结合蓝牙Beacon与智能手机的室内定位系统及其定位方法技术方案

本发明专利技术公开了一种结合蓝牙Beacon与智能手机的室内定位系统及其定位方法，所述系统包括蓝牙Beacon、智能手机、服务器；所述智能手机集成加速计、地磁计模块，且具备网络功能，能够在征得用户许可后通过3G、4G或者WiFi与服务器连接上传位置数据；所述服务器，获取上传来的用户位置数据后，按照系统设计者需求对该数据进行处理。所述方法包括：部署蓝牙Beacon、设定初始位置；用户打开蓝牙并执行客户端应用，实时定位并监测蓝牙Beacon信号；用户监测到预部署Beacon信号，判断距离是否在阈值内，若是则执行滤波算法；并将智能手机的蓝牙模块设置为全双工模式；征得用户许可后，将定位结果上传至服务器。本发明专利技术方法保证了误差在5米以内的定位精度，且部署成本低。

Indoor positioning system combined with Bluetooth Beacon and smart phone and its positioning method

The invention discloses a combination of Beacon and intelligent mobile phone Bluetooth indoor positioning system and method, the system includes a Bluetooth Beacon, intelligent mobile phone and server; the intelligent mobile phone integrated accelerometer, magnetometer module, and have the network function, the user can ask permission by 3G, 4G or WiFi to connect to the server upload the position data; the server gets the user location data to upload, the system designer in accordance with the demand for the data processing. The method comprises the following steps: the deployment of Bluetooth Beacon, setting the initial position; the user opens the Bluetooth and run client applications, real-time positioning and monitoring of Bluetooth Beacon signal; the user to monitor the pre deployment of Beacon signal, whether in the distance threshold, if the implementation of filtering algorithm; and the Bluetooth module of the intelligent mobile phone set to full duplex mode; consent the user's permission, the positioning results are uploaded to the server. The method of the invention ensures the positioning accuracy of the error within 5 meters, and the deployment cost is low.

