一种基于超宽带室内定位技术的智能背景音乐系统

1.本发明涉及智能音乐控制领域，尤其涉及一种基于超宽带室内定位技术的智能背景音乐系统。


背景技术：

2.近年来，越来越多的手机、手环等穿戴设备内置了超宽带芯片，超宽带技术的应用场景也将随之增加。以往的物联网智能家居设备，通常需要配合操控面板与用户交互，或是通过手机应用进行远程控制，例如智能灯、智能空调、智能音箱。这些解决方案实现了设备联网和简化了使用步骤，但是不够智能，仍需要用户主动进行操作。
3.在室外环境中，gps定位系统和北斗卫星导航系统都能够提供良好的定位服务，但却难以将它们应用于高精度的室内定位中。因此，实现高精度的室内定位，需要一个可靠的室内定位解决方案。近些年，市场上出现的室内定位产品大多应用于室内导航领域，使用场景都是在医院、酒店、购物中心等大型公共场所。这些场景的共同特点是面积大，在实现室内导航时不需要很高的定位精度，只需指明大至的方向即可。室内定位技术有很多的种类，如用wi-fi、蓝牙、zigbee、rfid、红外、超声波等技术实现的定位，由于受各自技术特性的影响，这些室内定位技术的综合定位性能均不高。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于超宽带室内定位技术的智能背景音乐系统，以克服上述技术问题。
5.一种基于超宽带室内定位技术的智能背景音乐系统，包括超宽带室内定位模块、播放设备选择模块、音乐控制模块、终端控制模块、播放设备分布模块，
6.超宽带室内定位模块用于确定用户所在位置，包括在室内设置定位基站、由用户携带定位标签，定位基站与定位标签通过超宽带进行无线通信，根据超宽带三边定位算法计算用户位置，根据时间周期、用户位置生成移动路线，将移动路线反馈至播放设备选择模块，当用户数量多于一时，生成不同用户的移动路线集合，将所述移动路线集合反馈至播放设备选择模块；
7.播放设备选择模块用于根据超宽带室内定位模块采集到的移动路线或移动路线集合选择需控制的音乐播放设备集合，包括计算移动路线或移动路线集合中用户位置与音乐播放设备的距离，当距离小于阈值时，将音乐播放设备的编号存储在音乐播放设备集合中；
8.音乐控制模块用于获取播放设备选择模块所选择的音乐播放设备集合，对所述音乐播放设备集合进行协同控制，具体为分别将暂停、播放、音量加、音量减、上一曲、下一曲的控制指令传输至音乐播放设备集合中的全部音乐播放设备，音乐播放设备执行控制指令；
9.终端控制模块用于用户在终端设备上手动控制音乐播放设备进行播放；
10.播放设备分布模块用于在不同的房间安装不同数量的音乐播放设备，根据音乐播放设备的位置进行编号。
11.优选地，所述系统还包括信息采集模块、环境舒适度控制模块，信息采集模块用于在室内安装温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器，分别获取温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器的数据，环境舒适度控制模块用于根据传感器数据、用户位置对空调、灯光进行智能控制。
12.优选地，所述对音乐播放设备集合进行协同控制还包括比较相邻时间周期内的音乐播放设备集合，当前一周期的音乐播放设备在后一周期的音乐播放设备集合中没有出现时，则逐渐调低所述音乐播放设备的音量直到暂停播放，当后一周期的音乐播放设备在前一周期的音乐播放设备集合中没有出现时，将所述音乐播放设备的音量逐渐调高。
13.本发明提供一种基于超宽带室内定位技术的智能背景音乐系统，实现了高精度室内定位、音乐同步跟随播放以及家居设备智能控制。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是本发明智能背景音乐系统结构图；
16.图2是本发明twr测距原理图；
17.图3是本发明三边定位算法原理图；
