定位系统的制作方法与工艺

文档序号:13108547
发明领域本发明涉及用于可移动物体或人的无线定位系统(诸如跟踪患者和/或资产在设施(诸如医院)中的位置的系统)、以及相应的方法。背景WO2004/051303A1公开了一种用于对区域(诸如举例而言建筑物或公路隧道中的空间)内的物体和/或生物进行监视和位置确定的方法和系统。该系统包括配备有超声接收器和无线电发射器的多个识别标签,该系统附连到必须监测的物体。识别标签接收超声信号,识别标签可测量超声信号的到达时间。该信息与识别标签的ID代码一起通过无线电波传送到中央单元,该中央单元计算识别标签中的每一个识别标签的位置。已知系统的缺点是,在识别标签处必须实现的处理相对复杂并且大量的数据可能必须从信标传送到标签,这进而导致在标签处的高能量消耗。本发明的实施例的目的是至少部分地克服这些缺点。发明概述根据本发明的一方面,提供了一种用于确定所监视区域中的识别标签的位置的方法,该方法包括:使用多个信标来广播信标消息,每一个信标消息包括与广播信标消息的相应信标相关的识别元素;在来自多个信标之中的第一组信标处接收来自识别标签的定位消息,标签已经接收来自多个信标消息之中的信标消息、从所接收信标消息提取识别元素、并且传送与识别元素相关的信息作为定位消息的一部分;在第一组信标处接收的定位消息的相应副本的特性的基础上进行标签的第一级定位;以及在与识别元素相关的信息的基础上进行标签的第二级定位。本发明特别基于发明人的以下见解:通过将基于所接收定位消息(即,标签消息)的信号特性的定位与基于地址的定位组合,定位过程可变得更加有效和更加准确。当识别标签广播包含附近(通常最近)信标的识别符的它的定位消息时,基于所接收信号特性的粗糙定位将定义传送标签必须存在的一般地带。同时,定位消息识别符中所包含的识别元素识别在始发的标签从其接收信标消息的所述一般地带内的单独信标。考虑到存在要监视的区域内的信标信号的传播的物理屏障,该区域可被认为由不重叠的单元组成,并且以上提及的对“一般地带”的识别可构成对识别标签存在于其中的单元的识别。在根据本发明的方法的实施例中,这些特性包括在第一组信标处接收的定位消息的相应副本的相关信号强度。本实施例利用通过开放空间中的点源所传送的信号(诸如无线电信号和声信号)的功率强度随着距离而降低的事实。如果吸收或反射屏障存在于发射器和接收器之间的路径中,该强度则甚至降低更多。因此,所接收信号强度形成合适的特性以估计发射器和相应接收器之间的相对距离。本实施例的优点是,它提供了一种非常有效且成本有效的方式来执行粗糙定位步骤。在根据本发明的方法的实施例中,将相同的识别元素分配给来自多个信标之中的不同信标,这些信标位于用于接收信标消息的相应范围不重叠的位置处。措辞“位于位置处”旨在表示旨在意指信标保持在此类位置处达根据本发明的方法的定位步骤的历时。具体地,信标可半永久地或永久地位于它们的位置处。具体地,信标可半永久地或永久地附连到建筑物的元素,诸如墙壁、天花板、门框、门、柱子等等。本实施例基于发明人的以下见解:如果该识别符在最初通过所接收信号特性的测量而识别的地带内是唯一的,标签则可借助于广告的信标识别符明确地向下定位到单独的信标。由此,通过将识别元素(地址)明智地分配给信标,考虑到要监视的区域的物理布局及其划分成单元,所需地址空间的总尺寸可减小。具体地,信标地址在信标消息可传播的物理空间(例如,单个房间或病房)内将只能必须是唯一的,因为在任何给定空间中,标签将只能够接收来自该空间内的信标消息。在根据本发明的方法的实施例中,信标消息作为超声消息传送。在建筑物环境内,超声波几乎完全被墙壁阻断(与电磁波相反)。因此,超声波是获取房间级定位精度的合适的信号类型。