专利名称：蓝牙无线跟踪定位系统及方法
技术领域：
本发明专利是一种无线跟踪定位系统，尤其将蓝牙(Bluetooth)技术引用到了其中。
背景技术：
目前市场上常见的无线跟踪定位设备，通常是基于GPS、GSM、WCDMA等技术，其具有定位比较精确，覆盖的区域范围较大等优势，但同样也有成本高、功耗高等缺点，并不适用于小区域的无线跟踪定位。
蓝牙技术是一种点到多点的无线语音和数据传输技术，使用2.4GHz频段。主要优势是支持多个设备、具有一定的穿透性、全方向传输。蓝牙技术中使用自适应快速跳频技术，因而具有抗干扰能力强、保密性好、通信质量稳定的优点，同时还具有低功耗、低成本、灵活安全和电磁污染小等特点。蓝牙所采用的前向纠错技术和优化的编码方式可使蓝牙技术应用于各种恶劣的无线环境。蓝牙协议是一个完整的综合协议，其应用模式主要是将协议固化在芯片中，并内置于笔记本电脑及其他需要连线的智能化设备中，当然也可以把无线模块直接嵌入到蜂窝手机或其他设备之中，应用控制方式相当便捷。蓝牙技术的特点可以归纳为以下几点
●全球范围适用；●可同时传输语音和数据；●可以建立临时性的对等连接；●具有很好的抗干扰能力；●蓝牙模块体积很小，可以方便地集成到各种设备中；●低功耗；●开放的接口标准；蓝牙技术标准和OSI一样，在它的协议体系结构中使用了分层的方法，各层协议定义了所完成的功能和使用的数据分组格式。具体可以分为四层，分别为·核心协议射频、基带、LMP、L2CAP、SDP；·电缆替代协议RFCOMM；·电话传送控制协议TCS二进制、AT命令集；·可选协议PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。
各层次的具体定义以及数据分组格式，请参考蓝牙协议标准。
蓝牙协议中规定了三种网络拓扑结构，分别为点对点网络拓扑结构、点对多点网络拓扑结构和散射网网络拓扑结构，在蓝牙无线跟踪定位系统中，我们选择了点对多点网络拓扑结构(详见附图1)。
随着无线通信技术的发展，特别是数字通信技术的进步，无线产品性能和造价的比价更趋合理，所以，利用无线技术进行监控，跟踪，定位成为现实。特别是蓝牙(Bluetooth)技术的出现，为无线监控技术的推广应用奠定了坚实的基础。利用蓝牙技术的产品，具有体积小，功耗低，造价低等特点，而且，在监控过程中允许被监控对象在一定范围内移动，因此，可以利用蓝牙技术对某些特殊场合(如矿井、车间、监狱等区域性场合)的人员进行实时定位跟踪。在发生意外情况时，对人员的位置进行定位，为实时对意外事件处理采取应急措施，减小其危害程度起到非常重要的作用。特别在当前，我国政府对煤矿安全生产越来越重视，煤矿工人的生命安全越来越受到各界的广泛关注，因此，对每一个矿工在井下的实际工作位置进行实时定位跟踪是十分重要的。
蓝牙技术的这些优势，为其在小区域内的无线安全跟踪定位的实际应用提供了条件。
发明内容
本专利的目的是提供一种无线跟踪定位系统，为了解决成本高、功耗大和小区域定位的问题，本系统运用蓝牙技术，具有技术先进、体积小、功耗小、造价低的特点，为小区域的无线跟踪定位提供了前所未有的技术基础。
在充分分析蓝牙技术以及小区域无线跟踪定位特点的基础上，本专利提出了蓝牙无线安全跟踪定位系统方案，主要达到以下目的●利用主接入点设备对从节点设备进行跟踪定位，提供从节点设备的活动范围。
●主接入点设备负责将其监控范围内的从节点设备的相关信息上报给监控中心。
●在发生异常情况时，从节点设备能主动和主接入点通信，并提供其区域范围，由主接入点设备向监控中心发出报警信息。
●在监控中心，为相关的人员提供友好的显示界面，让工作人员能及时了解各个移动从节点设备的活动范围。