18.图4是本发明定位模块基站布置示意图。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.图1为本发明智能背景音乐系统结构图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：
21.一种基于超宽带室内定位技术的智能背景音乐系统，包括超宽带室内定位模块、播放设备选择模块、音乐控制模块、终端控制模块、播放设备分布模块。
22.超宽带室内定位模块用于确定用户所在位置，包括在室内设置定位基站、由用户携带定位标签，定位基站与定位标签通过超宽带进行无线通信，根据超宽带三边定位算法计算用户位置，根据时间周期、用户位置生成移动路线，将移动路线反馈至播放设备选择模块，当用户数量多于一时，生成不同用户的移动路线集合，将所述移动路线集合反馈至播放设备选择模块。
23.超宽带技术(uwb)是一种无线载波通信技术。基于超宽带技术可以实现高精度室内定位，拥有定位范围广、穿透能力强、定位速度快、多径分辨率高、发射功率低和保密性高等显著优势。超宽带室内定位模块由多个室内定位基站和定位标签组成，其核心为dwm1000
超宽带射频芯片，采用双向测距算法(two-way-ranging)和三边定位算法(toa)实现室内定位。
24.双向测距又叫twr，是一种基于uwb超宽带的测距方法，测距是定位前的重要一步，有了多个uwb模块之间的距离测量值，才能通过计算实现对物体的定位。其原理如下：
25.测距开始，节点a发出测距数据包1，节点b接收后返回一个响应，响应包括ack1 测距数据包2，节点b从接收数据包到响应所需的时间为t2，节点a从发送数据包到接收到数据包的所需的时间为t1，节点a再次发送ack2到节点b所需的时间为t4，节点b再次接收到ack2所需的时间为t5，节点a接收到这个响应后进行解算，即完成一次测距。节点a和节点b发送数据和接收数据时都会将时间戳记录下来，数据包交换后通过相减时间戳，就可以得到传输时间差，即飞行时间(tof)，有了飞行时间，再将其与光速c相乘，即得到节点a和节点b之间的距离。twr测距的原理图，如图2所示。
26.由原理图，可得：
27.t1＝2*tof t2ꢀꢀꢀ
(1)
28.t5＝2*tof t4ꢀꢀꢀꢀ
(2)
29.t1 t4＝t2 t5ꢀꢀꢀꢀ
(3)
30.将式子整理可得：
[0031][0032]
最后将tof乘以c(光速)得到的即为两节点之间的距离。
[0033]
超宽带三边定位算法最少只需要三个基站即可实现定位。目前，在众多定位技术中，基于到达时间的三边定位算法不但具有较高的定位精度，还具有成本低、实时性高等特点，其原理如下。
[0034]
在同一高度上有三个定位基站和一个定位标签，基站之间互不共线，通过twr测距得各个到基站到标签x的距离(twr测距原理已在上文中说明)。以基站为圆心，测距值为半径画圆，三个圆将拟合交于一点，，这就是标签x的定位位置，即为定位坐标。该算法原理图，如图3所示，其中，1、2、3分别表示三个圆，r1、r2、r3分别表示三个圆的半径。
[0035]
在获得距离值和基站坐标等数据后就可以开始解算，根据数据列出三个圆的标准方程，方程如下。
[0036][0037][0038][0039]
对公式(5)、(6)、(7)联立后线性化，解开得到线性方程组，即算出标签x的二维坐标。
[0040]
本实施例采用三基站一标签的模式，a基站为主基站，b基站、c基站为辅基站。定位时，a基站先与b基站、c基站连接，发送定位命令，然后各定位基站分别与定位标签进行交换，测定之间的距离，然后b基站、c基站将距离数据发送给a基站，a基站在进行解析计算后生成定位数据，最后再通过zigbee无线传输模块将定位数据发送给超宽带室内定位模块。定位模块基站布置示意图，如图4所示。
[0041]
