CN218473402U - 一种灯盘式无线蓝牙aoa定位物联基站 - Google Patents

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熊健
康海强
赖正喜
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Abstract

本实用新型提供一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站，包括灯盘体，在所述灯盘体内部设置有控制电路板、LED照明灯、AOA阵列天线、电源模块以及用于将位置定位信息发送到云端通讯平台的无线网络通讯模块；所述LED照明灯以及所述AOA阵列天线一体式设置于所述控制电路板上或所述AOA阵列天线环绕设置于所述LED照明灯外周，呈分开布设结构；所述AOA阵列天线至少包括三个独立的天线单元，用于分别获取来自信号覆盖区域的识别信息；所述LED照明灯包括多个LED灯珠，实际应用过程中，主要解决了室内定位基站部署的重复建设及布线问题，安装无需专用的电源线和网线的部署成本，直接替换吸顶灯，满足照明需求的同时即可实现室内高精度定位和物联网局域网搭建。

Description

一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站
[技术领域]
本实用新型涉及室内精准定位技术领域，尤其涉及一种无需专用的电源线和网线的部署成本，直接替换吸顶灯，满足照明需求的同时即可实现室内高精度定位和物联网局域网搭建的灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站。
[背景技术]
现有蓝牙AOA定位基站均基于独立基站的方式部署，需要部署网线及电源线，部署数量及成本极高，且大部分支持定位而不支持物联功能，而实际场景中，安装过高密度基站首先施工难度大，另外会影响装修的美观。
专利申请号为CN201820243036.6；专利名称为：《蓝牙吸顶灯》的实用新型专利中，为了解决灯的控制问题，只是基于蓝牙控制灯开关及亮度，吸顶灯不具备物联网基站的功能，也不具备室内定位的功能。
专利申请号为CN201910974820.3；专利名称为：《一种基于蓝牙网关的控制方法、装置、计算机设备和存储介质》的实用新型专利中，是基于蓝牙网关主要用于管理和传输蓝牙子设备的数据，不具备室内精确定位功能，需要布线安装，对于蓝牙这种轻量化应用来说网关的部署成本过高。
专利申请号为CN202120705326.X；专利名称为：《一种蓝牙AOA定位装置》的实用新型专利中，是基于有线连接蓝牙AOA定位基站，仅用于定位，不具备物联网功能，部署的成本高，功能单一。
[实用新型内容]
为克服现有技术所存在的问题，本实用新型提供一种无需专用的电源线和网线的部署成本，直接替换吸顶灯，满足照明需求的同时即可实现室内高精度定位和物联网局域网搭建的灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站。
本实用新型解决技术问题的方案是提供一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站，包括灯盘体，在所述灯盘体内部设置有控制电路板、LED照明灯、AOA 阵列天线、电源模块以及用于将位置定位信息发送到云端通讯平台的无线网络通讯模块；所述LED照明灯以及所述AOA阵列天线一体式设置于所述控制电路板上或所述AOA阵列天线环绕设置于所述LED照明灯外周，呈分开布设结构；所述AOA阵列天线至少包括三个独立的天线单元，用于分别获取来自信号覆盖区域的识别信息；所述LED照明灯包括多个LED灯珠。
优选地，所述无线网络通讯模块包括蓝牙模块、无线WiFi模块、5G通讯模块和/或4G通讯模块。
优选地，所述LED照明灯与所述AOA阵列天线相互平齐或所述LED照明灯低于所述AOA阵列天线布置。
优选地，所述AOA阵列天线为圆盘型天线阵列结构或矩形天线阵列结构。
优选地，所述控制电路板上贴附设置有SOC芯片模块，且所述控制电路板与所述AOA阵列天线之间通过IPX天线接口相连接，所述控制电路板与所述电源模块之间通过GPIO接口相连接，所述控制电路板与所述LED照明灯的驱动模块之间通过SPI接口相连接，所述控制电路板与所述无线网络通讯模块之间通过UART接口相连接。
本申请的有益效果如下：
与现有技术相比，本实用新型一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站通过设置灯盘体，在所述灯盘体内部设置有控制电路板、LED照明灯、AOA阵列天线、电源模块以及用于将位置定位信息发送到云端通讯平台的无线网络通讯模块，LED照明灯以及所述AOA阵列天线一体式设置于所述控制电路板上或所述AOA阵列天线环绕设置于所述LED照明灯外周，呈分开布设结构，所述 AOA阵列天线至少包括三个独立的天线单元，用于分别获取来自信号覆盖区域的识别信息，所述LED照明灯包括多个LED灯珠，实际应用过程中，主要解决了室内定位基站部署的重复建设及布线问题，安装无需专用的电源线和网线的部署成本，直接替换吸顶灯，满足照明需求的同时即可实现室内高精度定位和物联网局域网搭建。
[附图说明]
图1和图2是本实用新型一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站的两种不同结构的平面示意图。
