一种融合R S S I和A O A定位算法的智能蓝牙防丢器 贾灵，王薪宇，胡海，邱绿景
(利尔达科技集团股份有限公司，杭州311121)
摘要：目前的蓝牙防丢器多半通过检测R S S I(信号指示强度)的方式判断距离，超出设定距离则报警，但此方法无法确定信号的方向来源㊂本文设计了一种混合R S S I和A O A定位算法的智能蓝牙定位防丢器，在进行R S S I检测距离的基础上，融合A O A(到达角度测距)算法获取方向信息，最终计算出设备的准确距离㊁方向信息，同时可以利用多个防丢器构成 电子围栏 ㊂ 关键词:B L E5.1;A O A定位;R S S I;C C2640R2L
中图分类号:T P216文献标识码:A
I n t e l l i g e n t B l u e t o o t h A n t i-l o s s D e v i c e B a s e d o n R S S I a n d A O A L o c a t i o n A l g o r i t h m
J i a L i n g,W a n g X i n y u,H u H a i,Q i u L v j i n g
(L i e r d a T e c h n o l o g y G r o u p C o.,L t d.,H a n g z h o u311121,C h i n a)
A b s t r a c t:A t p r e s e n t,m o s t o f t h e
B l u e t o o t h a n t i-l o s s d e v i c e s d e t e c t R S S I(s i g n a l s t r e n g t h)t o j u d g e t h e d i s t a n c e,b e y o n d t h e s e t d i s t a n c e
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i s p a p e r,a n i n t e l l i g e n t B l u e t o o t h l o c a t i o n a n t i-l o s s d e v i c e
b a s e d o n R S S I a n d A O A l o
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0引言
智能蓝牙防丢器是通过人与物体的距离改变来计算物体是否还处于安全范围内㊂通过在手机上安装一个A P P软件，利用蓝牙将手机与智能蓝牙防丢器进行连接，利用定位功能就可以知道自己物品的大概位置㊂它主要可以对钱包㊁手机㊁车㊁门钥匙㊁箱包行李等比较贵重物品进行防丢，还可以有效防止儿童或者宠物的走丢㊂当前智能蓝牙防丢器多半仅通过接收蓝牙设备端的无线信号强度来进行距离的估算和判断，本设计相较于传统的R S S I测距[1]，融合了A O A测距算法，通过双天线阵列计算信号到达的方向，从而减少信标的数量㊁提升检测距离的精度，并提供方向信息，寻物品更加准确㊁方便㊂设计的防丢器功能主要有以下两种：第一种用途仅利用单个防丢器，防丢器以 标签 的形式附着于物品上㊂利用R S S I检测距离，融合A O A(到达角度测距)算法，最终得到防丢器相对手机的位置(方向与距离)信息，还可灵活设定报警的区域㊂第二种用途需要利用多个防丢器，此时防丢器以 桩 的形式固定下来，用于精确获取手机相对防丢器的位置信息，构成 围 住手机的 电子围栏 ㊂1蓝牙定位技术介绍 1.1R S S I定位
传统蓝牙定位技术将信标功率数据与实际接收信号强度指示(R S S I)进行比较，通过值差估计位置㊂以R S S I (接收信号强度指示)估计设备方向需要安装多少个信标
才能估计设备的方向㊂
1.2A O A定位
A O A技术以接收器和发射器为基础㊂例如将一个多天线线性数组的设备作为接收器，另一个单天线的设备作为发射器，假设无线电波是平面波面而非球形㊂如果在空中发送正弦波的发射器位于与数组线垂直的法线，则数组中的每个天线将接收相同相位的输入信号㊂如果发射器不在法线，则接收天线将测量信道之间的相位差，利用相位差信息估算到达角度[1]㊂
已知两天线位置d㊁b e a c o n信号频率(即波长)可以计算出b e a c o n信号与天线之间的相位差θ，计算出b e a c o n 信号的角度信息(方向)㊂然而上述方法只能确定发射器和接收器之间的角度方向信息，无法得到两者的距离㊂
通过计算目标发射信号到达A P(A c c e s s P o i n t)的角
