一种蓝牙定位方法与流程

本发明涉及无线电定向的领域，尤其涉及一种通过蓝牙实现的定位技术。

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。

现有的蓝牙定位方法，如下所示：

申请号为cn201710130779.2公开了一种基于蓝牙的室内定位系统及其定位方法，在室内空间范围按照三维坐标系的长、宽、高分别依序号间隔布置蓝牙设备，蓝牙设备均通过无线方式与用于接收信号强弱、序号、位置、频率信息的信号接收设备通讯连接，信号接收设备与数据处理设备通讯连接，数据处理设备处理分析得到的蓝牙设备的广播频率、空间坐标位置、对应序号以及信号强弱值，数据处理设备与数据统计设备通讯连接，数据统计设备获取数据处理设备的分析结果，统计各个蓝牙设备的频率、位置、序号、强弱，对比强弱与位置，得出最靠近信号接收设备的蓝牙设备的序号，得出所属信号接收设备在室内空间范围的空间位置，定位误差小于2米。

上述现有技术需要数据统计设备，要统计多个参数，即多个蓝牙设备的频率、位置、序号、强弱，对比强弱与位置，得出最靠近信号接收设备的蓝牙设备的序号，得出所属信号接收设备在室内空间范围的空间位置。

现有技术申请号为cn201610813916.8公开了一种基于统计匹配的蓝牙室内定位方法，该方法包括：定位区域的划分，将室内空间区域按设定规则平均划分成多个小正方形区域；蓝牙强度统计，统计在每个小正方形区域附近的蓝牙信号强度范围；手机终端的匹配定位，手机终端通过接收的蓝牙信号强度来匹配所统计的蓝牙信号强度范围，以此定出所在区域，实现定位。

上述现有技术中当人拿着手机打开app进入了被蓝牙设备覆盖的区域，就开始了匹配定位。首先确定好离手机最近的四个蓝牙设备，蓝牙设备都带有名字，可以进行区分。通过搜索的方式可以在短时间内连续获取多个rssi强度值。当获取了足够数量的数据之后就进行统计匹配。这里的匹配是算法的核心部分，将每四个强度值分别与m的平方个区域的强度范围进行比较，若四个rssi数值与四个区间都匹配，即该位置的计数器值加一，如此类推，完成所有的对比。通过计算每个小正方形区间出现的计数值除以计数总数可以获得概率，概率最大的区域即为定位到的地点，从统计学的角度出发，当获取的rssi数据量足够大时，概率最大者一定为正确的位置。由此可以实现定位。

上述两个专利，都属于蓝牙定位技术领域内的现有技术，使用到了统计知识，但是都需要较多的硬件设备，而且需要人工操作，不能实现全自动定位。

现有的aoa算法，即基于到达角度测距的定位算法，通过某些硬件设备感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和锚节点之间的相对方位或角度，然后再利用三角测量法或其他方式计算出未知节点的位置。在实际计算中，在信号发射到接收的极短的时间内，天线阵列因为相邻的天线间隔距离太短，导致接收到蓝牙信号而测出的到达角度的信息很难绝对精确，从而也会对设备定位的计算有影响。

基于上述现有技术，亟待改善的是需要提供一种具有简单排列结构的天线与算法，同时能够提高计算速度的无线定位方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种蓝牙定位方法。

一种蓝牙定位方法，使用在一个蓝牙定位系统中，蓝牙定位系统包括至少一个蓝牙发射模块和至少一个蓝牙接收模块，蓝牙接收模块包含一个蓝牙天线装置以及一个信号分析模块，蓝牙天线装置包含一个接收端电路板、以及一个设置于接收端电路板上的一个蓝牙天线阵列，蓝牙天线阵列中包含有4个天线，各天线通过一个信号馈入点电性接入该接收端电路板，4个信号馈入点排列成一直线la，两两相邻的信号馈入点之间的距离ri,j≤λ/4，其中λ为蓝牙波长；蓝牙定位方法包含下列步骤：

s1：蓝牙发射模块发射蓝牙信号；

s2：启动一段预设时间；

s3：蓝牙接收模块通过蓝牙天线阵列接收蓝牙信号，测得天线接收到的蓝牙信号的相位(φ1、φ2、φ3、φ4)；

s4：分析生成任两个天线接收到的蓝牙信号的相位差δφi,j＝φj-φi；

s5：基于所述相位差δφi,j，分析生成所述蓝牙天线阵列(210)接收到的蓝牙信号(600)的多个入射角(θi,j)，入射角(θi,j)是所述蓝牙信号(600)到所述信号馈入点(211a、212a、213a、214a)的入射线与所述直线la的垂线的夹角，其中θi,j＝arcsin(λ*δφi,j/(2πri,j))；

