本發(fā)明涉及無線通信和室內(nèi)定位領(lǐng)域，具體的說是一種基于區(qū)域定位判別算法的藍(lán)牙自助導(dǎo)游裝置。
背景技術(shù)：
：隨著人們生活的富足，旅游已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪幸环N較為常見的的娛樂放松方式。一直以來，博物館和科技館等文化傳播基地的是人們旅游的熱門地點(diǎn)，而在博物館和科技館里，一定的講解必不可少。傳統(tǒng)的講解方式以導(dǎo)游人工口述為主，但導(dǎo)游人數(shù)有限且人工解說成本較高。為了滿足游客的導(dǎo)游需求和出于節(jié)約人力的考慮，開發(fā)自助導(dǎo)游裝置是一種合理的解決方案。目前，部分博物館已經(jīng)開始逐步使用自動(dòng)解說器來替代人工講解。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的解說器大多需要人手工按鍵控制，并不能實(shí)現(xiàn)完全意義上的自動(dòng)解說，因此在提倡智能化、自動(dòng)化的今天并不能讓滿足實(shí)際需求。低功耗藍(lán)牙技術(shù)是藍(lán)牙技術(shù)的最新版本，即藍(lán)牙4.0，是藍(lán)牙3.0的升級(jí)版本，該技術(shù)擁有極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗，并且成本低，有較好的設(shè)備交互性，可以實(shí)現(xiàn)完全的向下兼容，將傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)、高速技術(shù)和低功耗技術(shù)結(jié)合為一體。室內(nèi)定位常用的算法包括有到達(dá)時(shí)間(TimeofArrival，簡稱TOA)定位算法，到達(dá)時(shí)間差(TimeDifferenceofArrival)定位算法和基于接收強(qiáng)度指示符(ReceivedSignalStrengthIdentification，RSSI)的定位算法等，將測(cè)量的度量值轉(zhuǎn)換為距離或方位?；赗SSI的定位算法的基本原理是，發(fā)送端廣播藍(lán)牙信號(hào)，在距離發(fā)送端距離d0的接收端接收到發(fā)送端的信號(hào)時(shí)，根據(jù)無線信號(hào)中的接收強(qiáng)度指示符，得到距離d時(shí)的RSSI，距離d和d0的RSSI，可以式(1)轉(zhuǎn)換得出發(fā)送端與接收端的距離：p(d)dBm=p(d0)dBm-10nlg(dd0)+XdBm---(1)]]>三邊定位測(cè)量算法的基本原理是基于RSSI信號(hào)強(qiáng)度指示符，選擇三個(gè)或三個(gè)以上的廣播信號(hào)參考點(diǎn)，根據(jù)參考點(diǎn)的坐標(biāo)和接收端接收到的每個(gè)廣播參考點(diǎn)RSSI和坐標(biāo)解算出接收點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)。三邊定位算法提出年代久遠(yuǎn)，根據(jù)RSSI定位精度偏低，難以適用在展點(diǎn)分辨要求較高，實(shí)時(shí)識(shí)別游客精確展點(diǎn)的自助導(dǎo)游系統(tǒng)之中。尤其是在展點(diǎn)的邊緣處的定位，誤差較大，難以精確對(duì)游客位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的識(shí)別。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種基于區(qū)域定位判別算法的藍(lán)牙自助導(dǎo)游裝置，以解決現(xiàn)有電子導(dǎo)游設(shè)備智能度低，定位識(shí)別不精確，成本較高的問題，并自動(dòng)確定游客的位置信息，根據(jù)游客位置的變化，提供及時(shí)的導(dǎo)游信息，從而實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化的自助導(dǎo)游服務(wù)。