图3是本实用新型一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站的功能模块结构示意图。
图4是本实用新型一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站的应用场景结构示意图。
图5是本实用新型一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站的定位原理结构示意图。
[具体实施方式]
为使本实用新型的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定此实用新型。
请参阅图1至图5，本实用新型一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站1 包括灯盘体，在所述灯盘体内部设置有控制电路板、LED照明灯、AOA阵列天线、电源模块以及用于将位置定位信息发送到云端通讯平台的无线网络通讯模块；所述LED照明灯以及所述AOA阵列天线一体式设置于所述控制电路板上或所述AOA阵列天线环绕设置于所述LED照明灯外周，呈分开布设结构；所述AOA阵列天线至少包括三个独立的天线单元，用于分别获取来自信号覆盖区域的识别信息；所述LED照明灯包括多个LED灯珠。
本申请通过设置灯盘体，在所述灯盘体内部设置有控制电路板、LED照明灯、AOA阵列天线、电源模块以及用于将位置定位信息发送到云端通讯平台的无线网络通讯模块，LED照明灯以及所述AOA阵列天线一体式设置于所述控制电路板上或所述AOA阵列天线环绕设置于所述LED照明灯外周，呈分开布设结构，所述AOA阵列天线至少包括三个独立的天线单元，用于分别获取来自信号覆盖区域的识别信息，所述LED照明灯包括多个LED灯珠，实际应用过程中，主要解决了室内定位基站部署的重复建设及布线问题，安装无需专用的电源线和网线的部署成本，直接替换吸顶灯，满足照明需求的同时即可实现室内高精度定位和物联网局域网搭建。
本申请的电源模块：为输出电压为220V或110V照明；输出两路：1路为 5V2A为基站通讯板供电；1路为宽电压输出3V-36V为LED照明电路供电；
主板控制：主板为高集成的MCU+蓝牙+无线通讯的SOC芯片，实现室内定位算法运行；无线网络模块：将进入基站覆盖区域的蓝牙设备的高精度位置坐标发送给上层AP上传给可视化物联网平台。
本实用新型关键点在于AOA阵列天线的与LED照明系统融合设计，重点保护的是AOA阵列天线与LED灯盘的组合方案。
优点：终端均采用无线信号广播方式，及无线通讯技术，将照明与室内定位完美与物联网基站完美同和，本基站AoA核心定位模块采用基于相位差的AoA定位技术，实现高精度室内定位。
蓝牙AOA定位基站是基于无线信号到达角度定位基站，覆盖范围较小，室内空间受墙体干扰角度，基本与照明系统安装密度相当，所以将定位基站与灯盘融合为一体具备应用的基础。
在一些其他实施例中，所述无线网络通讯模块包括蓝牙模块、无线WiFi 模块、5G通讯模块和/或4G通讯模块；所述LED照明灯与所述AOA阵列天线相互平齐或所述LED照明灯低于所述AOA阵列天线布置；所述AOA阵列天线为圆盘型天线阵列结构或矩形天线阵列结构；所述控制电路板上贴附设置有 SOC芯片模块，且所述控制电路板与所述AOA阵列天线之间通过IPX天线接口相连接，所述控制电路板与所述电源模块之间通过GPIO接口相连接，所述控制电路板与所述LED照明灯的驱动模块之间通过SPI接口相连接，所述控制电路板与所述无线网络通讯模块之间通过UART接口相连接。
与本申请相对应的一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站的定位方法，包括以下步骤，
S1：预设内置有LED照明灯、AOA阵列天线、电源模块以及无线网络通讯模块的LED灯具；
S2：建立AOA阵列天线与信号覆盖区域中定位标签的通讯连接；并利用 AOA阵列天线中的不同天线单元接收来自定位标签的定位数据信息，因天线单元的距离差异，具有相位差
Figure BDA0003761709800000052
故两相邻的天线单元所接收到的定位数据信息存在距离差△L；
S3：因定位标签到LED灯具的距离R远大于两相邻天线单元的距离d，因此最大距离差即为天线单元的距离d，同时定义θ角为相邻两天线单元的夹角；
S4:不同天线单元在同一时间接收到定位信号的相位有差异，根据中心位置天线单元与圆周上的天线单元组成的单位向量μ，圆心与定位标签组成的向量r；则单位向量μ＝(cosαi，sinαi，0)；根据预设公式可推导出θi；
S5:定义LED灯具与定位标签的高度为H，通过预设公式即可求得定位标签的x，y坐标值。
以下为与上述步骤相关的具体公式：
因标签处在空间某一位置，必定引起两天线接收的来波存在距离差ΔL，它与相位差Δφ存在如下关系：
Figure BDA0003761709800000051
由于标签到基站的距离R远大于天线阵列的距离d，因此最大的距离差即为天线阵列的天线距离d。定义θ角为来波与两天线阵列的夹角，存在如下关系：
Figure BDA0003761709800000061
取
Figure BDA0003761709800000062
(根据经验二分之一波长时，效果最好)，则：
Figure BDA0003761709800000063