度，根据到达的角度可以推测出以接收器为起点的射线斜率，射线必定经过目标点，由两个或者两个以上的接收器便可以得到目标的位置
[2]
，仍然需要两个或两个以上接收
器才能确定目标的距离信息㊂
2 单个防丢器工作设计
2.1 系统工作流程
采用单个防丢器可以定位防丢器相对于手机的位置，防丢器移动，手机不动㊂智能蓝牙防丢器系统由防丢器与手机A P P 端组成，其中防丢器附于物品之上，手机A P P
端由使用者随身携带㊂工作流程如图1所示
㊂
图1 系统工作流程图
防丢器相邻的天线信号馈入点之间的距离不大于1/2的蓝牙波长，则可以保证多根天线接收到的信号在同一个波长周期内
[2]
㊂防丢器的蓝牙天线阵列将所接收到
的蓝牙信号通过信号馈入点馈入巴伦转换电路，最后变成差分信号进入蓝牙芯片(C C 2640R 2L )，将各个天线的蓝牙信号转换为各天线所接收到的信号相位与信号角度等信号参数，并且利用模块上的加速度传感器得到防丢器当前的加速度信息，将上述数据统一打包回传给手机A P P 端㊂
手机A P P 端开启广播模式,
周期广播蓝牙信号，与手机在一定距离范围内的防丢器开启扫描模式，蓝牙天线阵列每根天线根据预定的天线切换周期来确认是否工作，天线切换周期与手机A P P 端的发射信号周期相符，即可以看作多根天线 同时 接收到蓝牙信号㊂由于防丢器采用双天线阵列，利用天线接收到信号到达之间的相位差，由蓝牙芯片C C 2640R 2L 在估算信号到达角度的基础上计算得到信号的到达方向㊂
2.2 手机A P P 端功能设计
手机A P P 端是基于A n d r o i d 10.0及更高版本的操作
系统所设计的，利用E c l i p
s e I D E 开发㊂蓝牙防丢A P K 安装在智能手机上，点击防丢器程序将弹出启动蓝牙请求接
口[3]乳液聚合
，点击允许进行蓝牙连接㊂
手机A P P 端界面内设置相应的防丢距离和防丢器的
报警方式，如振动报警㊁声光报警(蜂鸣器)㊂手机和防丢器之间的相对距离超出警戒范围，立即双向报警，即这时防丢器按照手机预设的方式进行报警，同时手机上也出现
相应的报警信息[
4]
㊂在防丢器与手机建立通信后，若子机在设定的防丢距
离范围内，子机定时(自主设定)向主机发出蓝牙数据(自身定位角度和加速度信息㊁R S S I )，手机A P P 端可以用来
绘制当前设备的运动轨迹曲线等信息，实时显示防丢器当前相对手机的方向和距离㊂
2.3 防丢器低功耗设计
由加速度传感器判断出防丢器长时间处于静止时，则系统进入低功耗状态，可由手机远程唤醒㊁模块自身按键㊁模块运动唤醒㊂该防丢器模块主要有三种唤醒方式用于实现模块的低功耗㊂
①运动唤醒:
当加速度传感器单元检测到位置改变超过预设的阈值时使能低功耗唤醒引脚，使蓝牙模块进入
工作状态㊂
②远程唤醒：当天线接收到指定格式的信号时，唤醒内部蓝牙模块，使模块进入工作状态㊂
③按键唤醒:
长按防丢器上的按键3~4s ，由蓝牙芯片内部定时器计时溢出触发模块进入正常工作状态㊂
2.4 灵活设定报警范围区域
可在手机内自主设定一定角度的范围来决定报警区域㊂如图2所示，利用A O A 算法设定防丢器正常工作在以手机为中心θ1+θ2范围内,
超出该范围，则进行报警㊂其中θ1㊁θ2是根据手机发送蓝牙信号到防丢器接收端后接收端计算信号到达的角度所得到
㊂
图2 防丢器相对手机位置示意图
3 多个防丢器协同工作设计
使用多个防丢器是用来精确定位手机相对防丢器
(桩)的位置，防丢器不动，手机移动㊂
3.1 位置的精确描述
在二维平面上，如图3所示，天线阵列通过算法计算
出发送信号到达接收天线的角度，信号到达两个接入点A P 的角度分别为α1和α2,A P 的接入点位置已知为(x 1,y 1)
㊁(x 2,y 2)，目标坐标位置未知，设为(x ,y )，则根据三角函数可知:
t a n α1=
y-y 1
x -x 1
t a n α2=
y-y 2x -x 2
x =
x 1t a n α1-x 2t a n α2-y 1+y 2
t a n α1-t a n α2
y=x 1t a n α1-x 2t a n α2-y 1+y 2
t a n α1-t a n α2
*t a n α2+y
1
图3
高频电子水处理器
两个防丢器相对手机位置示意图
图6 天线阵列开关切换电路图
3.2 电子围栏功能
可由多个防丢器协同构成 电子围栏 ，限定主机的工
作范围，固定防丢器1㊁2㊁3的位置，使得两两距离保持恒定，即为r 1㊁r 2㊁r 3,
利用手机发送蓝牙信号到三个防丢器，得到相应的A O A 角度信息，结合已知的r 1㊁r 2㊁r 3距离信息，