●在监控中心数据库中保存各个移动从节点设备的详细活动轨迹，如进入主接入点的时间以及离开主接入点的时间。
●监控中心可根据目前各区域的状况，向相应区域的从节点设备发送有关信息，以便及时通知相关人员采取相应的措施。
●监控中心和从节点之间可以进行双向的语音通信。
●在发生危急情况时，搜救人员可以手持搜救设备进行搜救。搜救设备能够搜索附近的从节点设备，并且能够进行点对点的通信。
本专利所采取的技术方案如下蓝牙无线跟踪定位系统，，由主接入点设备、从节点设备、通信总线、监控中心和搜救设备组成，从节点设备附着在被跟踪对象的表面或嵌入其内部，当一个新的从节点设备进入主接入点设备控制区域后，主接入点设备负责添加该从节点设备，并将相关信息上报给监控中心，当主接入点设备控制范围内的某个从节点设备离开其控制区域后，主接入点设备要对其做出相应处理，并将信息上报给监控中心；另外，在发生异常情况时，从节点设备还可以主动请求和主接入点设备进行通信，将相关的异常信息及时地上报给监控中心，同时，监控中心和从节点之间能够进行双向的语音通信，以便监控中心的工作人员能及时地采取相应的措施；在监控中心，为用户提供友好的用户界面，能及时显示各种当前信息，并对信息轻重情况进行分类，对异常情况给出报警提示；在发生危急情况时，搜救人员可以手持搜救设备进行搜救。搜救设备可以搜索附近的从节点设备，并且能够进行点对点的通信；在找到携带从节点设备的人员后，可以将现场相关信息和人员状态存入搜救设备的数据库中，最终与监控中心的数据库进行同步，上传搜救结果。
系统各组成部分说明如下(1)从节点设备放置在被控制对象的表面或内部，与被监控对象物理集成为一体，具有以下功能a与主接入点设备进行无线信息交换；b报警被控制对象发生异常或电池电压较低时报警；c电源实现外电源与可充电电池双电源供电，具有低压报警功能，外电源可由被监控对象或其它设备提供；d具有与监控中心进行双向语音通信的功能。
(2)主接入点设备放置在监测区域适当的位置，能够跟踪到其覆盖区域内的全部被监控对象(从节点设备)。
a主接入点设备中的蓝牙模块与从节点设备中的蓝牙模块实现无线连接，主接入点设备与监控中心通过总线相连；b在规定的时间内对从节点设备进行定位检测；c及时将其控制区域内的从节点设备的工作情况上报给监控中心。
d当从节点和监控中心进行双向语音通信时，主接入点充当桥梁作用，既要将从节点的语音数据通过总线传送给监控中心，又要把监控中心的语音数据回应给从节点设备。
(3)通信总线a连接监控中心和主接入点的物理设备，例如线缆、中继器、分线盒等；b通信总线负责传输监控中心与主接入点之间的数据信息和控制信息。
(4)监控中心a通过总线与主接入点相连接；b建立各个从节点设备位置信息的数据库管理系统；c监控中心计算机界面能及时直观显示各个从节点设备的位置信息；
d在从节点设备发生异常情况时，具有报警显示功能。
e根据需要，在监控中心可向相关区域下达相应的控制命令，并与从节点之间建立双向语音通信。
(5)搜救设备手持式移动搜救设备，能够跟踪到其覆盖区域内的全部被监控对象(从节点设备)。
a搜救设备中的蓝牙模块与从节点设备中的蓝牙模块实现无线连接；b搜救设备可以与从节点设备建立点对点的连接，从而对从节点进行跟踪和定位；c搜救设备可以把指定的信息存入本地数据库；d搜救设备的数据库可以与监控中心的数据库进行同步，下载人员信息，或者上传搜救结果。
同时本系统还具有如下特点●系统的可靠性MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，保证系统的可靠性。