在根据本发明的方法的实施例中,定位消息作为射频消息传送。射频传送可用于有效地覆盖比超声传送长的范围。由此,定位消息可从标签传送到大量信标,这些信标不必在与标签相同的房间中。在实施例中,根据本发明的方法进一步包括:将与识别元素相关的信息连同与来自第一组信标的特性相关的信息一起传送到位置计算代理。本实施例的优点是,关于在不同信标处观察的所接收信号特性的信息对中央单元(优选集中管理系统的一部分)变得可用,该中央单元处理所接收信息以获取期望位置信息。由此,在单独信标处的处理可保持最少,这使得这些信标的成本保持下降。在特定实施例中,传送只在来自第一组信标之中的所选信标处发生,所选信标是识别元素对应于与识别元素相关的信息的那些信标。尽管定位消息通过识别标签物理地广播,但是不必需要接收它以将它中继到位置计算代理的所有信标。实际上,定位过程可在与定位消息单独指示的识别元素相匹配的信标处观察的所接收信号特性的基础上执行。由此,信标可将定位消息当作如果广告的识别元素对应于它们自己的识别元素(即,信标的“地址”)它们则仅仅中继的某种“目标广播”或“多播”信息。根据本发明的一方面,提供了一种包括被配置成使处理器执行如上所述的方法的代码手段的计算机程序产品。根据本发明的一方面,提供了一种包括至少一个识别标签和多个信标的系统;其中多个信标被配置成广播信标消息,每一个信标消息包括与广播信标消息的相应信标相关的识别元素;并且其中至少一个识别标签被适配成接收来自多个信标消息之中的信标消息,从所接收信标消息提取识别元素,并且传送与识别元素相关的信息作为定位消息的一部分;该系统进一步包括定位逻辑,该定位逻辑被配置成在第一组信标处接收的定位消息的相应副本的特性的基础上进行标签的第一级定位;并且在与识别元素相关的信息的基础上进行标签的第二级定位。在根据本发明的系统的实施例中,这些特性包括在第一组信标处接收的定位消息的相应副本的相关信号强度。在根据本发明的系统的实施例中,将相同的识别元素分配给来自多个信标之中的不同信标,这些信标位于用于接收信标消息的相应范围不重叠的位置处。在根据本发明的系统的实施例中,多个信标被适配成将信标消息作为超声消息传送。在根据本发明的系统的实施例中,至少一个识别标签被适配成将定位消息作为射频消息传送。在实施例中,根据本发明的系统进一步包括位置计算代理,其中多个信标被进一步配置成将与识别元素相关的信息连同与这些特性相关的信息一起传送到位置计算代理。根据本发明的计算机程序产品和系统的实施例的技术效果和优点使得必要的修改(mutatismutandis)对应于根据本发明的方法的对应实施例的那些必要修改。根据本发明的一方面,提供了一种用于安装如上所述的系统的方法,该方法包括:选择要监视的区域中的信标位置;将所选信标位置分组成单元以使信标消息无法跨越单元边界;将信标地址分配给所选信标位置,其中信标地址在这些单元内是唯一的;为这些单元中的每一个单元确定传送在该单元中出现的所有信标地址所需的最小地址字段尺寸;以及将信标定位在信标位置处,这些信标中的每一个信标被配置成传送与它所在的信标位置相关联的相应信标地址。该安装方法体系充分地利用本发明的特征以使信标消息中的地址字段的长度保持最小,由此使通信保持较短且最优地保存识别标签中的(电池)能量。附图简述本发明的实施例的这些以及其他特征和优点现在将参考附图更详细地描述,其中:图1图示地解说根据本发明的实施例的包括信标和标签的定位系统;图2提供根据本发明的实施例的方法的流程图;图3a-3c图示地解说表示本发明的实施例的步骤的顺序;以及图3a-3b与图3d组合图示地解说表示本发明的另一实施例的步骤的顺序。实施例的详细描述图1图示地解说根据本发明的实施例的包括信标和标签的定位系统。