CN217307877U - 低功耗蓝牙信标和定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低功耗蓝牙信标和定位系统，该低功耗蓝牙信标包括相互通信连接的蓝牙定位电路和高度定位电路，以及为两者提供工作电压的供电电路，连接于蓝牙定位电路的第二通信端口上的天线，高度定位电路获取高度信息后发送给蓝牙定位电路，并经过天线发射出去。通过在信标中增加高度定位电路，相比现有技术来说，解决了低功耗蓝牙信标定位维度单一，无法适应于存在多维度的移动定位场景使用的问题，能够很好地提升低功耗蓝牙信标的功能属性，增加用户体验，应用场景更丰富，同时在低功耗蓝牙信标中增加高度定位电路，不需要改变原有的信标的结构以及工作模式。

Description

低功耗蓝牙信标和定位系统

技术领域

本实用新型涉及近场通讯的定位技术领域，尤其涉及一种低功耗蓝牙信标和定位系统。

背景技术

随着物联网的发展和普及，无线通信技术把各种信息连接起来，实现了人与物、物与物之间的连接互动。尤其是基于蓝牙技术的低功耗蓝牙信标也越来越多的应用在物联网场景中。低功耗蓝牙信标主要用于室内定位，不论在商场，机场，办公室，还是博物馆，都可以利用这些位置信息来提供服务。

但是，现有的低功耗蓝牙信标通过蓝牙技术实现平面区域的定位，其功能单一，由于功能的单一，其只能实现二维平面上的位置定位，对于场景中存在高度落差时，比如多层楼宇内，其平面的定位已无法满足场景的需求，若需要实现高度的定位，则必须借助能实现高度定位的相关设备，但是这样就会增加了设备部署的成本，同时还增加了携带者的佩戴负荷，并且由于不同设备的定位精度要求不同，在最终定位整合会存在误差，导致定位不准确。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供了一种低功耗蓝牙信标和定位系统，以解决现有的低功耗蓝牙信标定位维度和功能单一，无法实现多维度场景下定位的问题。

本实用新型第一方面提供了一种低功耗蓝牙信标，所述低功耗蓝牙信标包括蓝牙定位电路、高度定位电路、供电电路和天线；

所述供电电路为所述蓝牙定位电路和所述高度定位电路提供工作电压；

所述蓝牙定位电路上设有两个通信端口，所述高度定位电路与所述蓝牙定位电路的第一通信端口连接，所述天线与所述蓝牙定位电路的第二通信端口连接；

在所述低功耗蓝牙信标工作时，所述高度定位电路采集所述低功耗蓝牙信标所在的位置的高度信息，并发送至所述蓝牙定位电路；所述蓝牙定位电路将所述高度信息以广播的形式通过所述天线发送出去。

可选的，所述蓝牙定位电路至少包括低功耗蓝牙SOC芯片。

可选的，所述低功耗蓝牙SOC芯片包括低功耗蓝牙模块和处理器，所述处理器将接收到的高度信息和采集到的平面坐标发送给所述低功耗蓝牙模块，所述低功耗蓝牙模块将所述高度信息通过所述天线定时发送出去。

可选的，所述高度定位电路至少包括气压传感器，用于采集所述低功耗蓝牙信标所在的位置的气体压强，以得到高度信息。

可选的，所述低功耗蓝牙信标还包括通信接口电路，所述气压传感器通过所述通信接口电路与所述处理器通信连接，用于将采集到的高度信息通过所述通信接口电路传输给所述处理器。

可选的，所述通信接口电路包括支持I2C协议或SPI协议的串行总线接口。

可选的，所述供电电路为纽扣电池或可充电电池。

可选的，所述低功耗蓝牙信标还包括与所述蓝牙定位电路连接的打卡电路。

本实用新型第二方面提供了一种定位系统，其特征在于，所述定位系统包括：至少一个如上所述的低功耗蓝牙信标和主机设备，其中所述主机设备通过与所述至少一个低功耗蓝牙信标之间通过无线通讯实现连接；

各所述低功耗蓝牙信标设置于待定位目标上，用于采集所述待定位目标的平面坐标和高度信息，并通过天线发送至所述主机设备上。

可选的，所述主机设备包括定位数据处理模块和射频通信模块，所述射频通信模块接收所述低功耗蓝牙信标发送的平面坐标和高度信息，并将所述平面坐标和高度信息发送给所述定位数据处理模块。

有益效果：

本实用新型的技术方案中，该低功耗蓝牙信标加入高度定位电路，实现了基于简单、有效的电路结构设计，不仅可以让定位更加精准，还最大化利用现有资源且不额外增加过多的成本，应用场景更丰富。