【技术实现步骤摘要】
结合蓝牙Beacon与智能手机的室内定位系统及其定位方法
本专利技术涉及室内定位系统，尤其涉及一种结合蓝牙Beacon与智能手机并利用蓝牙双工通信的特点来增加同一时刻位置校正用户数量的室内定位系统及其定位方法。属于室内定位领域。
技术介绍
GPS(GlobalPositioningSystem，全球定位系统)的普及，使人们对定位技术带来的便利有了切身的体会，精确实时的位置信息对于商业推广、公共事业建设等都至关重要。而由于现代人大多时间都在楼宇内度过，室内环境下的定位需求逐渐清晰，而像GPS这种满足室外定位需求的龙头技术，面对建筑屋顶遮挡的室内环境，信号会大幅衰减而变得几乎没有用武之地，于是诸多针对特定环境的室内定位技术作为室外定位技术的延伸，应景而生。常用的室内定位技术可归为四类：三角定位、场景分析、近邻法、步行航位推算(PedestrianDeadReckoning，PDR)。三角定位：该方法首先计算待定位点与AP之间的距离、角度等物理参数，在已知待测目标与三个AP点之间距离时，即可使用几何方法计算出最终位置。这种方法理论上能够得到较高精确度，但极易受到信号不稳定性的影响，最常用的WiFi信号、Bluetooth信号，受限于发射模块的物理特性，导致只能在一定范围内较准地计算出物理距离。场景分析：通常也被称为“指纹定位”，分为“离线阶段”与“在线阶段”。“离线阶段”在部署AP之后，需要在定位区域采集样本点信息：记录一些采样位置“坐标-RSSI信号”，保存至数据库中，其中“RSSI信号”是指当前坐标处所有能接受到的AP发射来的RSSI值。“在线阶段”是指实际定位过程，当用户处在某位置接收到RSSI后，即可与指纹数据库进行匹配，从而得到位置坐标。这种方法依赖于“离线阶段”的大量工作，并且环境变化后需要重复进行“离线阶段”测量，维护成本较高。近邻法：这种方法依赖于大量密集部署的AP点，这些AP位置已知，当待定位用户临近某个AP时，可以视为该AP坐标，如果在某处同时接收到多个AP发射的信号，则可以根据算法选取其中一个，例如选择信号最强的AP位置作为定位结果。近邻法缺点明显：大量密集部署的AP点必然增加硬件成本，而如果减少AP点，则会导致系统定位精度的必然下降。PDR：该方法的主要思想是从设定的初始点开始，累积用户每一步行走的步长与航位方向，通过计算当前位置相对初始位置的变化来判断当前坐标。相较于前三类方法，PDR具有实时定位的特点。但是传统PDR也具有显著缺点：受限于定位过程使用到的IMU(InertialMeasurementUnit惯性测量单元)硬件，采集的每一步行走信息都会产生误差，将带有误差的信息累积，导致定位精度降低。但是相较于前三类定位方法来说，PDR具有实时定位的优点。综上，现有定位方法存在各自的问题：三角定位高度依赖信号，而信号的不稳定性导致只能在一定范围内相对准确定位；指纹定位需要大量离线阶段采集样本点的工作，并且随着环境变化，还需要重新重复采集指纹，人工成本高；近邻法定位依赖于部署大量AP点，硬件成本高。同时这三类方法均无法实时定位。PDR虽满足了实时定位的需求，但是仍存在误差大的问题。针对上述问题，本专利技术提出一种室内定位系统，在定位误差小于5米且实时定位的基础上，还具有部署成本、硬件成本、功耗等都相对降低的优点，且在同一时刻更多用户的位置能够被校正。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种结合蓝牙Beacon与智能手机的室内定位系统及其定位方法，所述系统使用了智能手机内置的加速计、地磁计、蓝牙模块以及预先在场景中少量部署的蓝牙Beacon。本专利技术利用蓝牙双工通信的特点，在不增加任何成本的基础上，增加了同一时刻参与位置校正的用户数量。为了解决上述存在的技术问题实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种结合蓝牙Beacon与智能手机的室内定位系统，包括蓝牙Beacon、智能手机、服务器；所述智能手机集成加速计、地磁计模块，且具备网络功能，能够在征得用户许可后通过3G、4G或者WiFi与服务器连接上传位置数据；所述服务器，获取上传来的用户位置数据后，按照系统设计者需求对该数据进行处理；所述对数据进行处理包括对使用者进行分组，只有组员之间可以相互查看彼此位置，对数据的后续处理方式并不限于此；定位过程中用户需要打开蓝牙模块并监测预部署Beacon信号，当监测到该信号时，进行滤波校正并利用蓝牙双工通信的特点将该手机设置为蓝牙Beacon模式向外广播信号。所述的一种结合蓝牙Beacon与智能手机的室内定位系统的定位方法，所述系统利用蓝牙双工通信的特点来增加同一时刻位置校正的用户数量，所述方法内容包括以下步骤：步骤1部署蓝牙Beacon、设置定位初始位置；步骤2用户打开智能手机中的蓝牙模块并执行客户端应用，将智能手机放入口袋后随意行走；应用程序采集并记录智能手机加速计、地磁计数据，执行PDR来定位，并监测周围是否有蓝牙Beacon信号；所使用的蓝牙硬件必须符合4.0以上版本规范；步骤3当用户A监测到预部署的蓝牙Beacon的广播信号时，客户端应用根据信道传播模型计算智能手机与检测到信号的蓝牙Beacon之间距离，判断距离是否在5米以内，满足条件则执行扩展卡尔曼滤波算法，并将智能手机的蓝牙模块设置为全双工模式，即智能手机在接收预部署蓝牙Beacon的广播RSS信号的同时，也将自身作为蓝牙Beacon向外广播RSS信号，当用户A离开预制区域后，将蓝牙全双工模式关闭，只接收蓝牙信号；步骤4当用户B无法监测到预部署的蓝牙Beacon广播信号但是能监测到用户A广播的信号时，客户端应用执行近邻定位方法来校正位置；步骤5在征得用户许可后，将本机定位结果上传至服务器，供后续处理。进一步，在步骤1中，所述部署蓝牙Beacon、设置定位初始位置，就是将Beacon部署在室内较高处，例如天花板或者横梁等位置，以减少物体对信号的影响，同时任意Beacon之间直线距离为15米以上；初始位置可以选定在任意入口处。进一步，在步骤2中，所述应用程序采集并记录智能手机加速计、地磁计数据，执行PDR来定位，就是通过应用程序采集并记录智能手机加速计、地磁计读出后，根据地磁计数据得到当前步行方向θ，根据加速计数据计步并动态计算步长L，根据公式Sk＝Sk-1+uk+w累积得到当前位置坐标Sk，公式中Sk-1则表示上一步所处的位置坐标，w是噪音，uk则符合如下公式：此即为PDR过程。本专利技术的有益效果在于：(1)保留了PDR实时定位的优点；(2)选用蓝牙Beacon作为辅助定位，相较于WiFi路由器依赖于电源，蓝牙Beacon可选择电池供电，增加了部署时的自由程度；(3)4.0版本以上的蓝牙规范支持BLE技术，无论蓝牙Beacon还是智能手机中的蓝牙模块，其使用功耗均小于WiFi路由器与智能手机中的WiFi模块；(4)本专利技术方法只需在场地内预部署少量蓝牙Beacon即可运作。但是由于定位精度与蓝牙Beacon数量线性相关，而本专利技术方法利用了蓝牙全双工通信的特点，接收位置校正的用户A其智能手机在一定时间内可以作为一个位置已知的蓝牙Beacon向外广播信号，用户A以外的用户在接收到该信号时，可以使用近邻方法来校正自己的位置。从而定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结合蓝牙Beacon与智能手机的室内定位系统，其特征在于：该系统包括蓝牙Beacon、智能手机、服务器；所述智能手机集成加速计、地磁计模块，且具备网络功能，能够在征得用户许可后通过3G、4G或者WiFi与服务器连接上传位置数据；所述服务器，获取上传来的用户位置数据后，按照系统设计者需求对该数据进行处理；所述对数据进行处理包括对使用者进行分组，只有组员之间可以相互查看彼此位置，对数据的后续处理方式并不限于此；定位过程中用户需要打开蓝牙模块并监测预部署Beacon信号，当监测到该信号时，进行滤波校正并利用蓝牙双工通信的特点将该手机设置为蓝牙Beacon模式向外广播信号。