本文中所描述的定位系统的具体应用是在医院和其他机构中使用的无线护理呼叫系统,其中患者可四处移动而有可能没有完全意识到他们自己的准确位置。在适当的情况下,本发明将参考此类护理呼叫系统进行描述,而无意将本发明的范围限定于此类应用。在无线护理呼叫系统中的上下文中,开发高效的硬件和有效的通信协议是重要的目标,其中着眼于降低(电池)功耗、获取小的形状因子、并且使总成本保持尽可能地低。在优选的定位系统中,信标200被设置在遍布其中要监测移动物体或人的位置的区域的各个固定位置处。信标一般安装到墙壁、门、柱子等等。它们可具有包括显示器以及一个或多键的基本用户接口。信标发出被优选调制到超声信号上的识别元素。超声通信基于生成传播纵向声波的机电感应的振动。由于按照定义超声波处于在人的可听范围之外的频率范围,因此它们的使用对存在于所监视区域中的人没有妨碍。在建筑物环境内,超声波几乎完全被墙壁阻断(与电磁波相反)。因此,超声波是获取房间级定位精度的合适的信号类型。在附加处理的情况下,甚至可实现子房间级精度。然而,在本发明的上下文中,还有可能以其他的形式传送信标信号,诸如低功率RF信号。RF信号的功率优选以任何标签接收相邻房间中的此类信号的可能性实质上为零的方式计算。在又一替换方案中,信标信号可借助于磁感应通信来传送。为要监视的移动物体或人提供识别标签(在下文中也称为“标签”)100,这些标签包括信标200所发出的信号的接收器(即,在超声传送的情况下的超声接收器)。由于超声传送和接收过程的机电本质,这些过程消耗相对较大数量的电力。由于标签100将必须由电池供电以便足够移动并且优选甚至可佩带的,因此功耗是重要的顾虑。本发明的实施例的优点是,基于超声的标签系统中的总功耗可被降低,这导致标签的更长的操作自治期和/或更小的形状因子。在接收被编码在该(超声)信号中的信标识别元素之后,标签100将知晓它的位置(在能够识别最近的信标200的意义上)下降到房间级精度,而无需三角定位(triangulation)。标签100进一步包括通信装置以将经解码的信标识别元素与它自己的身份一起以定位消息的形式中继到中央监视系统。通信装置可包括被适配成将该信息无线地传递到信标(接收到其识别元素的相同信标和/或无线电范围内的另一信标)的射频(RF)发射器,该RF发射器进而优选地连接到允许它与集中管理系统300通信的有线或无线网络250。通过接收标签100的无线电信号所在的信标200观察的所接收信号的特性提供标签100的位置的另一线索。更具体地,定位消息将在若干信标200处接收,具有包括与距离有关的强度和延迟的不同物理特性。相应地,在相应信标处接收的信号的相关信号强度可用作对定位信号在哪里起源的指示。另外地或者替换地,关于在信标200处接收的定位消息信号的其他信息(诸如它们的到达时间)可用于实现识别标签100的定位。该定位步骤比基于超声的定位粗糙,因为具有典型性质的RF传送的范围(例如,在434MHz、2.4GHz或5GHz、或者SRD860频带处使用未授权的ISM频带中的法律准许的传送功率)将比超声传送的范围长,并且具体来说将不显著地受墙壁约束。在粗糙级别的基于RF的定位和在精细级别的基于超声的定位的组合允许蜂窝命名系统用于信标,即在超声信号中传送的信标身份只需要在具有重叠的超声通信范围的一组信标内是唯一的。这允许较短的“信标身份”字段用于通过超声信号传达的消息,这进而导致较低的平均数据速率以及由此在发射器(信标)和接收器(标签)处的较低功耗。该定位机制现在将参考图2中所提供的流程图更详细地描述。出于清楚的目的,该流程图解说左侧优选通过信标200实现的步骤(步骤2010、2020和2030)以及右侧通过标签100实现的步骤(步骤1010、1020、1030)。