利用相关算法精确得到手机在以该 电子围栏 为中心的精确方向㊁距离信息，可以限定手机只能工作在三个防丢器围成的区域内部㊂多个防丢器构成的电子围栏示意图如图4所示㊂
4 智能蓝牙防丢器硬件设计
4.1 防丢器设计总体框图
防丢器硬件设计框图如图5所示㊂
后藤美帆4.2 天线阵列分布与开关切换模块
无线阵列开关切换电路图如图6所示㊂采用两
组图4
电子围栏示意图
图5 防丢器硬件设计框图
天线，相邻的天线信号馈入点之间的距离不大于1/2的蓝牙波长，共线排列㊂为了测量B L E 广播信号的入射角，需要两个或多个共线天线，以便可以在每个天线上测量接收
信号的相位，然后计算角度㊂使用了两个偶极子天线和一个采用单刀双掷(S P D T )控制阻抗射频开关在两个天线之间进行切换㊂部件R 1和C 15以及R 2和C 1各自在两个控制输入上创建一个低通滤波器单刀双掷射频开关，确保控制信号上的任何噪声不会导致开关抖动㊂
另外，设计了两个四分之一波偶极子P C B 天线来测
量到达角(A O A )㊂偶极子测量30.8mm 宽,
两个天线之间的间隙设置为4.2mm ㊂四分之一波偶极子在这种设计中需要天线来保证两个天线的相位中心小于一半彼此
之间的波长距离㊂在这种情况下，天线的中心距为
35mm ，远低于2.4MH z 波长(62.5mm )
的一半㊂4.3 电源管理电路
电路供电采用单节或多节总容量在2000m A h 以上
的大容量聚合物锂电池㊂电源管理芯片L D O 型号为
T P S 7B 8233Q 1，在输出100m A 电流情况下最大压降为
350m V ，因此输出电压的3.3V 加上L D O 的压降
350m V 以及反向串联的正向二极管压降1.0V ,
模块最小输入电压为4.65V ㊂L D O 被配置始终为工作模式,srcpan
以允许系统从B L E 消息中唤醒㊂
4.4 振动报警电路
振动报警电路采用A l l e g r o M i c r o S y
s t e m s A 1442无刷直流B L D C 电机驱动器,
当防丢器离开电子围栏所设置的最大距离时，蓝牙芯片发送控制信号驱动扁平型马达运转振动并且触发闪灯报警操作㊂设计电路中采用了0.1μF 的电容器,
游艇门
热轧镀锌最大程度降低在切换电源时电感负载产生的电压峰值㊂
4.5 加速度传感器电路
L I S 3D H 三轴加速度传感器通过I 2
C 数字接口与蓝
牙芯片进行通信[5]
㊂防丢器处于静止状态时，用来指示蓝
牙芯片进入低功耗休眠模式㊂防丢器运动时，指示蓝牙芯片与手机(主机)建立连接，发送x ㊁y ㊁z 轴加速度信息给手机，可以用来计算步数㊂当然也可以配合蓝牙芯片利用A O A 算法得到的位置信息，在手机A P P 端绘制被测物体
运动轨迹曲线㊂
5 结 语
本文利用T I 公司的C C 2640R 2L 蓝牙芯片设计了一
个基于B L E 5.1标准的智能蓝牙防丢器㊂在传统R S S I 测距基础上融合A O A 测距算法，增加了方向探测功能且能够灵活设置报警的区域㊂如果采用多个防丢器设备定位,
就可以得到蓝牙发送设备的位置，构成 电子围栏 ㊂同时将传统的M C U 加蓝牙模块方案替换为集成度更高的专
用蓝牙芯片，并且提出三种低功耗唤醒模式㊂此外，还设计了移动端A P P ，通过移动端A P P 与蓝牙防丢器完成数据交互，可实现实时查看防丢器位置信息㊁双向寻㊁断线报警㊁紧急报警㊁位置追踪等功能，为贵重物品㊁儿童㊁宠物防丢及追踪提供了保障
㊂
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贾灵(高级工程师)，主要研究方向为嵌入式软硬件技术㊁物联网通信技术㊁物联网应用系统㊂通信作者：贾灵,252109052@q q
.c o m ㊂(责任编辑：薛士然
收稿日期:2020-12-28
) 相机,
该系统具有重量较轻㊁覆盖全面㊁作业效率高等优势㊂经过飞行实测，各视角航空摄影C MO S 相机同步触发精度可达0.1m s ，图像重叠率达80%,
旁向总视场角可达122ʎ，分辨率可达0.04m ,
连续拍摄工作时间可达1.5h
㊂该型五拼倾斜相机集成五台高清相机，分别从垂直和
侧视方向拍摄，经过后期处理形成三
维立体图，广泛应用于抢险救灾㊁国土安全㊁城市管理等领域㊂
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赵利娟(中级工程师)，主要研究方向为机载光电载荷应用技术㊂通信作者：赵利娟,l i j
u a n z h a o 123@126.c o m ㊂(责任编辑：薛士然 收稿日期:2021-03-01
)
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