s6：基于所述入射角(θi,j)，得到入射角的余角(θi,i＝1to4)；

s7：基于入射角计算出来的余角(θ1、θ2、θ3、θ4)，分析生成蓝牙发射模块到直线la的多个垂直距离di,i+1，其中di,i+1＝ri,i+1*tanθitanθj+1/(tanθi-tanθj+1)；

s8：基于多个垂直距离(di,i+1)，分析生成最佳垂直距离(dopt)；

s9：基于最佳垂直距离(dopt)，分析生成蓝牙发射模块到信号馈入点的距离(li,j＝1to4)，其中li＝dopt/sinθi；

s10：重复步骤s3至s9，直到预设时间结束；

s11：基于步骤s9生成的多个距离(li,i＝1to4)及多个入射角(θi,j)，生成最佳距离(lopt)及最佳入射角(θopt)，藉此，完成蓝牙发射模块的定位。

需要说明的是，

4个天线中，两两相邻的信号馈入点之间的距离(ri,i+1)为相同。

需要说明的是，步骤s4中，δφi,j包括δφ1,2、δφ1,3、δφ1,4。

需要说明的是，步骤s4中，δφi,j更包括δφ2,3、δφ3,4、δφ2,4。

需要说明的是，预设时间可实时更换，一般为毫秒单位。

需要说明的是，步骤s8中，最佳垂直距离(dopt)是通过对多个垂直距离取平均数而生成。

需要说明的是，步骤s8中，最佳垂直距离(dopt)是通过对多个垂直距离的正负1.96个标准差内的数据，取中位数而生成。

需要说明的是，步骤s11中，最佳距离(lopt)是通过对多个距离(li)取平均数而生成，最佳入射角(θopt)是通过对多个入射角(θi,j)取平均数而生成。

需要说明的是，步骤s11中，最佳距离(lopt)是通过对多个距离(li)的正负1.96个标准差内的数据，取中位数而生成；最佳入射角(θopt)是通过对多个入射角(θi,j)的正负1.96个标准差内的数据，取中位数而生成。

需要说明的是，蓝牙发射模块和蓝牙接收模块为蓝牙协议4.1以上的蓝牙装置。

本发明将四个天线等距排列成一直线，两两相邻的天线的信号馈入点之间的距离不大于1/4的蓝牙波长λ，可以保证多根天线接收到的蓝牙信号在同一个波工周期内，天线切换周期与发射端信号发射周期相符，即可以看作多根天线“同时”接收到蓝牙信号。本发明很好的小型化低功耗的解决了aoa天线阵列信号接收问题；同时，引入相位差来计算蓝牙天线阵列210接收到信号的入射角，从而计算得到蓝牙装置的位置关系，解决了无线电到达两根天线的时间差的计算难度非常大的问题，从而很好解决了tdoa算法的时间差的计算问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术作附图说明：

图1为本发明中蓝牙天线装置的结构图。

图2为本发明中蓝牙定位系统的结构示意图。

图3为本发明中蓝牙天线阵列接收到蓝牙信号的入射角的示意图(1)。

图4为本发明中蓝牙天线阵列接收到蓝牙信号的入射角的示意图(2)。

图5为本发明中天线接收到蓝牙信号的相位的示意图。

图6为本发明蓝牙定位方法计算距离的示意图。

图7为本发明在预设时间内第一天线的入射角的数据统计缩略图。

图8为本发明在预设时间内第一天线的入射角的数据统计直方图。

图9为本发明在预设时间内四根天线的入射角的数据统计图。

图10为本发明蓝牙定位方法的流程图。

图例说明：

蓝牙信号600

蓝牙发射模块100

蓝牙接收模块200

蓝牙天线阵列210

第一天线211

第一天线信号馈入点211a

第二天线212

第二天线信号馈入点212a

第三天线213

第三天线信号馈入点213a

第四天线214

第四天线信号馈入点214a

信号分析模块220

接收端电路板240

信号馈入点排列形成的直线la

蓝牙发射模块到第一蓝牙信号馈入点的距离l1

蓝牙发射模块到第二蓝牙信号馈入点的距离l2

蓝牙发射模块到第三蓝牙信号馈入点的距离l3

蓝牙发射模块到第四蓝牙信号馈入点的距离l4

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发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明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，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

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

实施例一：

本发明中的蓝牙装置均使用蓝牙4.1以上的通信协议，蓝牙4.1主打iot(internetofthings物联网)。蓝牙4.1协议的设备可以同时作为发射方和接受方，并且可以连接到多个设备上。蓝牙4.1协议是个很有前途的技术，其智能、低功耗、高传输速度、连接简单的特性将适合用在许多新兴设备上。