在底部示出的步骤(步骤3010、3020)优选通过集中管理系统300、更具体地通过存在于作为此类集中管理系统300的一部分的位置计算代理中的定位逻辑实现。在以下所述的实施例中,用于进行粗糙定位的所接收信号的特性将是RSSI;这是出于解说性目的而挑选的示例。在第一步骤中,所解说的方法包括:使用多个信标200来广播信标消息(2010),这些信标消息中的每一个信标消息包括与广播信标消息的相应信标相关的识别元素。识别元素用作传送的“源地址”。优选地,它由一个或更少的字节组成,以使整个消息长度可保持非常短。当通过识别标签100接收此类信标消息(1010)时,该标签将从所述所接收信标消息提取识别元素(1020),并且将与识别元素相关的信息作为它的定位消息的一部分传送(1030)。与识别元素相关的信息本身可以是完整的识别元素。如果根据分级寻址方案将识别元素分配给信标200,它在标签100包括它的定位消息中的识别元素的最低阶部分的情况下则可以是足够的。在后续步骤中,第一组信标接收来自识别标签100的定位消息(2020)。典型地,并非所有的信标200都充分地接近于标签100以能够物理地接收定位消息。的确接收定位消息的那些信标200将随着与距离有关的强度水平而这样做。由此,与给定定位消息相关联的所观察RSSI水平提供关于有问题的标签100与相应信标200的距离的信息。由于对RSSI信息的有用处理需要比较在不同信标处观察的RSSI,因此组装在集中点处的该信息是有利的,其中它可由位置计算代理处理。由此,信标200可被配置成将定位消息(或者它的相关部分)连同相关联的所观察RSSI一起中继到此类位置计算代理(2030)。在位置计算代理处,在所接收RSSI的基础上对传送定位消息的标签100进行定位(3010)。另外,可在定位消息中所引用的识别元素的基础上识别其信标消息触发有问题的定位消息的准确信标200(3020)。如以下将结合图3d所解释的,步骤3020可替换地借助于在单独信标200处滤波的消息来实现。图3a-3d表示根据本发明的方法的要监视的区域的示例性布局。在不损失一般性的情况下,示出三个相邻的单元,这些单元中的每一个单元包含三个信标200,这些信标在每一个单元中分配了相应识别元素“1”、“2”和“3”。在所解说的情况下且在不损失一般性的情况下,每一个信标200被安排成覆盖一个房间。信标200连接到骨干网250,该骨干网允许它们将消息传送到包括位置计算代理的集中管理系统300。单元边界被图示地示为实线。房间边界被图示地示为虚线。如清楚示出的,不同单元中的信标的相应地址空间(即,所分配识别元素集合)重叠。这可被允许,因为由于可接收信标消息的有限范围,标签100将不能使用任何给定识别元素接收来自一个以上的信标的信标消息。房间之间的物理屏障(墙壁)的存在减少了信标消息从一个房间传播到另一房间的可能性。所监视区域的一般布局是信标消息不从一个单元传播到另一单元。以此方式,地址空间可保持相对较小。如图3a所示,信标200最初优选借助于超声传送来传送它们的信标消息。尽管信标200被解说为同时传送,但是实际的传送可以交替的方式通过特别是在一个单元内进行时域复用来传送。如附图图示地示出的,超声传送具有短的范围,并且不跨越这些单元之间的边界。识别标签100被假设为存在于中间单元中。在任何给定时间,由于信标消息的有限传播范围和物理屏障的存在,标签100通常在仅一个信标200的传送范围中;在所解说的情况下,这是中间单元的信标“2”。在接收信标消息之后,识别标签100将从如上所述的信标消息提取识别元素“2”。