主基站在收到超宽带室内定位模块的设置信息和开始测距的指令后进入测距模式。主基站会先向定位标签发送一个包(inform)，开启接收，等待标签回应(poll)。在接收到poll包后，根据设定好的延时再发送resp包，然后开启接收。主基站成功接收到定位标签发来的final包后，会向辅基站依次发送距离回送请求包(request)，然后开启接收，等待辅基站送的reply包。接收到辅基站的reply包后进行解算，获取本次该辅基站的测距值。在主基站获取完所有的辅基站测距值后，开始判断测距值的有效性，若有效，则根据测距值和基站坐标解算出定位标签的坐标，即完成了一次定位。最后主基站再通过zigbee无线通信模块将定位坐标发送给超宽带室内定位模块。
[0042]
辅基站上电后将一直处于监听的状态，根据接收到的不同命令包来做不同的动作。当辅基站接收到主基站发来的inform包时进入定位模式，开始等待接收标签发来的poll包。当接收到poll包后，辅基站将根据设定的延时时间发送resp包，并等待接收标签发来的final包以计算测距值。计算出测距值后，等待主基站发来的request包以回送本次测距值reply包。在每个房间的四周设置多个超宽带定位基站，以提高定位精度。正常情况下每个房间至少设置3个基站，面积小的厕所或是很窄的走廊可设置小于3个。
[0043]
播放设备选择模块用于根据超宽带室内定位模块采集到的移动路线或移动路线集合选择需控制的音乐播放设备集合，包括计算移动路线或移动路线集合中用户位置与音乐播放设备的距离，当距离小于阈值时，将音乐播放设备的编号存储在音乐播放设备集合中。
[0044]
音乐控制模块用于获取播放设备选择模块所选择的音乐播放设备集合，对所述音乐播放设备集合进行协同控制，具体为分别将暂停、播放、音量加、音量减、上一曲、下一曲的控制指令传输至音乐播放设备集合中的全部音乐播放设备，音乐播放设备执行控制指令；对音乐播放设备集合进行协同控制还包括比较相邻时间周期内的音乐播放设备集合，当前一周期的音乐播放设备在后一周期的音乐播放设备集合中没有出现时，则逐渐调低所述音乐播放设备的音量直到暂停播放，当后一周期的音乐播放设备在前一周期的音乐播放设备集合中没有出现时，将所述音乐播放设备的音量逐渐调高。
[0045]
终端控制模块用于用户在终端设备上手动控制音乐播放设备进行播放；
[0046]
播放设备分布模块用于在不同的房间安装不同数量的音乐播放设备，根据音乐播放设备的位置进行编号。一个房间内不一定只有一个音箱，系统可以控制房间内的多个音箱。比如家庭装修中，一个房间常设置多个吸顶音箱。当音箱数量足够多时才能实现音乐跟随，用户的体验是音乐一直跟随在自己的四周，而不是从一个地方传来。所以系统控制的是n个房间的m个音箱，且m》n，而不是简单的控制不同房间的音箱工作。
[0047]
所述系统还包括信息采集模块、环境舒适度控制模块，信息采集模块用于在室内安装温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器，分别获取温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器的数据，环境舒适度控制模块用于根据传感器数据、用户位置对空调、灯光进行智能控制。在本实施例中，用户不需要手动控制家居设备，系统会根据用户实时位置、光照强度、温湿度信息，智能控制各个房间的灯、空调、音箱协同工作，比如在室内温度过高时，自动控制空调实现温度调节的工作；当室内湿度过高，则驱动除湿器进行除湿工作；当室内湿度过低，则驱动加湿器进行除湿工作，直至室内湿度保持在舒适范围内为止。所述系统可以应用在家庭中，用于在音乐播放时实现对家庭成员的同步跟随，实现智能家居。
[0048]
整体的有益效果：本发明提供了一种基于超宽带室内定位技术的智能背景音乐系统，实现了高精度室内定位、音乐同步跟随播放以及家居设备智能控制。
[0049]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。