TWI736909B - 定位系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種定位系統，所述系統包括：第一裝置，所述第一裝置包括至少兩個接收天線，設定所述至少兩個接收天線數量為N，其中，每兩個相鄰的接收天線接收信號最強的方向之間的夾角為360°/N；以及第二裝置；所述第一裝置獲取每一個接收天線從所述第二裝置所接收信號的強度，根據所獲取的接收信號的強度確定與所述第二裝置相鄰的兩個接收天線，確定所述第二裝置與所述相鄰的兩個接收天線的夾角；以及根據所述夾角計算所述第二裝置與所述第一裝置之間的距離。本發明還提供一種定位方法。

Description

定位系統及方法
本發明涉及一種通信技術領域，尤其是一種定位系統及方法。
習知大部分室內定位方式需採用多個節點或者設備來進行定位，成本較高，且難以應用到普通家居環境中。另，習知WiFi接入點以及物聯網大多採用偶極天線收發信號，再利用束波形成的方式進行定位，惟，這種定位方式易受到環境干擾而影響定位準確度。
鑒於以上內容，有必要提供一種成本較低、且不易受到干擾的定位系統及方法。
一種定位系統，所述系統包括：第一裝置，所述第二裝置包括至少兩個接收天線，設定所述至少兩個接收天線數量為N，其中，每兩個相鄰的接收天線接收信號最強的方向之間的夾角為360°/N；以及第二裝置；所述第一裝置獲取每一個接收天線從所述第二裝置所接收信號的強度，根據所獲取的接收信號的強度確定與所述第二裝置相鄰的兩個接收天線，確定所 述第二裝置與所述相鄰的兩個接收天線的夾角；以及根據所述夾角計算所述第二裝置與所述第一裝置之間的距離。
一種定位方法，應用於第一裝置，以對第二裝置進行定位，所述第一裝置包括至少兩個接收天線，設定所述至少兩個接收天線數量為N，其中，每兩個相鄰的接收天線接收信號最強的方向之間的夾角為360°/N，所述方法包括：(a)所述第一裝置與所述第二裝置建立連接，並通過所述四個接收天線接收所述第二裝置所發送的信號；(b)所述第一裝置獲取每一個接收天線從所述第二裝置所接收信號的強度；(c)根據所獲取的接收信號的強度確定與所述第二裝置相鄰的的兩個接收天線；(d)確定所述第二裝置與所述相鄰的兩個接收天線的夾角；以及(e)根據所述夾角計算所述第二裝置與所述第一裝置之間的距離。
本發明所述定位系統及方法採用設置所述接收天線對所述第二裝置進行定位，計算所述第二裝置與相鄰的接收天線的夾角，並根據所述夾角計算所述第二裝置與所述第一裝置之間的距離，系統構架簡單，成本較低，同時，定位過程不易受到干擾，定位準確度較高。
1:第一裝置
2:第二裝置
TX:發射天線
RX1:第一接收天線
RX2:第二接收天線
RX3:第三接收天線
RX4:第四接收天線
圖1為本發明定位系統一較佳實施例的示意圖。
圖2為本發明定位系統一較佳實施例的接收天線的平面信號輻射的示意圖。
圖3為本發明定位方法一較佳實施例的流程圖。
圖4為本發明定位系統一較佳實施例的接收天線圖案的示意圖。
參閱圖1所示，為本發明定位系統一較佳實施例的示意圖。所述定位系統包括第一裝置1及多個第二裝置2。所述系統架構可以架設在一個建築物內，如商場、工廠、醫院、賓館、餐館、機場等。所述第一裝置1可對多個第二裝置2進行定位。在本較佳實施例中，以所述第一裝置1對一個第二裝置2進行定位為例，加以說明。
在本較佳實施例中，所述第一裝置1可為路由器或其他存取點(Access Point)。所述多個第二裝置2為具有收發功能的無線通訊裝置。在本實施例中，所述多個第二裝置2及第一裝置1也可以通過短距離無線通訊協定無線連接。所述短距離無線通訊協定包括但不限於，例如WIFI及ZIGBEE。
所述第一裝置1包括發射天線TX及至少兩個接收天線。在本較佳實施中，所述發射天線TX為增益小於6dB的偶極天線，所述接收天線為指向型天線。在本較佳實施中，以四個接收天線為例，加以說明，所述四個接收天線分別為第一接收天線RX1、第二接收天線RX2、第三接收天線RX3以及第四接收天線RX4，所述發射天線TX也為四個，與所述四個接收天線均勻間隔設置。本發明所述的定位系統中發射天線TX與接收天線分開設置後，採用指向型天線作為接收天線的設計架構，與第二裝置2通信上使用波束形成技術能引導正確的位置，從而提升連線通信品質。
