一种用于智能家居的蓝牙交叉定位设备及其计算方法与流程

本发明涉及室内定位领域，特别涉及一种用于智能家居的蓝牙交叉定位设备及其计算方法。

背景技术：

随着物联网智能化发展，电子设备与用户、设备与设备之间位置的实时判断能力被越来越重视。业界用于定位的解决方案有很多，例如gps、wifi、蓝牙与雷达。

gps室内定位效果较差，不符合家居定位的精度要求；wifi由于功耗续航问题，不合适内置电池的小型设备；而雷达作为最初由军工发展起来的技术，其性能最优，但成本很高。蓝牙定位原本的问题在于，利用检测信号强度的测距方法精度较低，且受环境影响大。

因此，针对现有技术不足，提供一种用于智能家居的蓝牙交叉定位设备及其计算方法以解决现有技术不足甚为必要。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于避免现有技术的不足之处而提供一种用于智能家居的蓝牙交叉定位设备。该用于智能家居的蓝牙交叉定位设备具有成本低、耗能低和精度高的优点。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

提供一种用于智能家居的蓝牙交叉定位设备,设置有蓝牙发射模块、天线阵列组和ble5.1芯片模组，蓝牙发射模块与天线阵列组信号连接，天线阵列组和ble5.1芯片模组电连接。

蓝牙发射模块，装配于信标并发射蓝牙信号。

天线阵列组，用于接收蓝牙发射模块发射的信号。

ble5.1芯片模组，用于计算蓝牙发射模块坐标并得到信标坐标。

优选的，上述ble5.1芯片模组设置有两组。

优选的，上述天线阵列组设置有两组。

优选的，上述ble5.1芯片模组与天线阵列组一一对应。

优选的，上述天线阵列组为n×1的天线单元线阵，且n≥3，n为整数。

所述天线单元线阵的间隔为0.45倍～0.75倍波长；或者

所述天线单元线阵的间隔为0.1倍波长。

优选的，上述ble5.1芯片模组与天线阵列组通过rf传导连接。

优选的，上述天线阵列组与相邻天线阵列组的间距为1m或以上。

优选的，上述蓝牙发射模块为可移动式单天线蓝牙发射模块。

优选的，上述蓝牙信号为2.4ghz的射频信号。

优选的，上述ble5.1芯片模组的型号为nrf5281soc、tlsr8258或者da1469x。

优选的，上述天线阵列组装配于外部冰箱、墙体、外部油烟机或门体

本发明的一种用于智能家居的蓝牙交叉定位设备,设置有蓝牙发射模块、天线阵列组和ble5.1芯片模组，蓝牙发射模块与天线阵列组信号连接，天线阵列组和ble5.1芯片模组电连接。本发明采用蓝牙发射模块进行交叉定位，而蓝牙发射模块具有低功耗、低成本的优点，能够使得信标大批量、大范围安装的门槛大幅降低；同时通过蓝牙具有相位判角的高精度的优点，使得定位更加精准，为更丰富的物-人交互、物-物交提供了平台。该用于智能家居的蓝牙交叉定位设备具有成本低、耗能低和精度高的优点。

本发明的另一目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法。该用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法具有成本低、耗能低和精度高的优点。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

提供一种用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法包含步骤有：

步骤一、蓝牙发射模块发射蓝牙信号；

步骤二、两组天线阵列组分别接收步骤一的蓝牙信号，对应得到表征信号；

步骤三、两组ble5.1芯片模组分别读取表征信号，对应得到相位信息；

步骤四、每组ble5.1芯片模组根据步骤三对应得到的相位信息，得到蓝牙发射模块所在位置对应的角度信号；

步骤五、通过步骤四得到对应的角度信号，计算得到蓝牙发射模块的坐标；

步骤六，将步骤五得到蓝牙发射模块的坐标定义为信标坐标。

优选的，上述步骤二具体为，

步骤2.1、天线阵列组接收步骤一的蓝牙信号；

步骤2.2、将步骤2.1得到蓝牙信号进得表征得到表征信号，如式(ⅰ)