如图1和图2，本发明提出了一种蓝牙定位方法，使用在一个蓝牙定位系统中，蓝牙定位系统至少包括一个蓝牙发射模块100和一个蓝牙接收模块200。所述蓝牙接收模块200包含一个蓝牙天线装置以及一个信号分析模块220，所述蓝牙天线装置包含一个接收端电路板240、以及一个设置于所述接收端电路板240上的一个蓝牙天线阵列210，所述蓝牙天线阵列210中包含有4个天线211、212、213、214，各所述天线通过一个信号馈入点211a、212a、213a、214a电性接入该接收端电路板240，所述4个信号馈入点211a、212a、213a、214a排列成一直线la，两两相邻的所述信号馈入点211a、212a、213a、214a之间的距离ri,i+1≦λ/4，其中λ为蓝牙波长；所述蓝牙定位方法的特征在于包含下列步骤，如图10所示：

s1：所述蓝牙发射模块100发射蓝牙信号600；

s2：启动一段预设时间；

s3：所述蓝牙接收模块200通过所述蓝牙天线阵列210接收所述蓝牙信号600，测得所述天线211、212、213、214接收到的所述蓝牙信号600的相位φ1、φ2、φ3、φ4；

在步骤s3中，蓝牙接收模块200上的信号分析模块220测得蓝牙信号600被天线211接收时的相位φ1；蓝牙信号600被天线212接收时的相位φ2；蓝牙信号600被天线213接收时的相位φ3；蓝牙信号600被天线214接收时的相位φ4。

s4：分析生成任两个所述天线接收到的所述蓝牙信号600的相位差δφi,j＝φj-φi；

在步骤s4中，如图5所示，任两个所述天线的相位差δφi,j＝φj-φi，也就是说，δφ1,2＝φ2-φ1，δφ1,3＝φ3-φ1，δφ1,4＝φ4-φ1，δφ2,3＝φ3-φ2，δφ3,4＝φ4-φ3，δφ2,4＝φ4-φ2。

s5：基于所述相位差δφi,j，分析生成所述蓝牙天线阵列(210)接收到的蓝牙信号(600)的多个入射角(θi,j)，入射角(θi,j)是所述蓝牙信号(600)到所述信号馈入点(211a、212a、213a、214a)的入射线与所述直线la的垂线的夹角，其中θi,j＝arcsin(λ*δφi,j/(2πri,j))；

在步骤s5中，如图4所示，r则认为是蓝牙信号600传输到达两根天线的过程中传输产生的距离差，两两相邻的所述信号馈入点211a、212a、213a、214a之间的距离ri,j，θi,j是入射角，比如θ1,2是指蓝牙信号600到达第一天线的入射角，θ2,3是指蓝牙信号600到达第二天线的入射角，θ3,4是指蓝牙信号600到达第三天线的入射角,θ4,1是指蓝牙信号600到达第四天线的入射角。

在本实施例中，计算得到下列入射角：

θ1,2＝arcsin(λ*δφ1,2/(2πr1,2))

θ2,3＝arcsin(λ*δφ2,3/(2πr2,3))

θ3,4＝arcsin(λ*δφ3,4/(2πr3,4))

θ4,1＝arcsin(λ*δφ4,1/(2πr4,1))

s6：基于所述入射角(θi,j)，得到入射角的余角(θi,i＝1to4)，其中θi,i＝1to4＝90°－θi,j；

s7：基于所述入射角θi,j计算出来的余角θ1、θ2、θ3、θ4，分析生成所述蓝牙发射模块100到所述直线la的多个垂直距离di,i+1，其中di,i+1＝ri,i+1*tanθitanθi+1/(tanθi-tanθi+1)；

在步骤s7中的等式的推导过程如下：

从图6可看出，a、b、c在一条直线上，oc垂直ac，在三角形oab中，得出下列等式，

ac＝oc/tanθi+1；bc＝oc/tanθi；ab＝ac-bc＝oc/tanθi+1-oc/tanθi；得到oc＝ab*tanθitanθi+1/(tanθi-tanθi+1)；其中oc＝di,i+1，ab＝ri,i+1。

所以得到：

di,i+1＝ri,i+1*tanθitanθi+1/(tanθi-tanθi+1)。

也就是说，在此实施例中：

d1,2＝r1,2*tanθ1tanθ2/(tanθ1-tanθ2)；

d2,3＝r2,3*tanθ2tanθ3/(tanθ2-tanθ3)；

d3,4＝r3,4*tanθ3tanθ4/(tanθ3-tanθ4)。

s8：基于所述多个垂直距离di,i+1，分析生成最佳垂直距离dopt；

所述步骤s8中，所述最佳垂直距离dopt是通过对所述多个垂直距离取平均数而生成。

也就是说，在此实施例中，dopt＝(d1,2+d2,3+d3,4)/3。

s9：基于所述最佳垂直距离dopt，分析生成所述蓝牙发射模块100到所述信号馈入点211a、212a、213a、214a的距离li,i＝1to4，其中li＝dopt/sinθi；

