CN111948604B - 定位***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种定位***，所述***包括：第一装置；以及第二装置，所述第二装置包括至少两个接收天线，设定所述至少两个接收天线数量为N，其中，每两个相邻的接收天线接收信号最强的方向之间的夹角为360°/N；所述第一装置获取每一个接收天线从所述第二装置所接收信号的强度，根据所获取的接收信号的强度确定与所述第二装置相邻的的两个接收天线，确定所述第二装置与所述相邻的的两个接收天线的夹角；以及根据所述夹角计算所述第二装置与所述第一装置之间的距离。本发明还提供一种定位方法。

Description

定位***及方法
技术领域
本发明涉及一种通信技术领域，尤其是一种定位***及方法。
背景技术
现有的大部分室内定位方式需采用多个节点或者设备来进行定位，成本较高，且难以应用到普通家居环境中。另外，现有的WiFi接入点以及物联网大多采用偶极天线收发信号，再利用束波形成的方式进行定位，但是这种定位方式容易受到环境干扰而影响定位准确度。
发明内容
针对上述问题，有必要提供一种成本较低、且不易受到干扰的定位***及方法。
一种定位***，所述***包括：
第一装置；以及
第二装置，所述第二装置包括至少两个接收天线，设定所述至少两个接收天线数量为N，其中，每两个相邻的接收天线接收信号最强的方向之间的夹角为360°/N；所述第一装置获取每一个接收天线从所述第二装置所接收信号的强度，根据所获取的接收信号的强度确定与所述第二装置相邻的的两个接收天线，确定所述第二装置与所述相邻的的两个接收天线的夹角；以及根据所述夹角计算所述第二装置与所述第一装置之间的距离。
一种定位方法，应用于第一装置，以对第二装置进行定位，所述第一装置包括至少两个接收天线，设定所述至少两个接收天线数量为N，其中，每两个相邻的接收天线接收信号最强的方向之间的夹角为360°/N，所述方法包括：
(a)所述第一装置与所述第二装置建立连接，并通过所述四个接收天线接收所述第二装置所发送的信号；
(b)所述第一装置获取每一个接收天线从所述第二装置所接收信号的强度；
(c)根据所获取的接收信号的强度确定与所述第二装置相邻的的两个接收天线；
(d)确定所述第二装置与所述相邻的的两个接收天线的夹角；以及
(e)根据所述夹角计算所述第二装置与所述第一装置之间的距离。
本发明所述定位***及方法采用设置所述接收天线对所述第二装置进行定位，计算所述第二装置与相邻的的接收天线的夹角，并根据所述夹角计算所述第二装置与所述第一装置之间的距离，***构架简单，成本较低，同时，定位过程不易受到干扰，定位准确度较高。
附图说明
图1为本发明定位***一较佳实施例的示意图。
图2为本发明定位***一较佳实施例的接收天线的平面信号辐射的示意图。
图3为本发明定位方法一较佳实施例的流程图。
图4为本发明定位***一较佳实施例的接收天线图案的示意图。
主要元件符号说明
第一装置 1
第二装置 2
发射天线 TX
第一接收天线 RX1
第二接收天线 RX2
第三接收天线 RX3
第四接收天线 RX4
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
参阅图1所示，为本发明定位***一较佳实施例的示意图。所述定位***包括第一装置1及多个第二装置2。所述***架构可以架设在一个建筑物内，如商场、工厂、医院、宾馆、餐馆、机场等。所述第一装置1可对多个第二装置2进行定位。在本较佳实施例中，以所述第一装置1对一个第二装置2进行定位为例，加以说明。
在本较佳实施例中，所述第一装置1可为路由器或其他存取点(Access Point)。所述多个第二装置2为具有收发功能的无线通信装置。在本实施例中，所述多个第二装置2及第一装置1也可以通过短距离无线通信协议无线连接。所述短距离无线通信协议包括但不限于，例如WIFI及ZIGBEE。
所述第一装置1包括发射天线TX及至少两个接收天线。在本较佳实施中，所述发射天线TX为增益小于6dB的偶极天线，所述接收天线为指向型天线。在本较佳实施中，以四个接收天线为例，加以说明，所述四个接收天线分别为第一接收天线RX1、第二接收天线RX2、第三接收天线RX3以及第四接收天线RX4，所述发射天线TX也为四个，与所述四个接收天线均匀间隔设置。本发明所述的定位***中发射天线TX与接收天线分开设置后，采用指向型天线作为接收天线的设计架构，与第二装置2通信上使用波束形成技术能引导正确的位置，从而提升联机通信质量。