x(t)＝α(θ)*s(t)+n(t)式(ⅰ)，

其中s(t)为蓝牙发射模块发射的蓝牙信号，α(θ)为天线阵列组的方向矢量，n(t)为噪声。

所述步骤三具体为，

步骤3.1、ble5.1芯片模组读根据步骤二的表征信号，进行协方差计算得到相位信息，如式(ⅱ)：

其中p(θ)为相邻两个天线单元比较得到的特定相位对应的功率值且p(θ)为检测值，h为转置，n为天线单元的个数，t为瞬时时刻；

步骤3.2、将检测得到最大功率值定义为pmax(θ)，且每两个相邻两个天线单元存在唯一一个pmax(θ)，每个天线阵列组的pmax(θ)个数为n-1；

步骤3.3、分别将n×1的天线单元依次定义为第1天线单元，……，第i天线单元，……，第n天线单元，存在2＜i≤n，将第1天线单元与第二天线单元之间的中垂线与蓝牙信号的相位值定义为θ1，……,第i天线单元与第i+1天线单元的中垂线与蓝牙信号的相位值定义为θi，……,第n-1天线单元与第n+1天线单元的中垂线与蓝牙信号的相位值角定义为θn-1；

步骤3.4、分别将步骤3.2得到n-1个pmax(θ)对应代入步骤3.1，分别得到相位值θ1，……,相位值θi，……,相位值θn-1。

优选的，上述步骤四具体为，

步骤4.1、将θ1将对应的相位滞后量定义为φ1，……,将θi将对应的相位滞后量定义为φi，……,将θn-1将对应的相位滞后量定义为φn-1，且存在φ1：……：φi：……：φn-1＝n-1：……：i：……：1，

步骤4.2、根据相位滞后量与角度信号的几何关系得到式(1)、……、式(i)、……、式(n-1)，式(1)、……、式(i)、……、式(n-1)具体如下：

其中λ为蓝牙2.4ghz射频信号在空气中传播时的电磁波波长；

步骤4.3、将步骤3.5得到的θ1代入式(1)得到φ1，……,将步骤3.5得到的θi代入式(i)得到φi，……,将步骤3.5得到的θn-1代入式(n-1)得到φn-1；

步骤4.4、将步骤4.3得到φ1，……,φi，……,φn-1中不符合步骤4.1比例的相位滞后量剔除后，得到矫正位滞后量，且将矫正位滞后量对应的相位值定义为矫正相位值；

步骤4.5、对步骤4.4的所有的矫正相位值进行加和求平均值，得到角度信号并定义为θ。

优选的，上述步骤五具体为，将两组天线阵列组连线的中点定义为o,以o沿连线作垂线定义为y轴，连线为x轴建立平面直角系，

并将一组天线阵列组得到的角度信号定义为θ1，将另一组天线阵列组得到的角度信号定义为θ2，蓝牙发射模块的坐标(x,y)分别通过式(ⅲ)和式(ⅳ)得到,

其中d为两组天线阵列组连线的距离。

本发明的一种用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法,通过5个步骤对信标位置进行定位。本发明采用蓝牙发射模块进行交叉定位，而蓝牙发射模块具有低功耗、低成本的优点，能够使得信标大批量、大范围安装的门槛大幅降低；同时通过蓝牙具有相位判角的高精度的优点，使得定位更加精准，为更丰富的物-人交互、物-物交提供了平台。该用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法具有成本低、耗能低和精度高的优点。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1为一种用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法的流程示意图。

图2为实施例3的天线阵列组的天线单元结构示意图。

图3为实施例3的蓝牙交叉定位设备的实用产场景示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1。

一种用于智能家居的蓝牙交叉定位设备,如图1所示，设置有蓝牙发射模块、天线阵列组和ble5.1芯片模组，蓝牙发射模块与天线阵列组信号连接，天线阵列组和ble5.1芯片模组电连接。