附图说明

图1为本实用新型提供的低功耗蓝牙信标的第一种结构示意图；

图2为本实用新型提供的低功耗蓝牙信标的第二种结构示意图；

图3为本实用新型提供的低功耗蓝牙信标的第三种结构示意图；

图4为本实用新型提供的低功耗蓝牙信标的第四种结构示意图；

图5为本实用新型提供的低功耗蓝牙信标的电路原理图；

图6为本实用新型提供的定位系统的一种结构示意图。

具体实施方式

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”或“具有”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

针对于现有的单一功能的低功耗蓝牙信标进行定位，只能实现平面维度上的定位，而将其应用于多维度的场景中定位时，导致无法精准定位的问题，本实用新型实施例中提供了一种低功耗蓝牙信标和定位系统，增加高度定位电路的低功耗蓝牙信标获取高度信息，利用高度信息辅助低功耗蓝牙信标本身的平面定位信息进行定位，得到包含高度维度的定位数据，从而提高了定位精准，运用这样的低功耗蓝牙信标实现定位，解决了传统低功耗蓝牙信标功能单一，在移动使用场景中定位精度不够的问题，而且不增加过多成本，简化安装流程，能够很好地提升低功耗蓝牙信标的功能属性，增加用户体验，应用场景更丰富，同时还兼容不同的场景，大大提高了定位监控部署和用户体验。

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

参见图1-5，图1为本实用新型实施提供的低功耗蓝牙信标的结构示意图，该低功耗蓝牙信标包括蓝牙定位电路101、高度定位电路102、供电电路103和天线104；

所述供电电路103为所述蓝牙定位电路101和所述高度定位电路102提供工作电压；所述供电电路103为纽扣电池或可充电电池。

所述高度定位电路102与所述蓝牙定位电路101的第一通信端口1011电连接，所述天线104与所述蓝牙定位电路101的第二通信端口1012连接；

在所述低功耗蓝牙信标工作时，所述高度定位电路102采集所述低功耗蓝牙信标所在的位置的高度信息，并发送至所述蓝牙定位电路101；所述蓝牙定位电路101将所述高度信息以广播的形式通过所述天线104发送出去。其中，将所述高度信息和所述平面坐标以广播的形式发送，实际上是采用射频信号生成方法将高度信息转换成射频信号发送出去，而射频信号在发送时利用2.4G公共频道进行发送，而射频信号生成方法和2.4G公共频道都属于现有技术，这里不再赘述。

具体的，所述蓝牙定位电路101采用低功耗蓝牙SOC芯片设计实现，其中所述低功耗蓝牙SOC芯片包括低功耗蓝牙模块1013和处理器1014，所述处理器1014将接收到的高度信息和采集到的平面坐标发送给所述低功耗蓝牙模块1013，所述低功耗蓝牙模块1013将所述高度信息和所述平面坐标通过所述天线104定时发送出去，这里的定时发射也是定时广播，如图2所示。

在实际应用中，低功耗蓝牙SOC芯片为带有低功耗蓝牙模块和处理器的SOC芯片nRF52系列(具体芯片信号可以根据应用需求选择)，作为主控MCU，负责整个低功耗蓝牙信标的运行逻辑，通过内置的低功耗蓝牙模块，定时向外广播数据，同时负责高度定位电路的数据采集及处理，如图5所示。

在本实施例中，如图3所示，所述高度定位电路102采用气压传感器来实现，用于采集所述低功耗蓝牙信标所在的位置的气体压强，以得到高度信息，具体的通过气压传感器采集低功耗蓝牙信标所在的位置的高度信息，该气压传感器实时监控低功耗蓝牙信标的位置变化，在监控到位置变化后，采集气压变化数据，然后转换成高度数据，以得到高度信息，这里高度信息可以理解为是气压传感器采集到的高度数据，例如气压传感器产生的电信号，然后输出给蓝牙定位电路。

在本实施例中，所述气压传感器主要的传感元件是一个对压强敏感的薄膜，它连接了一个柔性电阻器。器电阻值会随着气压的变化而变化，低功耗蓝牙信标的高度发生变化时，其所在的高度位置的气体的压强发生改变，气压传感器上的薄膜变形，该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V的信号电压，经过A/D转换由数据采集器接收，然后数据采集器以适当的形式生成高度信息。

该步骤中，当采集到的气体数据导致薄膜中的形变增大时，则说明压强增大，计算出具体的阻值，然后与预设的压强高度曲线进行匹配或者是根据压强与高度的线性函数计算出高度值，得到所述低功耗蓝牙信标的所在位置的高度。