●防干扰、误报蓝牙采用快跳频技术，具有抗干扰性、抗噪声、抗衰减和保密性能好等优点。
●对其它无线设备的影响小蓝牙发射功率较低，因此对周围其它无线设备影响很小。
●控制范围的可调性可以通过选择发射功率来调整主接入点设备的监控范围。一般为10米～100米，满足本系统要求。
综上所述，蓝牙(Bluetooth)无线跟踪定位系统创新点如下●本无线跟踪定位系统采用了蓝牙(Bluetooth)无线通信技术，可自行选定控制对象、自行设定控制区域；可对单个目标和多个目标进行实时跟踪定位，实用性强，使用灵活。
●本无线跟踪定位系统的主接入点设备和从节点设备的体积都比较小，并且可实现全向无线通信，所以其使用灵活、方便。
●本无线跟踪定位系统，采用了蓝牙全向无线通信技术，可保证被控制对象具有一定的可移动性。
●本无线跟踪定位系统，为蓝牙在安全定位上的应用提供了完整的解决方案。
为了使本发明容易理解和实现，现在通过参考附图进行说明，附图中相似的附图标记是指所有各个视图中同样的或功能相似的部件。这些附图和下面的详细说明一起被包含进来并形成说明书的一部分，以进一步解释各种原理和优点，其中图1是蓝牙网络拓扑结构图，示意了点对点、点对多点和散射网这三种网络拓扑结构；图2是蓝牙无线安全跟踪定位系统框图，所述系统包括从节点设备201，主接入点设备202，监控中心203，搜救设备204和通信总线205。
图3是从节点设备框图，从节点设备包括蓝牙模块301、天线302、微处理器303、供电电路304、电压检测装置305和语音模块306。
图4是从节点设备程序流程图。
图5是主接入点设备框图，主接入点设备包括蓝牙模块501、天线502、微处理器503、供电电路504和通信总线接口505。
图6是主接入点设备程序流程图。
图7是搜救设备框图，搜救设备包括蓝牙模块701、天线702、处理器703、显示模块704、供电电路705和PC同步模块706。
图8是监控中心框图，监控中心设备包括显示终端801、数据库服务器802、总线传输接口803、声光报警装置804和语音模块805。
具体实施例方式
蓝牙无线跟踪定位系统，核心部分是主接入点设备和从节点设备两个部分，两者之间通过蓝牙技术实现无线连接，两者之间有效通信距离为10～100米。
蓝牙无线跟踪定位系统的主要技术指标为●单个主接入点设备能够控制的从节点数目大于30个●单个主接入点设备监控从节点设备的活动范围10～100米(半径)●从节点的电池工作时间90天●环境温度-10℃～50℃蓝牙无线跟踪定位系统的应用范围为煤矿、监狱、特殊监控场所等小区域范围的无线跟踪定位。
参考图2，蓝牙无线跟踪定位系统由从节点设备201，主接入点设备202，监控中心203，搜救设备204和通信总线205组成。各组成部分都是系统不可或缺的。
参考图3，从节点设备是由蓝牙模块301、天线302、微处理器303、供电电路304、电压检测装置305和语音模块306组成。所述供电电路304包括充电池在内的掉电、充电保护电路，保证长期供电。当外电源可直接从被控物体获取、且从节点设备接上外电源时，供电电路304可以由外电源供电，与外电源断开时，供电电路304由内部可充电电池供电，可进行低电压报警。所述蓝牙模块301符合IEEE802.15.1的要求，能及时地将被监控对象的位置信息上报给对应的主接入点设备，在发生异常情况时，能主动将异常信息及时上报给主接入点设备，从节点设备通过语音模块306和监控中心进行双向的语音通信。