请一并参阅图2，每一个接收天线具有一个接收信号最强的方向，例如，所述第一接收天线RX1接收信号最强的方向为A1，所述第四接收天线RX4接收信号最强的方向为A4，相邻的接收天线的接收信号最强的方向之间夹角相同，均为360°/N，其中，N为接收天线RX的数量，在本较佳实施例中，所述接收天线的数量N＝4，因此，θ＝90°，也就是说，所述第一接收天线RX1与第四接收天线RX4接收信号最强的方向A1与A2之间的夹角为θ＝90°。在其他实施例中，接收天线的数量N可以是2、3、5-10等，本领域技术人员可根据硬件需求与装置空间而设计适合的接收天线的数量。在本较佳实施例中，可根据所述四个接收天线接收信号的强弱，将所述第一装置1所在的空间划分为四个象限，分别为第一象限I、第二象限II、第三象限III以及第四象限IV，每一个象限为所在接收天线RX接收信号的较强的区域。
图3为本发明定位方法一较佳实施例的流程图。所述定位方法包括以下步骤：
步骤S10：所述第一装置1开机后等待与所述第二装置2建立连接。
步骤S11：所述第一装置1与所述第二装置2建立连接，通过所述四个接收天线接收所述第二装置2所发送的信号。
步骤S12：所述第一装置1获取每一个接收天线从第二装置2所接收信号强度(RSSI)。例如，在本较佳实施例中，所述第一接收天线RX1的接收信号强度为述AntIRSSI，所述第四接收天线RX4的接收信号强度为述AntIVRSSI。在本较佳实施例中，所述第一装置1利用分时多工计算可得到每一个接收天线从第二装置2所接收信号强度(RSSI)，因此，即便所述第一装置1只有一个天线馈入点，利用分时多工仍能达到相同的定位效果。
在本较佳实施例中，所述步骤S11包括以下子步骤：
步骤S120：根据所获取的接收信号的强度，将预设次数的接收信号(例如，最近5次接收信号)的强度的平均值作为所述接收天线的接收信号的强度。
步骤S121：判断所述接收天线RX的接收信号的强度是否为预设次数的接收信号的强度的平均值，如果不是，则返回步骤S110，如果是，则进入步骤S13。
步骤S13：确定与所述第二装置2相邻的接收天线，在本较佳实施例中，选取所获取的接收信号的强度的两个最大值，并根据所述两个最大接收信号的强度确定所述第二装置2相对所述第一装置1的位置，例如，如果所述第一接收天线RX1与所述第四接收天线RX4的接收信号的强度最大，则可确定所述第二装置2位于所述第一象限I，处于所述第一接收天线RX1与所述第四接收天线RX4之间。
步骤S14：计算所述第二装置2与所述相邻的接收天线之间的夹角。在本较佳实施例中，计算所述第二装置2与所述第一接收天线RX1与所述第四接收天线RX4之间的夹角，分别为θ1以及θ4。
请一并参阅图4，在本较佳实施例中，假设所述接收天线的图案是均匀的，则所述接收天线增益其中，AS表示球面积，AS＝4πr2，AAP表示扇形区(横截面)面积。
因为所述接收天线RX的模型近似为矩形区域，因此，所述矩形区域长边a＝γsinθ，以及短边代入上述公式，可计算得到所述接收天线RX增益/>
另外，假设截面积为正方形，则可认为则接收天线RX增益/>
由于第一象限I与第二象限IV彼此垂直，则可认为，θ4＝90°-θ1，可得到所述第一接收天线RX1以及第四接收天线RX4的增益分别为以及
代入所述接收天线接收信号的强度公式：AntIRSSI＝Pt+Gt(θ)+Gr+20logλ-20logd，其中，Pt表示所述第二装置2的输出功率，Gr表示所述发射天线增益，d表示所述第二装置2与所述第一装置1之间的距离，λ表示波长，可以得到如下公式：
因此，根据上述公式可进一步推导得到：
从而计算得到计算所述第二装置2与所述第一接收天线RX1之间的夹角。
步骤S 15：计算所述第二装置2与述第一装置1之间的距离。
在本较佳实施例中，根据公式：计算所述第一接收天线RX1的增益。再根据公式：AntIRSSI＝Pt+Gt(θ)+Gr+20logλ-20logd可推导得到公式：因为Pt、Gr以及20logλ可根据所述第一装置1以及第二装置2的产品信息得知，因此，根据上述公式可计算得到所述第二装置2与述第一装置1之间的距离，从而实现对所述第二装置2的定位。
可以理解，当所述第二装置2为多个时，所述定位方法还包括步骤S 16：
所述第一装置1根据所述第二装置2的物理信息，如MAC地址识别所述第二装置2，并对剩余第二装置2按照所述步骤S 10至S 15所述方法进行定位。
可以理解，当接收天线数量为N时，则即相邻的两个接收天线之间的接收信号最强的方向之间的夹角为360°/N，代入步骤S 13以及S 14中公式中便可得到公式：
再结合公式AntIRSSI＝Pt+Gt(θ)+Gr+20logλ-20logd可计算出上述所述第二装置2与述第一装置1之间的距离。
因此，如果增加接收天线的数量，利用本发明所述的定位方法与不同天线增益，不同摆放角度，并调整其设置角度满足上述条件时，便能更精准的判断所有第二装置2的位置。