通过气压传感器测量低功耗蓝牙信标所在位置的气体数据，基于气体数据与压强之间的对应关系，计算出低功耗蓝牙信标所在位置的气体绝对压强，基于压强与高度之间的对应关系，计算出所在位置的高度信息，然后发送至处理器，处理器将高度信息和平面坐标按照预先定义的数据存储格式进行打包处理，得到定位数据。

在实际应用中，所述数据存储格式为自定义的包含存储平面定位信息和高度定位信息的广播数据格式，具体的：

提取所述低功耗蓝牙信标中的低功耗蓝牙规范定义；

基于所述低功耗蓝牙规范定义确定有效广播数据的最大字节长度；

在所述最大字节长度中选择N个字节定义为高度信息存储字节，其他字节定义为平面坐标和信标ID的存储字节，得到所述数据存储格式。

在实际应用中，所述数据存储格式根据低功耗蓝牙规范定义，有效广播数据最大长度为31字节的广播包，其包含设备ID、厂商数据等用户自定义信息和平面定位信息的广播包，然后在广播包中定义2个字节，用于表示获取到的高度数据。

在获取到平面坐标和高度信息后，基于数据存储格式中各字节的定义，将平面坐标和高度信息写入至对应的字节中，得到定位信息字符串，将该定位信息字符串按照广播协议转换成广播数据，从而得到定位数据。最后将定位数据加入至广播数据包中，广播定位数据包。

所述广播数据包指的是低功耗蓝牙信标的通信数据帧，在需要进行数据传输时，将待传输的数据添加至该通信数据帧中即可，从而得到广播定位数据包。

在实际应用中，为了更加准确地计算出待定位的低功耗蓝牙信标的具体位置，该广播定位数据包中不仅包含了定位数据还包括了低功耗蓝牙信标的信标ID。

在后续利用该广播定位数据包进行定位服务或者监控时，主机设备在接收到该区域内的多个信标的广播定位数据包后，可以根据每个广播定位数据包中的信标ID以及预先注册的各低功耗蓝牙信标的相对关系确定目标低功耗蓝牙信标的方向矢量，再根据目标低功耗蓝牙信标的广播定位数据包的信号强度和平面坐标来计算出相对于服务器的二维坐标或者位置矢量，然后调用定位算法结合高度信息计算出具体的三维坐标信息。

在本实施例中，所述低功耗蓝牙信标还包括通信接口电路105，所述气压传感器通过所述通信接口电路105与所述处理器1014通信连接，用于将采集到的高度信息通过所述通信接口电路105传输给所述处理器1014。所述通信接口电路105包括支持I2C协议或者SPI协议的串行总线接口，例如I2C接口或者SPI接口，也可以根据传感器具体规格选择其他通讯接口，例如UART接口，如图2和4所示。

所述处理器1014在接收到高度信息后，根据字节位置，将高度信息和平面坐标写入至对应的存储字节中；同时还提取低功耗蓝牙信标的厂家信息，确定信标ID，并写入至信标ID的存储字节中，得到定位数据；

例如，若数据存储格式中的前29个字节定义为设备ID、厂商数据和平面定位信息，则将信标ID和平面坐标写入至29个字节中，然后将高度信息写入至最后两个字节中，得到数据字符串，将数据字符串按照广播协议转换为广播数据包，得到定位数据。

在本实施例中，将定位数据嵌入至广播数据包中，得到广播定位数据包。所述广播数据包指的是低功耗蓝牙信标的通信数据帧，在需要进行数据传输时，将待传输的数据添加至该通信数据帧中即可，从而得到广播定位数据包。

在本实施例中，所述低功耗蓝牙信标还包括与所述蓝牙定位电路101连接的打卡电路106。在施工场地内，让施工人员随身携带能够获取高度信息的低功耗信标，除了最基本的定位、打卡功能，当施工人员在高空作业时，可以作为监测安全带是否打开的重要依据。在监控系统中，通过高度信息设定安全阈值，通过主机设备扫描低功耗蓝牙信标获取位置及高度信息，在安全阈值范围内，允许打开安全带卡扣；当超过安全阈值，不允许打开安全带卡扣，如果出现安全带卡扣被打开的情况，及时进行报警提示，这样的好处在一定程度上增加了安全系数，避免意外发生。整个系统的部署不需要增加过多成本，通过升级原有的信标产品就可以实现功能上的提升，部署非常方便，极大程度上提升了用户体验。

