一种基于蓝牙5.0信标的室内定位方法及系统与流程

本发明涉及蓝牙室内定位领域，特别是一种蓝牙5.0信标的室内定位方法及其系统。

背景技术：

目前，室内定位在日常生活中应用越来越广泛，例如商场室内导航，地下停车场车位寻找、货架商品定位等领域。同时，现在手机已经成为人们随身携带必不可少的工具之一，因此开发基于手机端的室内定位app为人们寻找各种具有蓝牙信标的位置提供了极大的帮助与方便。

目前的蓝牙室内定位系统基本均基于蓝牙4.0技术，往往达不到精度要求更高的室内定位需求，尤其是信标的设计，难以解决低功耗、长距离分布等问题，也较少开发成整套的蓝牙室内定位系统。相对于蓝牙4.0，基于蓝牙5.0的室内定位技术在精度、距离与功耗成本上有明显的优势。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种蓝牙5.0信标的室内定位方法及其系统，能够实现更高精度的定位。

本发明采用以下方案实现：一种基于蓝牙5.0信标的室内定位方法，将n个蓝牙5.0信标随机放置在室内，用以不断发送广播，并均与终端进行通信；通过终端对各个蓝牙5.0信标的rssi信号进行扫描、滤波，获取稳定的rssi值；采用衰减因子模型作为室内定位的传播模型，再根据对应环境选择衰减因子，依据公式将rssi值换算成距离，最后采用三边测量法计算终端的坐标，用以实现室内定位。

进一步地，所述终端对各个蓝牙5.0信标进行搜索，并进行信标rssi强度的扫描,采用卡尔曼滤波算法对rssi信号进行滤波,得到一个稳定的rssi值。

进一步地，所述采用以下衰减因子模型作为室内定位的传播模型，具体公式为：

式中，pl(d)为终端与信标距离为d时的传播损耗，单位为dbm；pl(d0)为自由空间终端与信标距离为d0时的传播损耗，通常参考距离d0取1m，因此pl(1)能够通过实际信标进行标定获得；γ为同层信号衰减因子，根据周围环境取经验值，取值范围在2-4之间；faf为建筑物穿透损耗因子。

进一步地，所述依据公式rssi＝pt-pl(1)-10γlg(d)-faf将rssi值换算成距离的具体公式为：式中，pt为信标发射功率。

进一步地，所述采用三边测量法计算终端的坐标的具体公式为：

式中，(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)分别为已知三个节点a、b、c的坐标，目标节点与它们的距离分别为d1，d2，d3。

进一步地，所述终端通过手机app应用软件实时查看所在所在位置和坐标。

进一步地，本发明还提供一种基于蓝牙5.0信标的室内定位方法的系统，包括n个蓝牙5.0信标及用以采集各个信标发送广播rssi信号的终端；所述终端根据采集的rssi信号的rssi值进行运算得到终端所在位置的坐标，用以实现室内定位。

进一步地，所述蓝牙5.0信标包括蓝牙无线mcu、射频天线电路、电源电路、时钟电路和复位电路；所述射频天线电路、所述电源电路、所述时钟电路和复位电路均与所述蓝牙无线mcu电性相连。

进一步地，蓝牙无线mcu所采用的芯片型号为cc2640r2。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设计了小型化、低功耗、定位精度更高、支持蓝牙5.0协议的信标，并开发了对应的室内定位app，实现更高精度的定位。

附图说明

图1为本发明实施例的蓝牙室内定位系统框图。

图2为本发明实施例的信标硬件框图。

图3为本发明实施例的信标电路原理图。

图4为本发明实施例的定位流程图。

图5为本发明实施例的app界面。

图6为本发明实施例的定位结果图。

图7为本发明实施例的三边测量法示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1和4所示，本实施例提供一种基于蓝牙5.0信标的室内定位方法，将n个蓝牙5.0信标随机放置在室内，用以不断发送广播，并均与终端进行通信；通过终端对各个蓝牙5.0信标的rssi信号进行扫描、滤波，获取稳定的rssi值；采用衰减因子模型作为室内定位的传播模型，再根据对应环境选择衰减因子，依据公式将rssi值换算成距离，最后采用三边测量法计算终端的坐标，用以实现室内定位。

在本实施例中，所述终端对各个蓝牙5.0信标进行搜索，并进行信标rssi强度的扫描,采用卡尔曼滤波算法对rssi信号进行滤波,得到一个稳定的rssi值。

在本实施例中，所述采用以下衰减因子模型作为室内定位的传播模型，具体公式为：

式中，pl(d)为终端与信标距离为d时的传播损耗，单位为dbm；pl(d0)为自由空间终端与信标距离为d0时的传播损耗，通常参考距离d0取1m，因此pl(1)可通过实际信标进行标定获得；γ为同层信号衰减因子，根据周围环境取经验值，通常取值2-4之间；faf为建筑物穿透损耗因子，根据建筑材料取经验值。

