝牙(Bluetooth，BT)、超宽带无线电(UltraWideBand，UWB)、地磁其他卫星或地面数字通信及广播信号、红外定位、光跟踪定位、计算机视觉定位、超声波定位等。这些技术有些是以导航定位为主要用途，例如伪卫星；有些则主要用于通信，但同时也能提供定位服务，例如无线局域网。

室内定位是定位导航最后一公里的解决方案，且不是GPS和COMPASS等全球导航系统能解决的问题，因为城市高楼和房间对于卫星信号的遮挡，使得室内定位是无法靠全球导航系统来完成。

实现无线定位有基站(BS)主导的定位技术，这种解决方案需要对现存的基站、交换中心作出某种程度的改进，但它可以兼容现有的终端设备。由于这类解决方案能更好的利用现有的网络及其终端设备，因而具有更广泛的应用前景。但是，由于天线设备对于信号到达的接收角度分辨率的限制，到达角度测量的测量精度是随着基站与移动站之间的距离的增加而不断减小的。而基于蓝牙的短距离的到达角度测量则不会产生太大类似问题，本实用新型所针对的为短距离的应用场景。

如图1所示，本实用新型首先提出一种蓝牙天线阵列201，设置于第二电路板200上，蓝牙天线阵列201中包含有n根天线，n为不小于2的正整数，各天线通过各自信号馈入点202电性接入该电路板，两两相邻的天线的信号馈入点202之间的距离不大于一个蓝牙波长，较佳的，不大于1/n的蓝牙波长。在具体实现过程中，n不小于三，能计算得到较佳的测量精度。n的数量越多，测量精度越准确，但相对的，所需计算时间越长。N根天线中，两两相邻的天线的信号馈入点202之间的距离相同，能简化计算过程，优化计算速度。n根天线的信号馈入点202排列成任何形状，在本实施例中，为方便计算，n根天线排列成一直线。

优选的实施例中，当n等于四，n根天线除了排列成一直线以外，也可以排列成菱形。在本实用新型中以n等于四为实施例进行说明。

本实用新型还提出一种短距无线定位系统，包括至少一个发射端装置和至少一个接收端装置。如图2所示，发射端装置包含一个第一电路板100、以及设置于第一电路板100的发射天线103和第一蓝牙芯片101，发射天线103和第一蓝牙芯片101电连接；接收端装置包含一个第二电路板200、以及设置于第二电路板200的蓝牙天线阵列201和第二蓝牙芯片203，第二蓝牙芯片203和蓝牙天线阵列201电连接，蓝牙天线阵列201为上述蓝牙天线阵列201。短距无线定位系统的电气性能符合多模态无线组网标准。本实用新型还包括一计算模块204，设置于接收端装置，与第二蓝牙芯片203电连接，用于计算蓝牙天线阵列201所接收到的信号参数来得到发射端装置的精确位置信息，信号参数是蓝牙天线阵列201中各天线所接收到的信号相位与信号角度。

多模态无线组网技术，不仅使蓝牙保留了功耗低(基于蓝牙基础协议)的主要特点，可以同时一对多控制多个蓝牙设备(最多64个)，可以支持中继和多设备自组网，所以具有很好的物联网应用，尤其适用于家庭和非行业应用的低速率控制应用场景，是一项具有较强技术优势和较广泛的应用场景的技术。在符合多模态无线组网标准组成的网络中，每一个节点设备都是在不断切换广播和扫描这两个状态的节点，每个节点不仅仅向外广播数据，还把周围的其他节点的广播信息复制一份，并将这个复制的数据广播出去。广播的数据通过不断地从一个节点复制到另一个节点，就完成了广播数据的中继传输。在具有上述特征的无线网络中，一个节点的广播数据可以通过其他的节点进行传输，即使数据的接收者不在该节点的直接无线传输范围内，也可以通过中继收到该节点的广播信息，从而实现多点对多点的控制，最终达到组网的目的。符合多模态无线组网标准的设备可以在支持无线组网标准的同时，兼容并支持与WIFI、Zigbee和蓝牙等多种通信协议的互联互通。

以下以n等于4为实施例进行说明，如图3所示，其工作原理如下：因短距无线定位系统的通信性能符合多模态无线组网标准，所以本实用新型只要启动了发射端装置和接收端装置，即可在很短的时间内自动组网。组网后，发射端装置开启广播模式，第一蓝牙芯片101控制发射天线103以发射信号周期发送蓝牙信号；与发射端装置在一定距离内的接收端装置开启扫描模式，蓝牙天线阵列201的每根天线根据第二蓝牙芯片203内预定的天线切换周期来确认是否工作，天线切换周期与发射端装置的发射信号周期相符，即可以看作多根天线“同时”接收到蓝牙信号；同时每根天线之间的距离不大于蓝牙波长的1/4，则可以保证多根天线接收到的信号在同一个波工周期内。接收端装置的蓝牙天线阵列201在接收到蓝牙信号后，将所接收到的蓝牙信号通过信号馈入点馈入第二蓝牙芯片203，第二蓝牙芯片203将该信号发送给计算模块204，计算模块204将各个天线的蓝牙信号转化为各天线所接收到的信号相位与信号角度等信号参数，根据各个天线的这些信号参数，即可计算得到发射端装置的精确位置信息。