综上，当信标被固定在可以移动的物品上时，高度信息会随着物品的移动变化。通过高度数据辅助定位，再结合本身的定位数据，定位更加精准，通过软件设计应用逻辑，实现精准判断，为应用的拓展提供有效的依据。

参见图6所示，为本实用新型实施例提供的一种定位系统，该系统包括至少一个低功耗蓝牙信标501和主机设备502，其中所述主机设备502通过与所述至少一个低功耗蓝牙信标501之间通过无线通讯实现连接；

各所述低功耗蓝牙信标501设置于待定位目标上，用于采集所述待定位目标的平面坐标和高度信息，并通过天线以广播形式发送至所述主机设备502上；具体的主机设备502在定位时，基于低功耗蓝牙信标501的RSSI(Received Signal Strength Indication，信号场强指示)值，结合高度数据进行定位。

所述主机设备502包括定位数据处理模块5021和射频通信模块5022，所述射频通信模块5022接收所述所述低功耗蓝牙信标501发送的广播定位数据包，并将所述广播定位数据包发送给所述定位数据处理模块5021，其中，该广播定位数据包即是高度信息和平面坐标，高度信息通过解析广播定位数据包来得到，平面坐标通过计算广播定位数据包的信号强度来得到。在实际应用中，所述主机设备502可以采用服务器来代替。

该低功耗蓝牙信标501为上述实施例提供的信标，如图1-4所示，器包括蓝牙定位电路101、高度定位电路102、供电电路103和天线104；

所述供电电路103为所述蓝牙定位电路101和所述高度定位电路102提供工作电压；所述供电电路103为纽扣电池或可充电电池。

所述高度定位电路102与所述蓝牙定位电路101的第一通信端口1011电连接，所述天线104与所述蓝牙定位电路101的第二通信端口1012连接。

在本实施例中，高度定位电路102采用气压传感器实现，气压传感器采集气压变化数据后转换成高度数据输出给低功耗蓝牙SOC，低功耗蓝牙SOC作为数据处理芯片，把高度数据加载到广播数据中定时发送。这样做不改变信标原有的工作模式，比需要单独外接气压传感器的方案，最大化利用现有资源，系统集成度更高，部署上更方便。

在本实施例中，该定位系统在实现工作区域内的定位时，工作区域内的每个用户都配置有低功耗蓝牙信标501，主机设备502设置在固定在已知位置，处于低功耗蓝牙扫描的工作方式。主机设备502可以扫描到周围的低功耗蓝牙信标501的广播信息，从而得到移动的人/物的平面定位数据，将低功耗蓝牙信标501的平面定位数据结合高度数据，主机设备502内置的定位算法测算出物体的具体位置，实现对物体精准定位。

具体的，通过实时扫描的工作方式获取指定通信范围内各用户携带的低功耗蓝牙信标发射的广播定位数据包；利用低功耗蓝牙信标中定位数据的数据存储格式，解析广播定位数据包中的信标ID，以及信标ID对应的平面坐标和高度信息；调用预设定位算法对平面坐标和高度信息进行定位计算，得到所述用户的具体定位信息。

在实际应用中，所述主机设备502可以采用服务器实现，在采用服务器实现时，所述广播定位数据包为服务器通过发射接收单元定时扫描所在的通信范围内的广播信号得到。

在实际应用中，所述广播定位数据包可以只包括高度信息的广播信息，而平面定位信息(即是平面坐标)具体是通过扫描低功耗蓝牙信标的信号强度来结合该通信区域内的其他低功耗蓝牙信标的信标间参考强度来计算得到，例如该通信区域中设有多个低功耗蓝牙信标，服务器在获取到各信标的广播信号后，基于各信标的广播信号的信号强度进行三角定位计算，得到目标信标的平面定位信息。

该步骤中，所述数据存储格式是根据低功耗蓝牙规范定义，有效广播数据最大长度为31字节的广播包，其包含设备ID、厂商数据等用户自定义信息和平面定位信息的广播包，然后在广播包中定义2个用于表示获取到的高度数据的字节得到。