所述步骤s8中，为便于理解，请看图6，li为图中的ob，dopt为图中的oc，即ob＝oc/sinθi。在此实施例中，l1＝dopt/sinθ1；

l2＝dopt/sinθ2；

l3＝dopt/sinθ3；

l4＝dopt/sinθ4。

s10：重复步骤s3至s9，直到所述预设时间结束；

s11：基于步骤s9生成的多个距离li,i＝1to4及多个入射角(θi,j)，生成最佳距离lopt及最佳入射角θopt，藉此，完成所述蓝牙发射模块100的定位。

所述步骤s11中，所述最佳距离lopt是通过对所述多个距离li取平均数而生成，所述最佳入射角θopt是通过对所述多个入射角(θi,j)取平均数而生成。

所述步骤s2中，所述预设时间可根据需要的数据量实时更换变化，假设计算一个天线的入射角和距离为一个小周期，一个小周期的时间为4μs；假设计算四个天线的入射角和距离为一个大周期，一个大周期的时间为16μs。在一个大周期中，就可计算得到一个最佳距离lopt和一个最佳入射角θopt。我们在实际应用中，会选取4000个小周期的时间作为预设时间，也就是16000us，即16ms。

在步骤s10过程中，可以计算多个大周期内的li,i＝1to4及入射角(θi,j)。在此实施例中即有1000个大周期的li,i＝1to4及入射角(θi,j)。

对于步骤s11，在此实施例中：

lopt＝(l1+l2+l3+l4+……+l4000)/4000。

θopt＝(θ1,2+θ2,3+θ3,4+θ4,1+……+θ4000,3997)/4000。

在上述的技术过程中，所述4个天线211、212、213、214中，两两相邻的所述信号馈入点211a、212a、213a、214a之间的距离ri,i+1为相同。所述蓝牙发射模块100和所述蓝牙接收模块200为蓝牙协议4.1以上的蓝牙装置。

实施例二：

实施例二与实施例一内容大致相同，不同之处在于：

经实际检验得知，所述步骤s8中得到的垂直距离di,i+1符合标准正态分布:

所以，最佳垂直距离(dopt)是通过对多个垂直距离的正负1.96个标准差内的数据，取中位数而生成。

经实际检验得知，所述步骤s11中得到的最佳距离(lopt)和最佳入射角(θopt)符合标准正态分布:

所以，最佳距离(lopt)是通过对多个距离(li)的正负1.96个标准差内的数据，取中位数而生成；最佳入射角(θopt)是通过对多个入射角(θi)的正负1.96个标准差内的数据，取中位数而生成。

如图7所示，在预设时间内第一天线入射角的数据统计缩略图，此实施例的预设时间为4000个小周期，横轴代表每个小周期，共有4000个小周期，纵轴代表入射角θ1,2的数值；如图8所示，在预设时间内第一天线入射角的数据统计直方图，横轴代表入射角θ1,2的数值，纵轴代表入射角θ1,2的数量，可以看到，大部分数值集中的15度～18度的数值范围中，运用4000多个数据，通过上述公式得出标准差，进而选取在正负1.96个标准差内的数据，取中位数得到最佳入射角(θopt)。

如图9所示，是4000个小周期的所有的入射角θ1,2、θ2,3、θ3,4、θ4,1的数据统计缩略图和数据统计直方图，如图中所示，天线12计算的v01角度值为入射角θ1,2，天线13计算的v02角度值为入射角θ1,3，天线14计算的v03角度值为入射角θ1,4，天线23计算的v12角度值为入射角θ2,3，天线24计算的v13角度值为入射角θ2,4，天线34计算的v23角度值为入射角θ3,4。从图9的数据缩略图和直方图中可看出：θ1,2大部分数值集中的15度～18度的数值范围中；θ1,3大部分数值集中的－17度～－21度的数值范围中；θ1,4大部分数值集中的－2度～－6度的数值范围中；θ2,3大部分数值集中的27度～31度的数值范围中；θ2,4大部分数值集中的－18度～－22度的数值范围中；θ3,4大部分数值集中的14度～17度的数值范围中。运用4000多个数据，通过上述公式得出标准差，进而选取在正负1.96个标准差内的数据，取中位数得到最佳入射角(θopt)。

在求得入射角之后，可通过实施例一的步骤s7～s10就可以得到4000个小周期的距离li，通过上述公式得出标准差，进而选取在正负1.96个标准差内的数据，取中位数得到最佳距离(lopt)。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明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，在不脱离本发明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发明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，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明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，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。