蓝牙发射模块，装配于信标并发射蓝牙信号。

天线阵列组，用于接收蓝牙发射模块发射的信号。

ble5.1芯片模组，用于计算蓝牙发射模块坐标并得到信标坐标。

本发明的ble5.1芯片模组设置有两组，天线阵列组设置有两组，ble5.1芯片模组与天线阵列组一一对应。

本发明蓝牙发射模块、两组天线阵列组和两组ble5.1芯片模组来构成一个平面三角定位系统。

本实施例的天线阵列组为n×1的天线单元线阵。

需说明的是，本发明天线阵列组为n×1的天线单元线阵，且n≥3，n为整数，也就是说n可以为3，也可以为4、5、8、10、20等的大于3的任意整数，n的具体数值根据实际情况而定。对于n越大，定位的精度就会越高，但生产成本也会增加，经验证当n为3时定位的精度较好，而生产成本较低。

本实施例的天线单元线阵的间隔为0.1倍波长。

需说明的是，本发明的天线单元线阵的间隔也可以为0.45倍～0.75倍波长之间的任意波长。

因为天线单元线阵的间隔的小于0.1倍波长则会有能量耦合干扰，而天线单元线阵的间隔为0.1倍波长是为混叠阵列。而天线单元线阵的间隔为0.45倍～0.75倍波长时为经典的线阵列。因为在蓝牙2.4ghz频段下，电磁波在空气中传输波长为0.125m。天线单元线阵的间隔0.0125m或0.052m～0.094m之间。

本发明的ble5.1芯片模组与天线阵列组通过rf传导连接。

本实施例的天线阵列组与相邻天线阵列组的间距为1m。

需说明的是，本发明的天线阵列组与相邻天线阵列组的间距可以为1m，也可以为1m以上。因为经大量实验验证当天线阵列组与相邻天线阵列组的间距大于或是等于1m时，定位精度可以达到厘米级。

本发明的蓝牙发射模块为可移动式单天线蓝牙发射模块。

本发明的蓝牙信号为2.4ghz的射频信号。

本发明的ble5.1芯片模组的型号为nrf5281soc、tlsr8258或者da1469x。本实施例的ble5.1芯片模组的型号为nrf5281soc。

本发明的天线阵列组可以装配于外部冰箱、墙体、外部油烟机或门体，或是其他具有一定高度的物体。本实施例的天线阵列组装配外部冰箱。

本发明因为蓝牙发射模块装配于信信标，所以本发明能够通过计算蓝牙发射模块的坐标确定信标的坐标。

一种用于智能家居的蓝牙交叉定位设备,设置有蓝牙发射模块、天线阵列组和ble5.1芯片模组，蓝牙发射模块与天线阵列组信号连接，天线阵列组和ble5.1芯片模组电连接。本发明采用蓝牙发射模块进行交叉定位，而蓝牙发射模块具有低功耗、低成本的优点，能够使得信标大批量、大范围安装的门槛大幅降低；同时通过蓝牙具有相位判角的高精度的优点，使得定位更加精准，为更丰富的物-人交互、物-物交提供了平台。该用于智能家居的蓝牙交叉定位设备具有成本低、耗能低和精度高的优点。

实施例2。

一种用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法，如图1所示，包含步骤有：

步骤一、蓝牙发射模块发射蓝牙信号；

步骤二、两组天线阵列组分别接收步骤一的蓝牙信号，对应得到表征信号；

步骤三、两组ble5.1芯片模组分别读取表征信号，对应得到相位信息；

步骤四、每组ble5.1芯片模组根据步骤三对应得到的相位信息，得到蓝牙发射模块所在位置对应的角度信号；

步骤五、通过步骤四得到对应的角度信号，计算得到蓝牙发射模块的坐标；

步骤六，将步骤五得到蓝牙发射模块的坐标定义为信标坐标。

本发明的首先假设需监测的信标至天线阵列组的距离d＝1m～5m，信标距离天线阵列组的距离是远远大于天线单元之间的距离。在此条件下，每一个天线单元所接收到的信标信号的夹角可近似看作相等。