如图3b所示,识别标签100随后将广播它的定位消息,包括识别元素“2”(或者表示识别元素“2”的其他信息)。该传送通常将借助于其范围可延伸超过单个单元的边界的无线电波而发生。在所解说的示例性情况下,定位消息由左侧单元中的信标“2”和“3”接收、由中间单元中的信标“1”、“2”和“3”接收、并且由右边单元中的信标“1”和“2”接收。在图3c中所解说的第一变体中,接收定位消息的所有前述信标200将该消息连同与该消息相关联的RSSI的指示一起传递。在比较RSSI信息之后,位置计算代理将注意到在中间单元的信标“1”、“2”和“3”处观察的RSSI高于任何其他信标的RSSI。相应地,传送标签的位置可被粗糙地确定为在中间单元中。同时,定位消息中所包括的识别元素“2”允许位置计算代理将传送标签的位置进一步缩小到被信标“2”的超声信号覆盖的区域。这完成了定位过程。在图3d中所解说的第二变体中,只有其识别元素对应于在定位消息中广告的那个识别元素的那些信标200将该消息连同与该消息相关联的RSSI的指示一起传递。在所解说的示例中,位置计算代理将只接收来自具有相应单元中的识别元素“2”的三个信标的RSSI信息。位置计算代理现在将比较与这些信标中的每一个信标相关联的RSSI,并且将传送标签的位置确定为被其中所观察RSSI最强的信标的超声信号覆盖的区域。本发明还涉及一种包括至少一个识别标签100和多个信标200的系统。多个信标200被配置成广播信标消息,每一个信标消息包括与广播信标消息的相应信标相关的识别元素。识别标签100被适配成接收来自这些信标消息之中的信标消息,从所接收信标消息提取识别元素,并且传送与识别元素相关的信息作为定位消息的一部分。该系统进一步包括定位逻辑300,该定位逻辑被配置成在第一组信标处接收的定位消息的相应副本的相关信号强度的基础上进行标签的第一级定位,并且在与识别元素相关的信息的基础上进行标签的第二级定位。该系统的操作和优点通过以上图1-3的描述来充分解释。在上文中描述的如涉及位置计算逻辑的功能可在专用硬件(例如,ASIC)、可配置硬件(例如,FPGA)、可编程组件(例如,DSP或者具有适当软件的通用处理器)、或者其任何组合中实现。相同的组件还可包括其他功能。本发明还涉及一种任选地存储在计算机可读介质上的计算机程序,包括被适配成使处理器实现以上所述的方法的代码手段。具体地,本发明涉及一种任选地存储在计算机可读介质上的计算机程序,包括被适配成使处理器执行步骤3010和3020(即,用作位置计算代理)的代码手段。本发明还涉及一种用于安装如上所述的系统的方法。该方法包括:选择要监视的区域中的信标位置;将所选信标位置分组成单元以使信标消息无法跨越单元边界;将信标地址分配给所选信标位置,其中信标地址在这些单元内是唯一的;为这些单元中的每一个单元确定传送在该单元中出现的所有信标地址所需的最小地址字段尺寸;以及将信标定位在信标位置处,这些信标中的每一个信标被配置成传送与它所在的信标位置相关联的相应信标地址。该方法允许安装者找到单元尺寸和传送效率之间的最优折衷。较大的单元将需要较大的地址空间,这导致较长的识别元素并且因此较长的消息传送。另一方面,较小的单元只能在物理环境可充分地阻止信标传送到达其他单元的情况下实现。根据本发明的此方面,地址空间的尺寸保持最小。任选地,地址空间的尺寸可在单元之间变化。尽管本发明在上文中参考具体实施例进行了描述,但是这是为了解说本发明而不限定本发明,其范围由所附权利要求定义。本领域技术人员将容易领会,除本文中所描述的那些特征之外的特征的不同组合是可能的,而不会脱离要求保护的本发明的范围。
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