本发明所述定位***及方法采用设置所述接收天线对所述第二装置2进行定位，计算所述第二装置2与相邻的的接收天线的夹角，并根据所述夹角计算所述第二装置2与所述第一装置1之间的距离，本发明所述定位***仅需一个第一装置1以及所述定位方法来做为整体定位***核心架构，不需要耗费更多成本来达成定位，因此，***构架简单，成本较低，同时，定位过程不易受到干扰，定位准确度较高。
可以理解，本发明所述定位***以及方法可用于室内或者室外的传播模型中，以提升距离估测的准确度。
可以理解，本发明所述定位***可广泛应用在单天线的通信装置上，例如，蓝牙(Bluetooth)、无线个域网(Zigbee)、物联网(IOT)，从而实现在工业或者家用环境中来侦测待测物(也就是，第二装置2)，更能迅速地得知待测物的位置距离，以进行烟雾侦测、传感器故障侦测等实际应用，例如，当所述定位***应用于烟雾侦测，或者传感器故障侦测时，在监控区域设置所述第二装置2，当发生有烟雾或者传感器故障情况时，可触发对应的第二装置2与第一装置1建立通信，并通过所述定位方法对所述第二装置2进行定位，从而能够及时发现事故或者故障的发生地点，并采取有效防范措施。

Claims (6)

1.一种定位***，其特征在于，所述***包括：
第一装置；以及
第二装置；所述第一装置包括至少四个接收天线，设定所述至少四个接收天线数量为N，其中，每两个相邻的接收天线接收信号最强的方向之间的夹角为360°/N；所述第一装置获取每一个接收天线从所述第二装置所接收信号的强度，根据所获取的接收信号的强度确定与所述第二装置相邻的的两个接收天线，确定所述第二装置与所述相邻的的两个接收天线的夹角；以及根据所述夹角计算所述第二装置与所述第一装置之间的距离；其中，
所述第一装置根据公式计算所述第二装置与所述相邻的两个接收天线的夹角；其中，θ1表示所述第二装置与其中一个相邻的接收天线之间的夹角，AntIRSSI以及AntIVRSSI分别表示所述相邻的两个接收天线的接收信号的强度；所述第一装置根据公式：/>计算所述相邻的接收天线的增益，其中，Gt1(θ1)表示所述相邻的接收天线的增益；以及
再根据公式：AntIRSSI＝Pt+Gt1(θ1)+Gr+20logλ-20logd计算所述第二装置与所述第一装置之间的距离，其中，Pt表示所述第二装置的输出功率，Gt1(θ1)表示所述接收天线增益，d表示所述第二装置与所述第一装置之间的距离，Gr表示发射天线的增益，λ表示波长。
2.如权利要求1所述的定位***，其特征在于，所述第一装置获取预设次数的所述接收天线接收信号的强度值，并将其平均值作为所述接收天线接收信号的强度。
3.如权利要求1所述的定位***，其特征在于，所述第一装置根据所述第二装置的物理信息识别所述第二装置。
4.一种定位方法，应用于第一装置，以对至少一第二装置进行定位，其特征在于，所述第一装置包括至少四个接收天线，设定所述至少四个接收天线数量为N，其中，每两个相邻的接收天线接收信号最强的方向之间的夹角为360°/N，所述方法包括：
(a)所述第一装置与所述第二装置建立连接，并通过所述四个接收天线接收所述至少一第二装置所发送的信号；
(b)所述第一装置获取每一个接收天线从所述第二装置所接收信号的强度；
(c)根据所获取的接收信号的强度确定与所述第二装置相邻的的两个接收天线；
(d)确定所述第二装置与所述相邻的的两个接收天线的夹角；以及
(e)根据所述夹角计算所述第二装置与所述第一装置之间的距离；其中，
所述方法步骤(d)包括：
根据公式可计算所述第二装置与所述相邻的两个接收天线的夹角，其中，θ1表示所述第二装置与其中一个相邻的接收天线之间的夹角，AntIRSSI以及AntIVRSSI分别表示所述相邻的两个接收天线的接收信号的强度；
所述方法步骤(e)包括：
根据公式：计算出所述相邻的接收天线的增益，其中，Gt1(θ1)表示所述相邻的接收天线的增益；以及
在根据公式：AntIRSSI＝Pt+Gtl(θl)+Gr+20logλ-20logd计算出所述第二装置与所述第一装置之间的距离，其中，Pt表示所述第二装置的输出功率，Gr表示发射天线增益，d表示所述第二装置与所述第一装置之间的距离，λ表示波长。
5.如权利要求4所述的定位方法，其特征在于，所述方法步骤(b)包括：
获取预设次数的所述接收天线接收信号的强度值，并将其平均值作为所述接收天线接收信号的强度。
6.如权利要求4所述的定位方法，其特征在于，所述方法还包括：在步骤(e)之后，
根据所述第二装置的物理信息识别所述第二装置。
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