本發(fā)明為解決技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案：本發(fā)明一種基于區(qū)域定位判別算法的藍(lán)牙自助導(dǎo)游裝置的特點(diǎn)是應(yīng)用于由n個(gè)展位構(gòu)成的一個(gè)展區(qū)中；以所述展區(qū)的外接矩形的一個(gè)頂點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)O，將所述原點(diǎn)O的兩條鄰邊分別設(shè)置為X軸和Y軸，從而構(gòu)成坐標(biāo)系XOY；所述藍(lán)牙自助導(dǎo)游裝置包括：m×n個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備和游客佩戴的便攜導(dǎo)游設(shè)備；m≥3；在每個(gè)展位內(nèi)布置m個(gè)所述藍(lán)牙廣播設(shè)備；所述便攜設(shè)備包括：藍(lán)牙收發(fā)單元、音頻解碼單元、音頻存儲(chǔ)單元、處理器；在所述坐標(biāo)系XOY中，所述藍(lán)牙收發(fā)單元接收到任意展位內(nèi)的藍(lán)牙廣播設(shè)備發(fā)送的藍(lán)牙信號(hào)并傳遞給所述處理器；所述藍(lán)牙信號(hào)包括：藍(lán)牙廣播設(shè)備的坐標(biāo)、設(shè)備標(biāo)識(shí)和信號(hào)強(qiáng)度；所述處理器通過三邊定位測(cè)量算法對(duì)所述藍(lán)牙信號(hào)進(jìn)行定位處理，得到便攜設(shè)備所在的坐標(biāo)；并根據(jù)所述便攜設(shè)備所在的坐標(biāo)確定相應(yīng)的展位；當(dāng)所述便攜設(shè)備所在展位處于多展位交接區(qū)域時(shí)，再利用區(qū)域定位判別算法對(duì)藍(lán)牙信號(hào)進(jìn)行判斷，得到所述便攜設(shè)備所在的精確展位；所述處理器根據(jù)便攜設(shè)備所在的精確展位從所述音頻存儲(chǔ)單元中讀取相應(yīng)展位的解說音頻信息并利用所述音頻解碼單元進(jìn)行解碼后播報(bào)；從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙自助導(dǎo)游功能。本發(fā)明所述的基于區(qū)域定位判別算法的藍(lán)牙自助導(dǎo)游裝置的特點(diǎn)也在于：所述區(qū)域定位判別算法是按如下步驟進(jìn)行：步驟1、將所接收到的藍(lán)牙信號(hào)，記為X＝{X1,X2,…,Xi,…,XI}；Xi表示第i個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備發(fā)送的藍(lán)牙信號(hào)；1≤i≤I≤m×n；并有：Xi＝{Di,Mi,RSSIi}；Di＝(xi,yi)表示第i個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備的坐標(biāo)；Mi由展位號(hào)與MAC地址組成，表示第i個(gè)設(shè)備標(biāo)識(shí)；RSSIi表示第i個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度；步驟2、判斷I個(gè)設(shè)備標(biāo)識(shí){M1,M2，…,Mi，…,MI}各自所在的展位并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將展位內(nèi)的設(shè)備標(biāo)識(shí)唯一最多的展位作為便攜設(shè)備所在的精確展位；若展位內(nèi)的設(shè)備標(biāo)識(shí)數(shù)量相同，則表示所述便攜設(shè)備處于多展位交接區(qū)，并執(zhí)行步驟3；步驟3、將設(shè)備標(biāo)識(shí)數(shù)量相同的展位各自所包含的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行降序排序，并組成一個(gè)二維數(shù)組；數(shù)組的行向量為每個(gè)展位自身所有的信號(hào)強(qiáng)度；數(shù)組的列向量為不同展位各自的信號(hào)強(qiáng)度；依次比較數(shù)組中的列向量；直到選出列向量中信號(hào)強(qiáng)度的最大值所在的展位作為所述便攜設(shè)備的精確展位；若無法選出，則表示所述便攜設(shè)備處于相應(yīng)展位的交界點(diǎn)。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：1、本發(fā)明由游客佩戴的輕量級(jí)便攜導(dǎo)游設(shè)備和覆蓋展區(qū)的多個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備構(gòu)成，采用了低功耗藍(lán)牙技術(shù)(BluetoothLowEnergy,BLE)、三邊定位測(cè)量算法(TrilaterationAlgorithm)和區(qū)域定位判別算法，為自助導(dǎo)游裝置提供展點(diǎn)定位和精確的展點(diǎn)識(shí)別功能。2、本發(fā)明運(yùn)行精簡智能?