CN207853881U - 一种可变波束蓝牙低功耗信标装置 - Google Patents

Abstract

一种可变波束蓝牙低功耗信标装置，即当蓝牙信标发射无线信号时，可以通过主控模块控制射频开关切换至不同波束指向的定向天线单元或全向天线单元，即构成了可变波束发射方式的蓝牙信标装置。蓝牙信号接收终端(如具有蓝牙功能的手机)通过对接收到的同一信标不同波束的信号进行处理和判断，不仅可以得到终端相对与信标的径向距离，也可以得到接收终端相对于信标的方位信息，特别是前、后、左、右等的基础方位信息。

Description

一种可变波束蓝牙低功耗信标装置

技术领域

本实用新型属于蓝牙定位领域，涉及到一种可变波束蓝牙信标装置。

背景技术

随着基于位置服务(LBS-Location Based Service)的应用越来越广泛。除了利用卫星定位，如北斗、GPS系统等提供定位信息外，利用蓝牙信标提供室内外局域位置的系统研发也逐步成为一个热点领域，其中，基于蓝牙4.0以上版本的低功耗蓝牙信标的设计成为室内定位系统的一个关键技术。

目前基于低功耗蓝牙定位系统的最普遍的是一种基于RSSI(RSSI：ReceivedSignal Strength Indicator)的定位技术。具体而言，利用的是低功耗蓝牙装置(BLE-Bluetooth Low Energy)周期性的发射名为“通告帧”(Advertising)的广播帧，只要是支持BLE的设备就可以接收到。首先，系统会设定BLE蓝牙信标装置收器(如手机)之间相距1m时的接收蓝牙信标通告帧的参考信号强度。接收器可以根据该参考RSSI与接收信号的强度来推算发送模块与接收器的距离。

这种RSSI信标定位方法只能提供接收机与信标之间简单的径向距离指示。该系统只能显示该接收器以蓝牙信标为圆心，以推算距离为半径的圆上；而再无法进一步提供方位、角度等更有价值的位置信息。这种局限性大大限制了蓝牙信标定位技术的应用与推广。有鉴于此，如何设计一种即能提供RSSI径向距离指示，又能提供接收机(如手机)的相对方位信息的新型蓝牙信标装置，则是本发明的重点之所在。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于弥补现有技术的不足之处而提出的一种蓝牙信标的可变波束的无线发射方式，即当蓝牙信标发射无线信号时，可以通过主控模块控制射频开关切换至不同波束指向的定向天线单元或全向天线单元，即构成了可变波束发射方式的蓝牙信标装置。蓝牙信号接收终端(如具有蓝牙功能的手机)通过对接收到的同一信标不同波束的信号进行处理和判断，不仅可以得到终端相对与信标的径向距离，也可以得到接收终端相对于信标的方位信息，特别是前、后、左、右等的基础方位信息。

本实用新型实现所述功能的装置可以通过采用以下技术方案来实现：

本实用新型提供一种可变波束的蓝牙信标装置的实现方法，可变波束的蓝牙信标装置包括主控模块、开关切换模块和多天线模块。主控模块主要由处理器单元、蓝牙通信单元组成，开关切换模块是由单刀多掷开关的级联结构组成，多天线模块是由全向天线和定向天线组成；当主控模块内的处理器单元通过控制信号控制单刀多掷开关进行开关切换，将选定的天线单元射频导通；然后处理器单元与蓝牙通信单元之间通过数字信号通信，将发射参数传递给蓝牙通信单元，蓝牙通信单元将特定的广播帧通过处理器单元控制单刀多掷开关切换选通的天线单元发射出去。

多天线模块的定向天线或者全向天线分别与开关切换模块中开关导通引脚相连。

多天线模块的多个定向天线在水平面内，按照一定的角度围绕圆心分布。如果多天线中有全向天线(全向天线一般指水平面全向)，则全向天线放置在圆心位置。

为实现蓝牙低功耗之工作特点，主控模块中的处理器单元与蓝牙通信单元一直处于周期性的低功耗休眠与工作的切换模式。主控模块中的处理器单元在休眠间隔结束时，会唤醒蓝牙通信单元；此时处理器单元会通过控制信号来控制开关切换模块进行开关切换，将选定的天线单元射频导通；处理器单元再通过数字信号接口将发射参数传递给蓝牙通信单元；蓝牙通信单元会根据通信参数在发射的广播帧中装载相应的数字信息并通过切换选通的天线单元发射出去；发射结束后蓝牙通信单元与处理器单元会再次进入低功耗模式休眠；处理器单元会等待至下一个休眠结束后再次重复以上操作。以上所述装置的工作原理进一步表述如下：

(1)工作时，主控模块中的蓝牙通信单元处于低功耗休眠状态，主控模块的处理器单元也按照一定的周期间隔进行低功耗休眠；

(2)当主控模块中的处理器单元当前周期休眠结束时，会自动唤醒进入工作模式，此时，处理器单元会通过控制信号控制单刀多掷开关切换模块中的射频开关单元，使得蓝牙通信单元通过单刀多掷开关切换与多天线模块中的指定天线射频导通；