【技术特征摘要】
1.一种结合蓝牙Beacon与智能手机的室内定位系统，其特征在于：该系统包括蓝牙Beacon、智能手机、服务器；所述智能手机集成加速计、地磁计模块，且具备网络功能，能够在征得用户许可后通过3G、4G或者WiFi与服务器连接上传位置数据；所述服务器，获取上传来的用户位置数据后，按照系统设计者需求对该数据进行处理；所述对数据进行处理包括对使用者进行分组，只有组员之间可以相互查看彼此位置，对数据的后续处理方式并不限于此；定位过程中用户需要打开蓝牙模块并监测预部署Beacon信号，当监测到该信号时，进行滤波校正并利用蓝牙双工通信的特点将该手机设置为蓝牙Beacon模式向外广播信号。2.根据权利要求1所述的一种结合蓝牙Beacon与智能手机的室内定位系统的定位方法，其特征在于：所述系统利用蓝牙双工通信的特点来增加同一时刻位置校正的用户数量，所述方法内容包括以下步骤：步骤1部署蓝牙Beacon、设置定位初始位置；步骤2用户打开智能手机中的蓝牙模块并执行客户端应用，将智能手机放入口袋后随意行走；应用程序采集并记录智能手机加速计、地磁计数据，执行PDR来定位，并监测周围是否有蓝牙Beacon信号；所使用的蓝牙硬件必须符合4.0以上版本规范；步骤3当用户A监测到预部署的蓝牙Beacon的广播信号时，客户端应用根据信道传播模型计算智能手机与检测到信号的蓝牙Beacon之间距离，判断距离是否在5米以内，满足条件则执行扩展卡尔曼滤波算法，并将智能手机的蓝牙模块设置为全双工...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵逢达，李贤善，李勋，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13