，F(xiàn)有的電子導(dǎo)游設(shè)備大多需要游客在離開展點(diǎn)時(shí)進(jìn)行手動(dòng)更換導(dǎo)游信息，這樣就在游覽的過程中增加了許多不便，當(dāng)游客在一個(gè)展點(diǎn)忘記打開更換，就會(huì)導(dǎo)致游客的游覽體驗(yàn)下降。本發(fā)明只需要佩戴導(dǎo)游裝置，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別展點(diǎn)，并實(shí)時(shí)向游客進(jìn)行導(dǎo)游語音播報(bào)，運(yùn)行精簡智能。3、本發(fā)明構(gòu)建成本低廉。相較于傳統(tǒng)的電子導(dǎo)游設(shè)備，省去了運(yùn)營管理的成本，一旦將設(shè)備布置好了之后直接帶上就可以自動(dòng)播報(bào)導(dǎo)游語音，省去了人工運(yùn)行的成本，節(jié)約了導(dǎo)游人力。4、本發(fā)明定位精確。相對(duì)于傳統(tǒng)的室內(nèi)定位方法，本發(fā)明采用了在三邊定位測(cè)量算法的基礎(chǔ)上結(jié)合了區(qū)域判別算法，減少了在多展點(diǎn)邊緣結(jié)合處出現(xiàn)的定位誤差，使定位和區(qū)域判別更精確。5、本發(fā)明體積小能耗低。采用低功耗藍(lán)牙技術(shù)，能耗是傳統(tǒng)藍(lán)牙的十分之一，而且可以更快速地搜索到設(shè)備的藍(lán)牙信號(hào)。同時(shí)，硬件設(shè)計(jì)采用極小的貼片式電子元件節(jié)省了體積。6、本發(fā)明抗干擾能力強(qiáng)。低功耗藍(lán)牙技術(shù)支持自適應(yīng)跳頻，可以最大程度地減少和其他2.4GhzISM無線技術(shù)的串?dāng)_，有較強(qiáng)的健壯性，所有數(shù)據(jù)包都使用24-bitCRC校驗(yàn)，確保最大程度抵御外界信號(hào)干擾。以上這些特性可以使采用低功耗藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備以適應(yīng)惡劣的無線環(huán)境，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸和定位的功能。附圖說明圖1為本發(fā)明藍(lán)牙自助導(dǎo)游裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明三邊測(cè)量定位算法的原理圖；圖3為本發(fā)明展區(qū)按展點(diǎn)劃分示意圖；圖4為本發(fā)明區(qū)域判別算法的一種情況原理圖；圖5為本發(fā)明區(qū)域判別算法的另一種情況原理圖；圖6為本發(fā)明區(qū)域判別算法的第三種情況原理圖；圖7為本發(fā)明導(dǎo)游裝置工作流程圖；圖8為本發(fā)明導(dǎo)游裝置硬件原理圖。具體實(shí)施方式本實(shí)施例中，一種基于區(qū)域定位判別算法的藍(lán)牙自助導(dǎo)游裝置，是應(yīng)用于由n個(gè)展位構(gòu)成的一個(gè)展區(qū)中；以展區(qū)的外接矩形的一個(gè)頂點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)O，將原點(diǎn)O的兩條鄰邊分別設(shè)置為X軸和Y軸，從而構(gòu)成坐標(biāo)系XOY；將展區(qū)按坐標(biāo)劃分成n個(gè)展位，每個(gè)展位都有對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)系XOY的坐標(biāo)區(qū)間；藍(lán)牙自助導(dǎo)游裝置包括：m×n個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備和游客佩戴的便攜導(dǎo)游設(shè)備；m≥3；參見圖1和圖7，游客佩戴導(dǎo)游裝置進(jìn)入展位時(shí)，便攜裝置接收到藍(lán)牙廣播設(shè)備的設(shè)備標(biāo)識(shí)、坐標(biāo)信息和信號(hào)強(qiáng)度RSSI，之后通過三邊定位測(cè)量算法和區(qū)域判別算法判別游客所處的精確展位，如果游客停留在展位則使硬件處理器播報(bào)導(dǎo)游語音信息。當(dāng)游客離開展點(diǎn)的進(jìn)入下一個(gè)展點(diǎn)的時(shí)候，重復(fù)上述過程。在本實(shí)施例中，同一個(gè)展位內(nèi)放置的藍(lán)牙廣播設(shè)備數(shù)量m＝3，如圖3所示。