(3)主控模块中的处理器单元通过数字信号接口，将蓝牙通信单元从低功耗模式唤醒至工作模式，并传递发射参数，蓝牙通信单元根据接收到的发射参数，在广播帧装入相应数据信息，通过单刀多掷开关切换控制导通的天线单元发射特定的广播帧信息，该广播帧信息主要包括信标编号，当前选中的天线单元号，选中的天线单元类型的信息；

(4)当主控模块中的蓝牙通信单元发射结束后，蓝牙通信单元和处理器单元均会进入低功耗模式休眠；

(5)主控模块的处理器单元按照预先设定好的休眠间隔时长进行休眠，休眠结束后，处理器单元会再次唤醒进入到本流程(2)的阶段。此时导通的天线单元会按照一定的规则(如累加规则)进行轮换；

(6)本装置的主要工作流程是在(2)至(5)之间循环工作，当N个天线单元按照一定的规律全部切换完成后，将自动切换至起始天线单元，按照从(2)到(5)的步骤重新开始循环。

本实用新型的有益效果：本装置实现蓝牙信标可变波束广播，是对目前现有的蓝牙信标定位装置的全新改良，使蓝牙信标不仅可以发射全向波束的信标信号，而且可以按照一定规律发射不同指向的的N个定向波束的信标信号。

本装置的使用可以使单一蓝牙信标从‘一维’信标信号的发射装置，提升至’N维’信标信号的发射装置。手机等的接收终端，接收到本信标装置发射的‘多维’信标信号后，经过相应的信号处理与判断，不仅可以得到相对本信标的径向距离的位置信息，而且还可以得到相对本信标的方位信息，从而实现采用一个信标就可以进行一定范围内的二维定位。

该装置的应用可以很大程度上提高室内蓝牙信标定位的精度，扩大室内蓝牙定位的应用领域；并且由于采用一个本发明所描述的可变波束的蓝牙信标就可以实现一定范围内的二维定位，可以大大减少信标的部署数量，降低了实施难度和成本。

附图说明

图1是具体实施的切换开关模块中开关单元的实施结构

图2是具体实施方式中的方法流程图

图3是具体实施方式中多天线模块中天线单元的实施结构

图4是具体实施方式中根据可变波束蓝牙信标进行方位判断的方法说明

如图所示：10、主控模块；101、蓝牙通信单元；102、处理器单元；11、开关切换模块；110、单刀双掷开关；111、单刀四掷开关；12、多天线模块；121、全向天线；122、第一定向天线；123、第二定向天线；124、第三定向天线；125、第四定向天线。

具体实施方式

以下结合附图1、附图2、附图3、附图4对本发明做进一步说明，但本实用新型的保护范围并不局限于此。

实施例：

如图1所示，该装置包括：主控模块10、开关切换模块11和多天线模块12。其中，主控板主要由蓝牙通信单元101、处理器单元102组成；开关切换模块11由一个单刀双掷开关110和一个单刀四掷开关111组成；多天线模块12由水平面全向天线(以下简称全向天线)121和第一定向天线122、第二定向天线123、第三定向天线124、第四定向天线125组成。

在主控模块10内，处理器单元102与蓝牙通信单元101之间通过数字信号实现通信与控制功能。本实施方案中我们选择处理器单元和蓝牙通信单元集成一体的SOC(system-on-chip片上系统)芯片(如nRF51822、CC2540等芯片)实现。

在开关切换模块11内，采用单刀双掷开关110和单刀四掷开关111的级联结构以实现“单刀五掷”的功能。

如图3所示，多天线模块12中，第一定向天线122、第二定向天线123、第三定向天线124、第四定向天线125以全向天线121为中心，在水平方向以90度角间隔，均匀分布在全向天线周围。

为实现蓝牙低功耗之工作特点，主控模块10中的处理器单元102与蓝牙通信单元101一直处于周期性的低功耗休眠与工作的切换模式。主控模块10中的处理器单元102在休眠间隔结束时，会唤醒蓝牙通信单元102；此时处理器102会通过控制信号来控制开关切换模块11中的单刀双掷开关110和单刀四掷开关111进行开关切换，将选定的天线单元射频导通；处理器单元102再通过数字信号接口将发射参数传递给蓝牙通信单元101；蓝牙通信单元101会根据通信参数在发射的广播帧中装载相应的数字信息并通过开关切换模块11选通全向天线121以及第一定向天线122、第二定向天线123、第三定向天线124、第四定向天线125中的天线单元发射出去；发射结束后蓝牙通信单元101与处理器单元102会再次进入低功耗模式休眠；处理器单元102会等待至下一个休眠结束后再次重复以上操作。