其中步骤二具体为，

步骤2.1、天线阵列组接收步骤一的蓝牙信号；

步骤2.2、将步骤2.1得到蓝牙信号进得表征得到表征信号，如式(ⅰ)

x(t)＝α(θ)*s(t)+n(t)式(ⅰ)，

其中s(t)为蓝牙发射模块发射的蓝牙信号，α(θ)为天线阵列组的方向矢量，n(t)为噪声。

其中步骤三具体为，

步骤3.1、ble5.1芯片模组读根据步骤二的表征信号，进行协方差计算得到相位信息，如式(ⅱ)：

其中p(θ)为相邻两个天线单元比较得到的特定相位对应的功率值且p(θ)为检测值，h为转置，n为天线单元的个数，t为瞬时时刻；

步骤3.2、将检测得到最大功率值定义为pmax(θ)，且每两个相邻两个天线单元存在唯一一个pmax(θ)，每个天线阵列组的pmax(θ)个数为n-1；

步骤3.3、分别将n×1的天线单元依次定义为第1天线单元，……，第i天线单元，……，第n天线单元，存在2＜i≤n，将第1天线单元与第二天线单元之间的中垂线与蓝牙信号的相位值定义为θ1，……,第i天线单元与第i+1天线单元的中垂线与蓝牙信号的相位值定义为θi，……,第n-1天线单元与第n+1天线单元的中垂线与蓝牙信号的相位值角定义为θn-1；

步骤3.4、分别将步骤3.2得到n-1个pmax(θ)对应代入步骤3.1，分别得到相位值θ1，……,相位值θi，……,相位值θn-1。

步骤四具体为，

步骤4.1、将θ1将对应的相位滞后量定义为φ1，……,将θi将对应的相位滞后量定义为φi，……,将θn-1将对应的相位滞后量定义为φn-1，且存在φ1：……：φi：……：φn-1＝n-1：……：i：……：1，

步骤4.2、根据相位滞后量与角度信号的几何关系得到式(1)、……、式(i)、……、式(n-1)，式(1)、……、式(i)、……、式(n-1)具体如下：

其中λ为蓝牙2.4ghz射频信号在空气中传播时的电磁波波长；

步骤4.3、将步骤3.5得到的θ1代入式(1)得到φ1，……,将步骤3.5得到的θi代入式(i)得到φi，……,将步骤3.5得到的θn-1代入式(n-1)得到φn-1；

步骤4.4、将步骤4.3得到φ1，……,φi，……,φn-1中不符合步骤4.1比例的相位滞后量剔除后，得到矫正位滞后量，且将矫正位滞后量对应的相位值定义为矫正相位值；

步骤4.5、对步骤4.4的所有的矫正相位值进行加和求平均值，得到角度信号并定义为θ。

其中步骤五具体为，将两组天线阵列组连线的中点定义为o,以o沿连线作垂线定义为y轴，连线为x轴建立平面直角系，

并将一组天线阵列组得到的角度信号定义为θ1，将另一组天线阵列组得到的角度信号定义为θ2，蓝牙发射模块的坐标(x,y)分别通过式(ⅲ)和式(ⅳ)得到,

其中d为两组天线阵列组连线的距离。

因为蓝牙发射模块装配于信信标，所以本发明能够通过计算蓝牙发射模块的坐标确定信标的坐标。

需说明是，因本发明的天线阵列组是装配于外部冰箱、墙体、外部油烟机或门体，同时因为外部冰箱、墙体、外部油烟机或门体的一面能够隔离蓝牙信号，所以相位角是角度范围为0°～180°因此每两个相邻两个天线单元仅存在唯一一个pmax(θ)。

一种用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法,通过5个步骤对信标位置进行定位。本发明采用蓝牙发射模块进行交叉定位，而蓝牙发射模块具有低功耗、低成本的优点，能够使得信标大批量、大范围安装的门槛大幅降低；同时通过蓝牙具有相位判角的高精度的优点，使得定位更加精准，为更丰富的物-人交互、物-物交提供了平台。该用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法具有成本低、耗能低和精度高的优点。

实施例3。

一种用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法，本发明以本实施例为例进行说明，本实施例的每个天线阵列组为4×1的天线单元线阵，分别将天线单元依次定义为第1天线单元、第2天线单元、第3天线单元和第4天线单元、如图2和3所示，