在每個(gè)展位內(nèi)布置m個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備，由于每個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備的標(biāo)識(shí)具有唯一性，用于與特定的展位ID相對(duì)應(yīng)，用以判別所處展位；如圖8所示硬件原理圖，便攜設(shè)備包括：藍(lán)牙收發(fā)單元、音頻解碼單元、音頻存儲(chǔ)單元、處理器等單元，同時(shí)硬件部分還設(shè)計(jì)有穩(wěn)壓模塊保障硬件部分的供電電壓的穩(wěn)定性，提升系統(tǒng)的安全性。；由m個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備構(gòu)建覆蓋展區(qū)的藍(lán)牙廣播信號(hào)，當(dāng)開啟藍(lán)牙廣播設(shè)備后，進(jìn)入工作狀態(tài)，廣播設(shè)備以一定的時(shí)間間隔，向其有效輻射范圍內(nèi)，廣播藍(lán)牙信號(hào)。在展區(qū)坐標(biāo)系XOY中，便攜設(shè)備的藍(lán)牙收發(fā)單元接收到任意展位內(nèi)的藍(lán)牙廣播設(shè)備發(fā)送的藍(lán)牙信號(hào)并傳遞給所述處理器；藍(lán)牙信號(hào)包括：藍(lán)牙廣播設(shè)備的坐標(biāo)、設(shè)備標(biāo)識(shí)和信號(hào)強(qiáng)度；藍(lán)牙廣播設(shè)備的坐標(biāo)信息用于三邊定位測(cè)量算法來計(jì)算便攜設(shè)備的坐標(biāo)，設(shè)備標(biāo)識(shí)信息和信號(hào)強(qiáng)度用于區(qū)域定位判別算法，判斷便攜設(shè)備的精確展位。當(dāng)同一個(gè)展位內(nèi)放置的藍(lán)牙廣播設(shè)備數(shù)量m＝3，處理器通過三邊定位測(cè)量算法對(duì)藍(lán)牙信號(hào)進(jìn)行定位處理，根據(jù)無線信號(hào)接收強(qiáng)度指示符RSSI，通過式(2)轉(zhuǎn)換得出藍(lán)牙廣播設(shè)備與便攜設(shè)備的距離：p(d)dBm=p(d0)dBm-10nlg(dd0)+XdBm---(2)]]>為了便于表達(dá)，取d0為1m,于是可得式(3)：p(d)dBm＝A-10nlg(d)，把p(d)dBm寫成RSSI的形式得到RSSIN＝A-10nlg(dN)，其中A為相距1m時(shí)便攜設(shè)備接收到的無線信號(hào)強(qiáng)度RSSI的值，n為環(huán)境干擾系數(shù)。如圖2所示，D為便攜設(shè)備所在的位置，A、B、C、是接收到的來自展位的三個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備，Dx1Dy1表示A廣播設(shè)備的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，d1表示由公式RSSIN＝A-10nlg(dN)計(jì)算而來的藍(lán)牙廣播設(shè)備到便攜設(shè)備的距離。2、3表示接收到的來自B、C個(gè)廣播設(shè)備的信號(hào)；d2d3表示由式(3)轉(zhuǎn)化得到的B、C兩點(diǎn)到便攜設(shè)備的距離。圖2中還給出了環(huán)境干擾系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。構(gòu)建方程組如下：該方程為非線性方程組，簡化后可得線性方程組AX＝b，其中X＝[x,y]T；A=2(Dx1-Dxn)2(Dy1-Dyn)2(Dx2-Dxn)2(Dy2-Dyn)......2(Dxn-1-Dxn)2(Dyn-1-Dyn)b=x12-xn2+y12-yn2+dn2-d12...xn-12-xn2+yn-12-yn2+dn2-d12]]>解算游客的坐標(biāo)[x,y]。根據(jù)便攜設(shè)備所在的坐標(biāo)確定相應(yīng)的展位；當(dāng)便攜設(shè)備所在展位處于多展位交接區(qū)域時(shí)，三邊定位測(cè)量算法的計(jì)算結(jié)果可能存在誤差，導(dǎo)致定位得到的展位出現(xiàn)錯(cuò)誤，在這種情況下，利用區(qū)域定位判別算法對(duì)藍(lán)牙信號(hào)進(jìn)行判斷，得到便攜設(shè)備所在的精確展位；處理器根據(jù)便攜設(shè)備所在的精確展位從音頻存儲(chǔ)單元中讀取相應(yīng)展位的解說音頻信息并利用音頻解碼單元進(jìn)行解碼后播報(bào)；從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙自助導(dǎo)游功能。