实施例1：

在实际应用中，发射端装置安装在活动物体上，接收端装置安装在一固定的位置，借此，短距无线定位系统可用于活动物体的运动轨迹监控。

此处的活动物体可以是各种球类、动物。球类有篮球，足球，排球，橄榄球等，当球类在运动时，安装在球上的发射端装置可随时向一定距离内的接收端装置发送信号，接收端装置接收信号后，可计算得到球类的位置信息，根据不同时间点得到的信号计算出不同的位置信息，接收端装置即可按照时间顺序画一条线将不同的位置信息串起来，即得到球类的运动轨迹，即可实现随时监控球类的运动过程。

实施例2：

在实际应用中，发射端装置安装在被检测的固定物体上，接收端装置安装在一检测设备中，检测设备相对于发射端装置在一固定的位置，借此，短距无线定位系统可用于检测物体定位。

例如汽车的胎压检测时，需要对四个轮胎进行定位。发射端装置安装在蓝牙胎压传感器上，接收端装置安装在蓝牙主控设备上。在实际使用中，蓝牙主控设备只能接收到连接请求已被确认的其中一个蓝牙胎压传感器所发出的胎压信号，至于其余三个车胎的蓝牙胎压传感器所发出的胎压信号，接收端也无法接收，仅能做一对一的信号传输，换句话说，仅能侦测到一个车胎的胎压信号，功能与效果有限。而在新的使用方法中，蓝牙主控设备不建立配对链接，蓝牙胎压传感器使用广播模式发送信号，蓝牙主控设备使用扫描模式接收信号、通过计算模块得到精确位置信息，可以实现主机能及时的、同时接收到多个轮胎的蓝牙信号，短距无线定位系统即可用于检测物体定位。

实施例3：

进一步地，短距无线定位系统用于防丢器的精确定位，发射端装置可安装在手机、手环、防丢器、i-pad、e-tag等终端产品，可以用软件设定广播信息发射信号给蓝牙天线阵列，蓝牙天线阵列接收信号相位后，计算信号角度和距离。接收端装置安装在一设备中，设备相对于发射端装置在一固定的位置。

防丢器可拆卸式的安装在各种随身用品中，比如地铁卡、钥匙等。接收端装置可以安装在一固定设备中，该固定设备放在家中的固定位置，当需要寻找这些随身用品时，可通过接收端装置精准定位，从而找到这些随身用品。

以上对本实用新型的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本实用新型的实质内容。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种蓝牙天线阵列，设置于一个电路板上，其特征在于：

所述蓝牙天线阵列中包含有n根天线，n为不小于2的正整数，各所述天线通过各自信号馈入点电性接入该电路板，两两相邻的所述天线的所述信号馈入点之间的距离不大于一个蓝牙波长。

2.根据权利要求1所述的蓝牙天线阵列，其特征在于：

两两相邻的所述天线的所述信号馈入点之间的距离不大于1/n的蓝牙波长。

3.根据权利要求2所述的蓝牙天线阵列，其特征在于：

n不小于三，所述n根天线中，两两相邻的所述天线的所述信号馈入点之间的距离为相同。

4.根据权利要求3所述的蓝牙天线阵列，其特征在于：

n等于四。

5.根据权利要求3或4所述的蓝牙天线阵列，其特征在于：

所述n根天线的所述信号馈入点排列成一直线。

6.根据权利要求4所述的蓝牙天线阵列，其特征在于：

所述n根天线的所述信号馈入点排列成一个菱形。

7.一种短距无线定位系统，包括至少一个发射端装置和至少一个接收端装置，其特征在于：

所述发射端装置包含一个第一电路板、以及设置于所述第一电路板的发射天线和第一蓝牙芯片，所述发射天线和所述第一蓝牙芯片电连接；

所述接收端装置包含一个第二电路板、以及设置于所述第二电路板的蓝牙天线阵列和第二蓝牙芯片，所述第二蓝牙芯片和所述蓝牙天线阵列电连接，所述蓝牙天线阵列为权利要求1～6其中任一项所述的蓝牙天线阵列。

8.根据权利要求7所述的短距无线定位系统，其特征在于，所述短距无线定位系统的通信性能符合多模态无线组网标准。

9.根据权利要求7所述的短距无线定位系统，其特征在于，还包括一计算模块，设置于所述接收端装置，与第二蓝牙芯片电连接，用于计算所述蓝牙天线阵列所接收到的信号参数来得到所述发射端装置的精确位置信息。

10.根据权利要求9所述的短距无线定位系统，其特征在于，所述信号参数是所述蓝牙天线阵列中各所述天线所得到的信号相位与信号角度。