請一併參閱圖2，每一個接收天線具有一個接收信號最強的方向，例如，所述第一接收天線RX1接收信號最強的方向為A1，所述第四接收天線RX4接收信號最強的方向為A4，相鄰的接收天線的接收信號最強的方向之間 夾角相同，均為360°/N，其中，N為接收天線RX的數量，在本較佳實施例中，所述接收天線的數量N=4，因此，θ=90°，也就是說，所述第一接收天線RX1與第四接收天線RX4接收信號最強的方向A1與A4之間的夾角為θ=90°。在其他實施例中，接收天線的數量N可以是2、3、5-10等，本領域技術人員可根據硬體需求與裝置空間而設計適合的接收天線的數量。在本較佳實施例中，可根據所述四個接收天線接收信號的強弱，將所述第一裝置1所在的空間劃分為四個象限，分別為第一象限I、第二象限II、第三象限III以及第四象限IV，每一個象限為所在接收天線RX接收信號的較強的區域。
圖3為本發明定位方法一較佳實施例的流程圖。所述定位方法包括以下步驟：
步驟S10：所述第一裝置1開機後等待與所述第二裝置2建立連接。
步驟S11：所述第一裝置1與所述第二裝置2建立連接，通過所述四個接收天線接收所述第二裝置2所發送的信號。
步驟S12：所述第一裝置1獲取每一個接收天線從第二裝置2所接收信號強度(RSSI)。例如，在本較佳實施例中，所述第一接收天線RX1的接收信號強度為述AntI RSSI ，所述第四接收天線RX4的接收信號強度為述AntIV RSSI 。在本較佳實施例中，所述第一裝置1利用分時多工計算可得到每一個接收天線從第二裝置2所接收信號強度(RSSI)，因此，即便所述第一裝置1只有一個天線饋入點，利用分時多工仍能達到相同的定位效果。
在本較佳實施例中，所述步驟S12包括以下子步驟：
步驟S120：根據所獲取的接收信號的強度，將預設次數的接收信號(例如，最近5次接收信號)的強度的平均值作為所述接收天線的接收信號的強度。
步驟S121：判斷所述接收天線RX的接收信號的強度是否為預設次數的接收信號的強度的平均值，如果不是，則返回步驟S120，如果是，則進入步驟S13。
步驟S13：確定與所述第二裝置2相鄰的接收天線，在本較佳實施例中，選取所獲取的接收信號的強度的兩個最大值，並根據所述兩個最大接收信號的強度確定所述第二裝置2相對所述第一裝置1的位置，例如，如果所述第一接收天線RX1與所述第四接收天線RX4的接收信號的強度最大，則可確定所述第二裝置2位於所述第一象限I，處於所述第一接收天線RX1與所述第四接收天線RX4之間。
步驟S14：計算所述第二裝置2與所述相鄰的接收天線之間的夾角。在本較佳實施例中，計算所述第二裝置2與所述第一接收天線RX1與所述第四接收天線RX4之間的夾角，分別為θ1以及θ4。
請一併參閱圖4，在本較佳實施例中，假設所述接收天線的圖案是均勻的，則所述接收天線增益
Figure 108120378-A0305-02-0007-1
，其中，AS表示球面積，AS=4π r 2，AAP表示扇形區(橫截面)面積。
因為所述接收天線RX的模型近似為矩形區域，因此，所述矩形區域長邊a=γ sin θ，以及短邊b=γ sin φ，AAP=γ 2 sin θ sin φ，代入上述公式，可計算得到所述接收天線RX增益
Figure 108120378-A0305-02-0007-2
。
另外，假設截面積為正方形，則可認為θ=φ，則接收天線RX增 益
Figure 108120378-A0305-02-0007-3
。
由於第一象限I與第二象限IV彼此垂直，則可認為，θ4=90°-θ1，可得到所述第一接收天線RX1以及第四接收天線RX4的增益分別為
Figure 108120378-A0305-02-0007-4
以及
Figure 108120378-A0305-02-0007-5
。