参考图4，从节点设备在上电后，首先完成初始化工作，包括设备标识号、发送功率等参数的设定。然后，将蓝牙模块设置为从节点模式，并进入正常工作状态，等待主接入点的连接或者主动向主接入点发起连接。当系统产生通信事件时，从节点设备执行与主接入点设备的通信事件处理程序；当系统产生报警事件时，从节点设备执行报警事件处理程序。
参考图5，主接入点设备是由蓝牙模块501、天线502、微处理器503、供电电路504和通信总线接口505组成，其电源直接从外电路上获取。所述主接入点设备能实时地对从节点设备进行无线跟踪定位，并能通过总线的方式与控制中心连接，及时地将从节点设备的相关位置信息和危急情况上报信息上报给监控中心，并将监控中心的信息返回给从节点设备。所述的一个主接入点设备可与从节点设备建立无线连接，可同时对多个甚至数十万个被监控对象进行无线跟踪定位。
参考图6，主接入设备在上电后，首先完成初始化工作，包括设备标识号、发送功率等参数的设定。然后，将蓝牙模块设置为主节点模式，并进入正常工作状态，向附近的从节点设备发起连接或者处理从节点设备向主接入点发起的连接请求。当系统产生无线通信事件时，主接入点设备执行与从节点设备的通信事件处理程序；当系统产生总线通信事件时，主接入点设备执行总线通信事件处理程序。
参考图7，搜救设备是由蓝牙模块701、天线702、处理器703、显示模块704、供电电路705和PC同步模块706组成。所述供电电路705包括可充电电池在内的掉电、充电保护电路，保证长期供电。在发生危急情况时，搜救人员可以手持搜救设备进行搜救。搜救设备能够搜索附近的从节点设备，并且能够进行点对点的通信。在找到佩戴从节点设备的人员后，可以将现场相关信息和人员状态存入搜救设备的数据库中，最终与监控中心的数据库进行同步，上传搜救结果。
参考图8，监控中心由示终端801、数据库服务器802、总线传输接口803、声光报警装置804和语音模块805组成。系统的监控中心采用数据库管理和友好界面显示的方式，能将各个监控对象的相关信息及时地显示出来，并在需要的时候发出报警信息，提醒相关工作人员采取相应措施，根据需要，监控中心可向相关区域发送控制命令，并通过语音模块805与从节点设备进行双向的语音通信。
系统运行后，主接入点设备的蓝牙模块采用查询及寻呼模式，与在其有效控制范围内的从节点设备建立无线链路，形成一个星型网络，星型网络中一个主接入点设备能同时和多个从节点设备建立无线连接，在规定时间内主接入点设备要对其控制范围内的从节点进行跟踪定位，并能将相应的信息上报给监控中心。同时，主接入点设备能够实时地添加进入其控制范围内的从节点设备，将信息上报给监控中心；当从节点设备离开其控制范围时，删除该从节点信息，并向监控中心上报。从节点设备要能接收主接入点设备的添加请求信息，并能在规定的时间内通主接入点通信，及时地上报其位置信息。
监控中心负责完成对各个主接入点上报信息的接收和处理，并给管理人员提供友好的界面，让管理人员能及时了解每个控制对象当前的位置信息和每个控制对象的状态信息。当从节点设备主动发送报警信息，主接入点设备通过总线传到监控中心后，监控中心的声光报警装置就会启动。此时，监控中心的操作人员就要及时做出响应，并且和从节点设备进行双向的语音通信，确认控制区域附近有险情发生后，向险情区域内的主接入点设备发送撤离信息，主接入点设备接收到撤离信息后，向控制范围内的从节点设备广播撤离信息，提示携带从节点设备的人员撤离。当险情解除后，监控中心的操作人员停止声光报警装置，并且向险情区域的主接入点设备发送撤离取消命令。
在发生危急情况时，搜救人员可以手持搜救设备进行搜救。搜救设备能够搜索附近的从节点设备，并且能够进行点对点的通信。在找到携带从节点设备的人员后，可以将现场相关信息和人员状态存入搜救设备的数据库中，最终与监控中心的数据库进行同步，上传搜救结果。