步骤一、蓝牙发射模块发射蓝牙信号；

步骤2.1、两组天线阵列组接收步骤一的蓝牙信号；

步骤2.2、将步骤2.1得到蓝牙信号进得表征得到表征信号，如式(ⅰ)

x(t)＝α(θ)*s(t)+n(t)式(ⅰ)，

其中s(t)为蓝牙发射模块发射的蓝牙信号，α(θ)为天线阵列组的方向矢量，n(t)为噪声。

骤3.1、ble5.1芯片模组读根据步骤二的表征信号，进行协方差计算得到相位信息式(ⅱ)；

步骤3.2、将检测得到最大功率值定义为pmax(θ)，且每两个相邻两个天线单元存在唯一一个pmax(θ)，每个天线阵列组的pmax(θ)个数为3，分别定义为pmax1(θ)、pmax2(θ)和pmax3(θ)；

步骤3.3、分别将4×1的天线单元依次定义为第1天线单元，第2天线单元，第3天线单元，第4天线单元，将第1天线单元与第二天线单元之间的中垂线与蓝牙信号的相位值定义为θ1，第2天线单元与第3天线单元的中垂线与蓝牙信号的相位值定义为θ2，第3天线单元与第4天线单元的中垂线与蓝牙信号的相位值定义为θ3；

步骤3.4、将第1天线单元与第二天线单元比较得到的特定相位对应的功率值最大功率值pmax1(θ)，将pmax1(θ)代入步骤3.1得到相位值θ1。

将第2天线单元与第3天线单元比较得到的特定相位对应的功率值最大功率值pmax2(θ)，将pmax2(θ)代入步骤3.1得到相位值θ2。

将第3天线单元与第4天线单元比较得到的特定相位对应的功率值最大功率值pmax3(θ)，将pmax3(θ)代入步骤3.1得到相位值θ3。

步骤4.1、将θ1将对应的相位滞后量定义为φ1，将θ2将对应的相位滞后量定义为φ2，将θ3将对应的相位滞后量定义为φ3，且存在φ1：φ2：φ3＝3：2：1，

步骤4.2、根据相位滞后量与角度信号的几何关系得到式(1)、式(2)、式(3)，式(1)、式(2)、式(3)具体如下：

其中λ为蓝牙2.4ghz射频信号在空气中传播时的电磁波波长；

步骤4.3、将步骤3.5得到的θ1代入式(1)得到φ1，将步骤3.5得到的θ2代入式(2)得到φ2，将步骤3.5得到的θ3代入式(3)得到φ3；本实施例具体得到的φ1为0.53，φ2为1.13，φ3为1.59；

步骤4.4、将步骤4.3得到φ1，φ2，φ3中不符合步骤4.1比例的相位滞后量剔除后，得到矫正位滞后量，且将矫正位滞后量对应的相位值定义为矫正相位值，对于本实施例的φ2不符合步骤4.1比例，而φ1和φ3则符合步骤4.1比例，所以将φ2剔除后，而φ1对应的θ1为矫正相位值，φ3对应的θ3为矫正相位值；

步骤4.5、对步骤4.4的所有的矫正相位值进行加和求平均值，得到角度信号并定义为θ。

步骤五具体为，将两组天线阵列组连线的中点定义为o,以o沿连线作垂线定义为y轴，连线为x轴建立平面直角系，

并将一组天线阵列组得到的角度信号定义为θ1，将另一组天线阵列组得到的角度信号定义为θ2，蓝牙发射模块的坐标(x,y)分别通过式(ⅲ)和式(ⅳ)得到,

其中d为两组天线阵列组连线的距离。

步骤六，将步骤五得到蓝牙发射模块的坐标定义为信标坐标。

因为蓝牙发射模块装配于信信标，所以本发明能够通过计算蓝牙发射模块的坐标确定信标的坐标。

一种用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法,通过5个步骤对信标位置进行定位。本发明采用蓝牙发射模块进行交叉定位，而蓝牙发射模块具有低功耗、低成本的优点，能够使得信标大批量、大范围安装的门槛大幅降低；同时通过蓝牙具有相位判角的高精度的优点，使得定位更加精准，为更丰富的物-人交互、物-物交提供了平台。该用于智能家居的蓝牙交叉定位的计算方法具有成本低、耗能低和精度高的优点。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。