基于上述的字节定义结构，解析存储信标ID、平面坐标和高度信息。

在实际应用中，在解析过程中，由于还存在使用场景的区分，因此，还包括根据信标所在的场景将高度信息转换为室内和室外对应的高度数值。

具体的，该步骤可以通过根据所述平面坐标确定所述用户所在的位置区域，判断所述位置区域是否为室内场景；

若是，则获取所述位置区域对应的场景设计数据；

根据所述场景设计数据和所述高度信息，计算出对应的楼层信息；

调用预设定位算法，对所述楼层信息和所述平面坐标进行融合计算，得到所述用户的具体定位信息。

在实际应用中，若低功耗蓝牙信标佩戴在室内的工作人员身上时，服务器扫描到周围的低功耗蓝牙信标的广播信息，从其中得到移动的人/物的平面定位数据和高度信息，将信标的平面定位数据结合高度信息你，服务器使用其内置的定位算法测算出人的具体位置，实现对人的精准定位，例如在多层楼宇的使用场景，通过高度信息转化成所在对应的楼层，甚至还可是房间信息。

通过上述提供的定位系统实现定位，基于增加了气压传感器的低功耗蓝牙信标采集高度信息和平面坐标，在服务器获取器发送的广播信息后，可以同时获取到两个维度的定位信息，并且还是从一个低功耗蓝牙信标产生的，这样的方式实现定位，相比于现有技术来说，不仅简化的定位数据的采集，由于定位数据是基于同一信标采集发送的，大大简化了定位信息的转换流程，相同的标准下，提高了定位计算的精准度，同时在硬件上也简化了部署，降低成本，提高用户体验。

综上所述，通过本实用新型的实施，至少存在以下有益效果：

本实用新型提供了一种低功耗蓝牙信标和定位系统，使用了设有高度定位电路的低功耗蓝牙信标获取高度信息，将高度信息按照预先定义的数据存储格式进行打包，得到定位数据，然后添加到广播数据包中，由于使用了增加有高度定位电路的低功耗蓝牙信标获取高度信息，利用高度信息辅助低功耗蓝牙信标本身的平面坐标进行定位，使得其定位数据更加精准，并且使用这样的低功耗蓝牙信标更加便于定位监控的部署，极大程度上提升了用户体验。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种低功耗蓝牙信标，其特征在于，所述低功耗蓝牙信标包括蓝牙定位电路、高度定位电路、供电电路和天线；

所述供电电路为所述蓝牙定位电路和所述高度定位电路提供工作电压；

所述蓝牙定位电路上设有两个通信端口，所述高度定位电路与所述蓝牙定位电路的第一通信端口连接，所述天线与所述蓝牙定位电路的第二通信端口连接；

在所述低功耗蓝牙信标工作时，所述高度定位电路采集所述低功耗蓝牙信标所在的位置的高度信息，并发送至所述蓝牙定位电路；所述蓝牙定位电路将所述高度信息以广播的形式通过所述天线发送出去。

2.根据权利要求1所述的低功耗蓝牙信标，其特征在于，所述蓝牙定位电路至少包括低功耗蓝牙SOC芯片。

3.根据权利要求2所述的低功耗蓝牙信标，其特征在于，所述低功耗蓝牙SOC芯片包括低功耗蓝牙模块和处理器，所述处理器将接收到的高度信息发送给所述低功耗蓝牙模块，所述低功耗蓝牙模块将所述高度信息通过所述天线定时发送出去。

4.根据权利要求3所述的低功耗蓝牙信标，其特征在于，所述高度定位电路至少包括气压传感器，用于采集所述低功耗蓝牙信标所在的位置的气体压强，以得到高度信息。

5.根据权利要求4所述的低功耗蓝牙信标，其特征在于，所述低功耗蓝牙信标还包括通信接口电路，所述气压传感器通过所述通信接口电路与所述处理器通信连接，用于将采集到的高度信息通过所述通信接口电路传输给所述处理器。

6.根据权利要求5所述的低功耗蓝牙信标，其特征在于，所述通信接口电路包括支持I2C协议或SPI协议的串行总线接口。

7.根据权利要求1所述的低功耗蓝牙信标，其特征在于，所述供电电路为纽扣电池或可充电电池。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的低功耗蓝牙信标，其特征在于，所述低功耗蓝牙信标还包括与所述蓝牙定位电路连接的打卡电路。

9.一种定位系统，其特征在于，所述定位系统包括：至少一个如权利要求1-8中任一项所述的低功耗蓝牙信标和主机设备，其中所述主机设备通过与所述至少一个低功耗蓝牙信标之间通过无线通讯实现连接；

各所述低功耗蓝牙信标设置于待定位目标上，用于采集所述待定位目标的平面坐标和高度信息，并通过天线发送至所述主机设备上。

10.根据权利要求9所述的定位系统，其特征在于，所述主机设备包括定位数据处理模块和射频通信模块，所述射频通信模块接收所述低功耗蓝牙信标发送的平面坐标和高度信息，并将所述平面坐标和高度信息发送给所述定位数据处理模块。

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