具體實(shí)施中，區(qū)域定位判別算法是按如下步驟進(jìn)行：步驟1、將便攜設(shè)備所接收到的藍(lán)牙信號(hào)集合，記為X＝{X1,X2,…,Xi,…,XI}；Xi表示第i個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備發(fā)送的藍(lán)牙信號(hào)；1≤i≤I≤m×n；藍(lán)牙廣播設(shè)備發(fā)送的信號(hào)內(nèi)容用符號(hào)標(biāo)識(shí)來表示：Xi＝{Di,Mi,RSSIi}；Di＝(xi,yi)表示第i個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備的坐標(biāo)；Mi由展位號(hào)與MAC地址組成，表示第i個(gè)設(shè)備標(biāo)識(shí)；RSSIi表示第i個(gè)藍(lán)牙廣播設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度；其中藍(lán)牙廣播設(shè)備的坐標(biāo)Di用于三邊定位測(cè)量算法，RSSIi經(jīng)由式(2)可以計(jì)算的到藍(lán)牙廣播設(shè)備到便攜設(shè)備的距離，設(shè)備標(biāo)識(shí)Mi用于區(qū)域定位判別算法，用以識(shí)別便攜設(shè)備所在的精確展位。步驟2、判斷I個(gè)設(shè)備標(biāo)識(shí){M1,M2，…,Mi，…,MI}各自所在的展位并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將展位內(nèi)的設(shè)備標(biāo)識(shí)唯一最多的展位，即接收到來自同一展位發(fā)送的藍(lán)牙廣播設(shè)備數(shù)量最多，作為便攜設(shè)備所在的精確展位；若展位內(nèi)的設(shè)備標(biāo)識(shí)數(shù)量相同，則表示便攜設(shè)備處于多展位交接區(qū)，并執(zhí)行步驟3；由步驟2可知，當(dāng)便攜設(shè)備接收到來自多個(gè)展位的藍(lán)牙廣播設(shè)備信號(hào)時(shí)，若接收到的來自某一展位的廣播設(shè)備信號(hào)數(shù)量最多時(shí)，結(jié)合三邊定位測(cè)量算法求得的坐標(biāo)，若坐標(biāo)處于數(shù)量最多的展位的坐標(biāo)區(qū)間，則判斷便攜設(shè)備處于該展位。如圖4所示，便攜設(shè)備接收到來自第一個(gè)展位的設(shè)備標(biāo)識(shí)M1,M2,M3,接收到第二個(gè)展位的設(shè)備標(biāo)識(shí)M4,M5，接收到的第三個(gè)展位的設(shè)備標(biāo)識(shí)M6，此時(shí)將接收到的廣播設(shè)備信號(hào)數(shù)量最多的第一個(gè)展位作為精確展位。步驟3、將設(shè)備標(biāo)識(shí)數(shù)量相同的展位各自所包含的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行降序排序，并組成一個(gè)二維數(shù)組；數(shù)組的行向量為每個(gè)展位自身所有的信號(hào)強(qiáng)度；數(shù)組的列向量為不同展位各自的信號(hào)強(qiáng)度；依次比較數(shù)組中的列向量；直到選出列向量中信號(hào)強(qiáng)度的最大值所在的展位作為便攜設(shè)備的精確展位；若無法選出，則表示便攜設(shè)備處于相應(yīng)展位的交界點(diǎn)。由步驟3可知，區(qū)域定位判別算法是對(duì)三邊定位測(cè)量算法存在的定位誤差進(jìn)行糾正，當(dāng)便攜設(shè)備接收到來自不同展位的藍(lán)牙廣播信號(hào)，若其中兩個(gè)數(shù)量相同，同時(shí)三邊定位測(cè)量算法測(cè)算出的坐標(biāo)處于有誤差的坐標(biāo)區(qū)間，這時(shí)，按來自同一展位將信號(hào)強(qiáng)度降序排序，并按展位的不同排成數(shù)組，并按從大到小的順序依次比較。取信號(hào)強(qiáng)度最大的藍(lán)牙廣播設(shè)備所在的展位作為精確展位。若每個(gè)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)依次都相等，則判定處于多個(gè)展位的交接處。如圖5、圖6所示，在圖5中，便攜設(shè)備雖然可以接收到來自第一和第二個(gè)展位的三個(gè)廣播信號(hào)，根據(jù)區(qū)域定位判別算法所示，將信號(hào)強(qiáng)度排序后，來自第一個(gè)展位的最大信號(hào)強(qiáng)度RSSI1比較于來自第二個(gè)展位的最大信號(hào)強(qiáng)度RSSI2要大，則認(rèn)為便攜設(shè)備處于第一展位。在圖6中來自第一展位和第二展位的三個(gè)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)相等，此時(shí)，認(rèn)為處于兩個(gè)展位的交界處。當(dāng)前第1頁1 2 3