代入所述接收天線接收信號的強度公式：AntI RSSI =Pt+Gt(θ)+Gr+20log λ-20logd，其中，Pt表示所述第二裝置2的輸出功率，Gr表示所述發射天線增益，d表示所述第二裝置2與所述第一裝置1之間的距離，λ表示波長，可以得到如下公式：
Figure 108120378-A0305-02-0008-6
因此，根據上述公式可進一步推導得到：
Figure 108120378-A0305-02-0008-7
，從而計算得到計算所述第二裝置2與所述第一接收天線RX1之間的夾角。
步驟S14：計算所述第二裝置2與述第一裝置1之間的距離。
在本較佳實施例中，根據公式：
Figure 108120378-A0305-02-0008-8
，計算所述第一接收天線RX1的增益。再根據公式：AntI RSSI =Pt+Gt(θ)+Gr+20log λ-20logd可推導得到公式：
Figure 108120378-A0305-02-0008-9
，因為Pt、Gr以及20logλ可根據所述第一裝置1以及第二裝置2的產品資訊得知，因此，根據上述公式可計算得到所述第二裝置2與述第一裝置1之間的距離，從而實現對所述第二裝置2的定位。
可以理解，當所述第二裝置2為多個時，所述定位方法還包括步驟S15：
所述第一裝置1根據所述第二裝置2的物理資訊，如MAC位址識別所述第二裝置2，並對剩餘第二裝置2按照所述步驟S10至S14所述方法進行定位。
可以理解，當接收天線數量為N時，則
Figure 108120378-A0305-02-0008-10
，即相鄰的兩個接收天線之間的接收信號最強的方向之間的夾角為360°/N，代入步驟S13以及 S14中公式中便可得到公式：
Figure 108120378-A0305-02-0009-11
。
再結合公式
Figure 108120378-A0305-02-0009-12
可計算出上述所述第二裝置2與述第一裝置1之間的距離。
因此，如果增加接收天線的數量，利用本發明所述的定位方法與不同天線增益，不同擺放角度，並調整其設置角度滿足上述條件時，便能更精准的判斷所有第二裝置2的位置。
本發明所述定位系統及方法採用設置所述接收天線對所述第二裝置2進行定位，計算所述第二裝置2與相鄰的接收天線的夾角，並根據所述夾角計算所述第二裝置2與所述第一裝置1之間的距離，本發明所述定位系統僅需一個第一裝置1以及所述定位方法來做為整體定位系統核心架構，不需要耗費更多成本來達成定位，因此，系統構架簡單，成本較低，同時，定位過程不易受到干擾，定位準確度較高。
可以理解，本發明所述定位系統以及方法可用於室內或者室外的傳播模型中，以提升距離估測的準確度。
可以理解，本發明所述定位系統可廣泛應用在單天線的通信裝置上，例如，藍牙(Bluetooth)、無線個域網(Zigbee)、物聯網(IOT)，從而實現在工業或者家用環境中來偵測待測物(也就是，第二裝置2)，更能迅速地得知待測物的位置距離，以進行煙霧偵測、感測器故障偵測等實際應用，例如，當所述定位系統應用於煙霧偵測，或者感測器故障偵測時，在監控區域設置所述第二裝置2，當發生有煙霧或者感測器故障情況時，可觸發對應的第二裝置2與第一裝置1建立通信，並通過所述定位方法對所述第二裝置2進行定位，從而能夠及時發現事故或者故障的發生地點，並採取有效防範措施。
綜上所述，本創作符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本創作之較佳實施例，本創作之範圍並不以上述實施例為限，舉凡熟習本案技藝之人士爰依本創作之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
1:第一裝置
2:第二裝置
TX:發射天線
RX1:第一接收天線
RX2:第二接收天線
RX3:第三接收天線
RX4:第四接收天線

Claims (10)