在本实施例中，所述依据公式rssi＝pt-pl(1)-10γlg(d)-faf将rssi值换算成距离的具体公式为：

式中，pt为信标发射功率。

在本实施例中，所述采用三边测量法计算终端的坐标的具体公式为：

式中，(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)分别为已知三个节点a、b、c的坐标，目标节点与它们的距离分别为d1，d2，d3，如图7所示。

在本实施例中，所述终端通过手机app应用软件实时查看所在所在位置和坐标。

如图2、3所示，本实施例还提供一种基于蓝牙5.0信标的室内定位方法的系统，包括n个蓝牙5.0信标及用以采集各个信标发送广播rssi信号的终端；所述终端根据采集的rssi信号的rssi值进行运算得到终端所在位置的坐标，用以实现室内定位。

在本实施例中，所述蓝牙5.0信标包括蓝牙无线mcu、射频天线电路、电源电路、时钟电路和复位电路；所述射频天线电路、所述电源电路、所述时钟电路和复位电路均与所述蓝牙无线mcu电性相连。

较佳的，在本实施例中蓝牙无线mcu使用qfn324x4的ti改进版cc2640r2芯片，支持bluetooth5.0版本，采用rsm方式封装，使其模块小型化，尺寸仅为11*16mm，厚度2.3mm；由于cc2640r2芯片支持2.4ghz的ism频段，此mcu采用尺寸最小的mifa-2.4ghz的pcb天线(外部偏置+单端)，及对应的balun电路和阻抗匹配网络；为满足无线协议标准精度，蓝牙5.0信标电路采用了3225封装的24m外部贴片晶振，无外部振荡电容；为实现低功耗及定时精确，蓝牙5.0信标电路还采用了fc-135封装的32.768khz晶振，根据晶振的datasheet加入12pf的振荡电容；

较佳的，蓝牙5.0信标电路电源部分采用纽扣电池进行信标供电。

较佳的，室内蓝牙5.0信标个数n的选择是根据室内定位区域面积的大小和定位精度决定。例如，把定位区域划分成若干个圆形，根据三边测量定位法，当室内定位区域每增加π平方米时，则增加信标个数1个。

较佳的，所述终端包括手机或电脑；其中若采用手机则手机固件版本2.0.1以上，可支持android4.3+以及苹果4s以上。

较佳的，在本实施例中对于信标的调试主要过程如下：

首先，在iar开发环境下确认板级文件中定义的板子封装为4x4rsm。通常默认为cc2640r2mod_rgz封装形式，因此需要替换预编译宏定义中的cc2640r2mod_rgz为cc2640r2_rsm,及替换工程路径中的launchiot_cc2640r2mod_rgz为launchiot_cc2640r2mod_rsm，重新编译工程,解决因为某些引脚没有被定义的错误。

其次，在iar软件下打开对应的工作空间，编译具有广播功能的stack工程，输出lib库供app工程使用。编译完成后，可在子工程对应的目录中找到编译生成的hex文件。

最后，采用谷雨物联网开发的xds110仿真器进行调试,将蓝牙信标通过xds110仿真器连接到电脑,将上一步生成的hex文件烧录入信标使其具有蓝牙广播功能。

较佳的，在本实施例中，工作状态下，蓝牙信标将连续周期性(每隔500ms)向周围环境进行广播，广播内容包括mac地址、信号强度rssi值、uuid和数据包内容等，一旦用户进入蓝牙信标的信号覆盖范围内,就可以形成终端的自动应答机制,无需用户多余的手动操作,即可以实现信息接收功能。

用户通过终端的应用程序app来实时查看所在所在位置和坐标。终端的应用程序app的开发是通过终端对各个信标的rssi值扫描、滤波，采用衰减因子模型作为室内定位的传播模型，选择对应环境的衰减因子，通过三点定位的算法来计算移动终端的坐标，实现定位。用户终端app定位系统涉及对蓝牙信标的搜索,信标rssi强度的扫描,对rssi信号进行卡尔曼算法的误差调节,得到一个相对稳定的rssi,再根据可调的距离算法获得距离。

在开始定位之前，app读取预先的配置信息,并且可以在界面上更改信标的坐标，具体根据实际的室内大小来决定。根据设置好的扫描时间不断地扫描多个信标的rssi值，从而刷新新的位置信息，具有流程如图4所示。

较佳的，本实施例以n等于3来进行举例说明：本次定位过程中,使用3个低功耗蓝牙5.0信标，将其放置在离地面3米高度的室内角落，以便更好的对移动终端进行定位。对定位区域部署的各个蓝牙信标进行参数设置：uuid统一设置为ffffffff-ffff-ffff-ffffffffff11，major_id统一设置为0表示同一系列蓝牙信标，minor_id分别设置为4、5、6作为区别信标放置的不同位置。同时设置环境衰减因子为3.3，信标广播间隔为500ms。

终端采用android5.1系统的oppoa59s手机，启动已安装的蓝牙定位app，获得app界面如图5所示，设置左上角为坐标的初始原点。

启动app后点击搜索蓝牙即开始定位，系统会对所扫描到的rssi强度根据三点定位的换算得到移动端所在的坐标和位置，并将位置显示在地图上，坐标显示在地图下方。定位结果如图6所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。