不同天线在同一时间接收到的信号的相位有一定差异；
设圆心处的天线与圆周上的天线组成单位向量μi(i＝1,2...8)，圆心与测试点T组成的向量r。则单位向量如下：
μi＝(cosαi,sinαi,0)
其中，αi表示单位向量μi与x轴的夹角。测试点向量如下：r＝(x,y,z)。根据内积定义：
Figure BDA0003761709800000064
进而可推导：θi
Figure BDA0003761709800000065
定义向量r与x轴的夹角为βx，与y轴的夹角为βy，则一定满足如下条件：
Figure BDA0003761709800000066
进一步化简得：
cosθi＝cosβx·cosαi+cosβy·sinαi
Figure BDA0003761709800000071
i取不同值，根据矩阵方程，求解AX＝L，X＝(ATA)-1ATL，可较为容易求解出 cosβx、cosβy。进而求解xyz坐标。
根据空间关系：
Figure BDA0003761709800000072
因cosβx、cosβy在上一步骤已求得，此处可较为容易的求得cosβz。因基站距离佩戴者手环高度H已知，因此：
Figure BDA0003761709800000073
同理，较为容易求得圆心与测试点T组成的向量r的模值
Figure BDA0003761709800000074
因此最终测试点坐标为：
Figure BDA0003761709800000075
xy即为公共区域的人员位置信息。
本申请基于无线WIFI的传输方式接入上层网络，采用220V照明供电，不需再布设电源先与网线，另扩展蓝牙网关功能，可以连接管理覆盖范围蓝牙终端，从而实现定位，物联网，照明一体化功能，减少物联网建设的复杂程度。
基站核心模块采用无线信号到达角度(angle of arrival，简称：AoA) 实现对人员及物资的精确定位。其基站技术方案相较于上述三个专利有着较大差异，本方案实则上通过测试信号的相位差从而实现米级精准定位。
C2圆表示公共区域，例如：商场等，T表示人员，人员佩戴终端(例如：手机、特定穿戴设备等)周期性的发送T的自身识别信息，C1圆装置使用天线阵列的方式解调出T的相位信息，从而C1圆装置计算出T在公共区域的精确位置(精度达亚米级别)。C1 圆装置采用网络通信技术(Wi-Fi、5G、4G等)将T的识别信息等位置信息发送到云端存储，需要流调时可方便高效的从云端拉取。
本实用新型在智慧医院的室内定位项目进行验证，确定技术方案可行，确定LED照明与WIFI通讯的EMI干扰问题，实现基本的室内的精确定位。
与现有技术相比，本实用新型一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站1 通过设置灯盘体，在所述灯盘体内部设置有控制电路板、LED照明灯、AOA阵列天线、电源模块以及用于将位置定位信息发送到云端通讯平台的无线网络通讯模块，LED照明灯以及所述AOA阵列天线一体式设置于所述控制电路板上或所述AOA阵列天线环绕设置于所述LED照明灯外周，呈分开布设结构，所述AOA阵列天线至少包括三个独立的天线单元，用于分别获取来自信号覆盖区域的识别信息，所述LED照明灯包括多个LED灯珠，实际应用过程中，主要解决了室内定位基站部署的重复建设及布线问题，安装无需专用的电源线和网线的部署成本，直接替换吸顶灯，满足照明需求的同时即可实现室内高精度定位和物联网局域网搭建。
以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站，包括灯盘体，其特征在于：在所述灯盘体内部设置有控制电路板、LED照明灯、AOA阵列天线、电源模块以及用于将位置定位信息发送到云端通讯平台的无线网络通讯模块；所述LED照明灯以及所述AOA阵列天线一体式设置于所述控制电路板上或所述AOA阵列天线环绕设置于所述LED照明灯外周，呈分开布设结构；所述AOA阵列天线至少包括三个独立的天线单元，用于分别获取来自信号覆盖区域的识别信息；所述LED照明灯包括多个LED灯珠。
2.如权利要求1所述的一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站，其特征在于：所述无线网络通讯模块包括蓝牙模块、无线WiFi模块、5G通讯模块和/或4G通讯模块。
3.如权利要求1所述的一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站，其特征在于：所述LED照明灯与所述AOA阵列天线相互平齐或所述LED照明灯低于所述AOA阵列天线布置。
4.如权利要求1至3中任意一项权利要求所述的一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站，其特征在于：所述AOA阵列天线为圆盘型天线阵列结构或矩形天线阵列结构。
5.如权利要求1所述的一种灯盘式无线蓝牙AOA定位物联基站，其特征在于：所述控制电路板上贴附设置有SOC芯片模块，且所述控制电路板与所述AOA阵列天线之间通过IPX天线接口相连接，所述控制电路板与所述电源模块之间通过GPIO接口相连接，所述控制电路板与所述LED照明灯的驱动模块之间通过SPI接口相连接，所述控制电路板与所述无线网络通讯模块之间通过UART接口相连接。
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