权利要求
1.蓝牙无线跟踪定位系统由主接入点设备、从节点设备、通信总线、监控中心和搜救设备组成，其特征是从节点设备附着在被控制对象的表面或嵌入到其中，从节点设备、主接入点设备和搜救设备均具有蓝牙模块，所述从节点设备以无线通信方式与主接入点设备或搜救设备进行信息交换，主接入点设备利用通信总线与监控中心进行通信。
2.如权利要求1所述的蓝牙无线跟踪定位系统，其特征是所述的从节点设备包括蓝牙模块、天线、微处理器、供电电路电压检测装置和语音模块，所述的从节点设备还包括蓄电池在内的掉电、充电保护电路；供电电路为蓝牙模块、微处理器和语音模块供电，蓝牙模块通过天线接收和发送无线信号，微处理器处理蓝牙模块接收的信号，并把要发送的信号传给蓝牙模块进行发送，电压检测装置实时检测电池电压，在电压低于门限值时，发出提示信号。
3.如权利要求2所述的蓝牙无线跟踪定位系统，其特征是当外电源可直接从被控物体获取、且从节点设备接上外电源时，从节点设备可以由外电源供电，与外电源断开时，从节点设备由内部可充电电池供电，可进行低电压报警。
4.如权利要求1所述的蓝牙无线跟踪定位系统，其特征是所述的主接入点设备包括蓝牙模块、天线、微处理器、供电电路和通信总线接口，其电源直接从外电路上获取；供电电路为蓝牙模块和微处理器供电，蓝牙模块通过天线接收和发送无线信号；微处理器处理蓝牙模块接收的信号，并把要发送的信号传给蓝牙模块进行发送，另外，微处理器用通信总线接口与监控中心通信。
5.如权利要求1所述的蓝牙无线跟踪定位系统，其特征是所述的搜救设备包括蓝牙模块、天线、处理器、显示模块、供电电路和PC同步模块；供电电路为蓝牙模块、处理器和显示模块供电，蓝牙模块通过天线接收和发送无线信号；微处理器处理蓝牙模块接收的信号，并把要发送的信号传给蓝牙模块进行发送，另外，微处理器用PC同步模块与服务器信息数据库进行同步。
6.对目标对象进行定位跟踪的方法，其特征在于所述方法应用了蓝牙技术。
7.如权利要求6所述的方法，其特征是所述的一个主接入点设备可与多个从节点设备同时建立无线连接，实现同时对多个被监控对象的实时控制和跟踪，其方式如下当一个新的从节点设备进入主接入点设备控制区域，主接入点设备负责添加该从节点设备，并将相关信息上报给监控中心，当主接入点设备控制范围内的某个从节点设备离开了其控制区域，主接入点设备要对其做出相应处理，并将信息上报给监控中心；另外在发生异常情况时，从节点设备还可以主动请求和主接入点设备进行通信，将相关的异常信息及时地上报给监控中心，并且能够与监控中心进行双向的语音通信，以便控制中心的工作人员能及时地采取相应的措施；在监控中心，为用户提供友好的用户界面，能及时显示各种当前信息，并对信息轻重情况进行分类，对异常情况给出报警提示。
全文摘要
本发明给出了一种蓝牙无线跟踪定位系统，由于蓝牙技术具有技术先进、体积小、功耗小、成本低等特点，可支持多个设备、具有一定的穿透性、全方向数据传输，采用自适应跳频技术，具有较强的抗干扰能力，可实现对小区域范围内多个节点的实时控制。该系统由从节点设备201，主接入点设备202，监控中心203，搜救设备204和通信总线205组成(见附图)，从节点设备以无线通信方式同主接入点设备或搜救设备进行信息交换，主接入点设备与监控中心采用通信总线相互连接，搜救设备可以与服务器信息数据库进行同步，从而上传或下载人员信息。
文档编号G01S5/02GK101022293SQ20071006293
公开日2007年8月22日 申请日期2007年1月22日 优先权日2007年1月22日
发明者蒋挺, 施炯, 赵成林 申请人:北京邮电大学