  1. 一種定位系統，其改良在於，所述系統包括：第一裝置，所述第一裝置包括至少兩個接收天線，設定所述至少兩個接收天線數量為N，其中，每兩個相鄰的接收天線接收信號最強的方向之間的夾角為360°/N；以及第二裝置；所述第一裝置獲取每一個接收天線從所述第二裝置所接收信號的強度，根據所獲取的接收信號的強度確定與所述第二裝置相鄰的兩個接收天線，根據所述相鄰的兩個接收天線的接收信號的強度確定所述第二裝置與所述相鄰的兩個接收天線的夾角，以及根據所述夾角、所述相鄰的兩個接收天線的增益、所述第二天線的輸出功率及發射天線的增益計算所述第二裝置與所述第一裝置之間的距離。
  2. 如請求項1所述的定位系統，其中，所述第一裝置根據公式
    Figure 108120378-A0305-02-0011-14
    計算所述第二裝置與所述相鄰的兩個接收天線的夾角，其中，θ1表示所述第二裝置與其中一個相鄰的接收天線之間的夾角，AntI RSSI 以及AntIV RSSI 分別表示所述相鄰的兩個接收天線的接收信號的強度。
  3. 如請求項2所述的定位系統，其中，所述第一裝置根據公式：
    Figure 108120378-A0305-02-0011-15
    計算所述相鄰的接收天線的增益，其中，Gt1(θ1)表示所述相鄰的接收天線的增益；以及再根據公式：
    Figure 108120378-A0305-02-0011-16
    計算所述第二裝置與所述第一裝置之間的距離，其中，Pt表示所述第二裝置的輸出功率，Gt1(θ1)表示所述接收天線增益，d1表示所述第二裝置與所述第一裝置之間的距離，Gr表示發射天線的增益，λ表示波長。
  4. 如請求項1所述的定位系統，其中，所述第一裝置獲取預設次數的所述接收天線接收信號的強度值，並將其平均值作為所述接收天線接收信號的強度。
  5. 如請求項1所述的定位系統，其中，所述第一裝置根據所述第二裝置的物理資訊識別所述第二裝置。
  6. 一種定位方法，應用於第一裝置，以對第二裝置進行定位，其改良在於，所述第一裝置包括至少兩個接收天線，設定所述至少四個接收天線數量為N，其中，每兩個相鄰的接收天線接收信號最強的方向之間的夾角為360°/N，所述方法包括：(a)所述第一裝置與所述第二裝置建立連接，並通過所述四個接收天線接收所述至少一第二裝置所發送的信號；(b)所述第一裝置獲取每一個接收天線從所述第二裝置所接收信號的強度；(c)根據所獲取的接收信號的強度確定與所述第二裝置相鄰的兩個接收天線；(d)根據所述相鄰的兩個接收天線的接收信號的強度確定所述第二裝置與所述相鄰的兩個接收天線的夾角；以及(e)根據所述夾角、所述相鄰的兩個接收天線的增益、所述第二天線的輸出功率及發射天線的增益計算所述第二裝置與所述第一裝置之間的距離。
  7. 如請求項6所述的定位方法，其中，所述方法步驟(d)包括：根據公式
    Figure 108120378-A0305-02-0012-20
    ，可計算所述第二裝置與所述相鄰的兩個接收天線的夾角，其中，θ1表示所述第二裝置與其中一個相鄰的接收天線之間的夾角，AntI RSSI 以及AntIV RSSI 分別表示所述相鄰的兩個接收天線的接收信號的強度。
  8. 如請求項7所述的定位方法，其中，所述方法步驟(d)包括：根據公式：
    Figure 108120378-A0305-02-0012-18
    ，計算出所述相鄰的接收天線的增益，其中，Gt1(θ1)表示所述相鄰的接收天線的增益；以及在根據公式：
    Figure 108120378-A0305-02-0012-19
    計算出所述第二裝置與所述第一裝置之間的距離，其中，Pt表示所述第二裝置的輸出功率，Gr表示發射天線增益，d1表示所述第二裝置與所述第一裝置之間的距離，λ表示波長。
  9. 如請求項6所述的定位方法，其中，所述方法步驟(b)包括：獲取預設次數的所述接收天線接收信號的強度值，並將其平均值作為所述接收天線接收信號的強度。
  10. 如請求項6所述的定位方法，其中，所述方法還包括：在步驟(e)之後，根據所述第二裝置的物理資訊識別所述第二裝置。
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