如图2所示，以上所述装置的工作原理进一步表述如下：

(1)工作时，主控模块10中的蓝牙通信单元101周期性处于低功耗休眠状态，处理器单元102也按照一定的周期间隔进行低功耗休眠。

(2)当主控模块10中的处理器单元102当前周期休眠结束时，会自动唤醒进入工作模式。此时，处理器单元102会通过控制信号控制开关切换模块11中的单刀双掷开关110和单刀四掷开关111，使蓝牙通信单元101通过开关切换模块11与多天线模块12中的指定天线射频导通(例如与全向天线单元121导通)。

(3)主控模块10中的处理器单元102通过数字信号接口，控制蓝牙通信单元101从低功耗模式唤醒至工作模式，并传递发射参数。蓝牙通信单元101根据接收到的发射参数，在广播帧装入相应数据信息，通过导通的天线单元(如全向天线单元121)发射特定信息的广播帧信息。该广播帧信息主要包括信标编号，当前选中的天线单元号，选中的天线单元类型等信息。

(4)当主控模块10中的蓝牙通信单元101发射结束后，蓝牙通信单元101和处理器102均会进入低功耗模式休眠。

(5)主控模块10的处理器单元102按照预先设定好的休眠间隔时长进行休眠。休眠结束后，处理器单元会再次唤醒进入到本流程(2)的阶段。此时导通的天线单元会按照一定的规则进行轮换(本实施方式中是按照累加的规则切换至第一定向天线单元122)。

(6)本装置的主要工作流程是在(2)至(5)之间循环工作，当天线单元按照累加规律切换到第四定向天线单元125完成后，将自动切换至起始全向天线单元121，按照从(2)到(5)的步骤重新开始循环。

根据上述的工作顺序，如图4所示，当手机等蓝牙接收机接收到本装置信号后，可以通过以下方式进行方位评估。

(1)可以通过接收全向天线121发射信号的信号强度进行径向距离判断。

(2)可以通过接收第一定向天线122、第二定向天线123、第三定向天线124、第四定向天线125信号的信号强度进行水平方向判断，具体判断方法说明如下：

a)P122、P123、P124、P125依次为接收机在同一位置接收该可变波束蓝牙信标第一定向天线122、第二定向天线123、第三定向天线124、第四定向天线125的RSSI值(ReceivedSignal Strength Indication-接收信号强度)。

b)取P122、P123、P124、P125的RSSI值中最大和次大两个值作为水平方位判断值。当最大和次大的两个值为对角定向天线时(如P122和P124、P123和P125)，则认为该次测量值存在多径等干扰效应；此次RSSI采集无效，继续进行下次RSSI值采集。

c)取P122、P123、P124、P125的RSSI值中最大和次大两个值，当最大和次大的两个值为相邻天线时，进行一下判断。当最大和次大RSSI相差大于设定阈值时(阈值设定一般为1-10dB，本实施案例中设为3dB),判断接收机处于最大值对应的定向天线指向方向；当最大值和次大值相差小于设定阈值时，则认为接收机处于最大值对应的定向天线和次大值对应的定向天线中间方位。

d)以下举例说明上述判断规则。

当接收机接收如下数据：P122＝-50dBm；P123＝-60dBm；P124＝-80dBm、P125＝-61dBm

此时接收信号最大值时P122，次大值为P123；两值相差大于阈值3dB，则判断接收机在该信标前方。

当接收机接收如下数据：P122＝-80dBm；P123＝-52dBm；P124＝-53dBm、P125＝-71dBm

此时接收信号最大值时P123，次大值为P124；两值相差小于阈值3dB，

则判断接收机在该信标的左后方。

当接收机接收如下数据：P122＝-60dBm；P123＝-70dBm；P124＝-61dBm、P125＝-81dBm

此时接收信号最大值时P122，次大值为P124；两个发射天线122和124处于对角，则判断此次接收RSSI有干扰误差，该组数值需要排除。

以上所述为本发明的具体实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，凡依据本发明的技术方案对本发明所作任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种可变波束蓝牙低功耗信标装置，其特征在于：可变波束的蓝牙信标装置包括主控模块、开关切换模块和多天线模块；主控模块主要由处理器单元、蓝牙通信单元组成，开关切换模块是由单刀多掷开关的级联结构组成，多天线模块是由全向天线和定向天线组成；主控模块内的处理器单元通过控制信号控制单刀多掷开关进行开关切换，将选定的天线单元射频导通；然后处理器单元与蓝牙通信单元之间通过数字信号通信，将发射参数传递给蓝牙通信单元，蓝牙通信单元将特定的广播帧信息通过处理器单元控制单刀多掷开关切换选通的天线单元发射出去。

2.根据权利要求1所述的一种可变波束蓝牙低功耗信标装置，其特征在于：多天线模块的定向天线或者全向天线分别与开关切换模块中开关导通引脚相连。

3.根据权利要求1所述的一种可变波束蓝牙低功耗信标装置，其特征在于：多天线模块的多个定向天线在水平面内，按照一定的角度围绕圆心分布，在多天线中有水平面全向天线时，全向天线放置在圆心位置。