区域监控系统的制作方法

本发明是关于一种区域监控系统，特别是应用于无线通讯技术的区域监控系统。

背景技术：

现代社会根基于工业发展，工厂作业环境与原物料生产场所等作业场域往往具有潜在职灾伤害的风险，以矿坑为作业场域为例，矿产区多位于地下深处，作业人员可能遭受有害气体泄漏或矿坑崩塌等风险，以工厂的厂房为作业场域为例，作业人员可能遭受机具伤害或厂房的易燃物引发火灾等风险，除作业人员之外，作业场域中的机具、货物亦具极高的资产价值，因此，作业场域对于安全性要求很高，为将作业场域造成灾害的风险降低，人员与物的监控、灾害发生时的救援、应变导引乃至于坑内空气品质的侦测皆具必要性。

然而，由于作业场域可能环境较为复杂，例如矿区因坑道特性而具有屏障与矿物金属干扰问题，或是工厂厂区较广且厂区中的作业人员及货物的数量庞大，习知的无线通讯技术例如使用无偿费用频段的Wi-Fi、Zigbee或蓝芽，因其通讯距离较短，且容易受场域环境因素干扰而通讯品质不佳，难以实现作业场域整区布建而无法形成一个有效率的网络监控架构。而使用收费频段的3G、4G、5G等通讯技术需对各个收发装置支付通讯费用，大量布建成本高昂。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种区域监控系统。

在一些实施例中，区域监控系统适用于监控一监控区域中的至少一标的，区域监控系统包含定位单元、侦测单元、网关及服务器。定位单元用以根据各标的的位置进行扩频处理以发射一定位信号，其中定位信号包含识别码，并且定位信号的识别码互不相同；侦测单元侦测监控区域的一环境信息，并将环境信息进行扩频处理以发射一环境信号；网关连线于定位单元及侦测单元，网关接收并转发定位信号及环境信号；服务器连线于网关以接收定位信号及环境信号，并根据一地理信息系统取得监控区域的一地理信息，服务器根据定位信号、环境信号及地理信息以产生图形化界面以显示各标的的位置及环境信息。

在一些实施例中，前述网关经由长距离无线传输技术通讯连线于侦测单元及定位单元。

在一些实施例中，前述的区域监控系统，更包含生理感测单元，以获取各标的的一生理信息，并将生理信息进行扩频处理以发射一生理信号，网关接收并转发生理信号至服务器，服务器更根据生理信号产生图形化界面以显示各标的的生命状态。

在一些实施例中，前述监控区域包含一工作区域与一非工作区域，区域监控系统更包含一照明系统设置于工作区域与工作区域，照明系统耦接于一开关电路，服务器根据定位信号发出控制信号以控制开关电路关闭非工作区域中的照明系统，且开启工作区域中的照明系统。

在一些实施例中，前述侦测单元选自气体侦测器、烟雾侦测器、温度侦测器、震动侦测器、亮度侦测器、音量侦测器与湿度侦测器，环境信息选自特定气体浓度信息、烟雾信息、温度信息、震动信息、亮度信息、音量信息与湿度信息。

在一些实施例中，前述服务器更用以分析定位信号及环境信号以判断是否发生一异常事件，当异常事件发生时，服务器发出一警告信号并根据异常事件产生一导引信息显示于图形化界面。

在一些实施例中，前述区域监控系统，更包含一个人移动装置连线于服务器，服务器更用以将警告信号发送至个人移动装置以显示警告信号。

在一些实施例中，前述服务器更将图形化界面发送至个人移动装置以显示图形化界面。

在一些实施例中，前述服务器更用以根据定位信号计算识别码的数量，且判断识别码的数量是否等于一预设数量，当识别码的数量不等于预设数量时，服务器发出一警告信号。

在一些实施例中，前述定位单元包含时钟产生器及信号发射模块，前述网关包含另一时钟产生器，定位单元的时钟产生器及网关的另一时钟产生器产生一实时时钟信号，信号发射模块根据实时时钟信号于一发射时间发射定位信号，网关根据实时时钟信号于一接收时间接收定位信号，服务器更用以根据下式计算定位单元与网关之间的一第一估算距离d：

d＝c×t；

其中，c代表定位信号自定位单元至网关之间的传递速度，t代表发射时间与接收时间的时间差，且服务器以类神经网络演算法根据第一估算距离d、网关接收的定位信号的信号强度对应的第二估算距离、网关接收的定位信号的信噪比对应的第三估算距离及网关与定位单元之间的实际距离训练网关与定位单元之间的距离误差，以产生网关与定位单元之间的第四估算距离。

在一些实施例中，其中前述定位单元、侦测单元及网关之间的通讯品质根据下式来决定：

α₁P1×α₂P2^-1×α₃P3^-1×α₄P4^-1

其中，α₁、α₂、α₃、α₄表示权重，P1代表网关与定位单元及侦测单元之间的一每单位时间的封包成功率、P2代表网关与定位单元及侦测单元之间的一每单位时间的总封包次数、P3代表网关与定位单元及侦测单元之间的一每单位时间的失败封包次数，及P4代表网关与定位单元及侦测单元之间的一每单位时间的成功封包最长耗时，每单位时间的封包成功率、每单位时间的总封包次数、每单位时间的失败封包次数及每单位时间的成功封包最长耗时相应于网关的每单位时间的数据传送量、网关的每单位时间的数据接收量、网关的每单位时间的发射功率、定位单元的每单位时间的数据传送量、定位单元的每单位时间的数据接收量、定位单元的每单位时间的发射功率、定位单元的每单位时间的休眠时间、侦测单元的每单位时间的数据传送量、侦测单元的每单位时间的数据接收量、侦测单元的每单位时间的发射功率及侦测单元的每单位时间的休眠时间。

综上所述，根据本发明的区域监控系统的一实施例，定位单元及侦测单元在具金属物质及高磁场等环境复杂的作业区域中亦可有效将数据传送至网关而具出色的抗干扰性；并且，服务器根据定位信号、环境信号及监控区域的地理信息后所产生的图形化界面可供管理者直觉明了监控区域内人员状态及监控区域的空间信息，如此一来，可提升人员于监控区域的作业安全，进而降低职业灾害。

附图说明

图1为根据本发明的监控系统的一实施例的装置示意图。

图2为图1的服务器使用的类神经网络演算法的示意图。

图3为图1的定位单元及生理感测单元使用于标的的示意图。

图4为图1的服务器产生的图形化界面的一实施例的示意图。

【符号说明】

10 定位单元

11 侦测单元

12 网关

13 服务器

14 个人移动装置

15 网络

16 生理感测单元

N1 输入层

N11～N19 神经元

N2 隐藏层

N21～N23 神经元

N3 输出层

N31～N34 神经元

具体实施方式

图1为根据本发明的监控系统的一实施例的装置示意图，揭露一区域监控系统，适用于监控一监控区域中的至少一标的。请参阅图1，区域监控统包含定位单元10、侦测单元11、网关(gateway)12以及服务器13，定位单元10及侦测单元11经由无线通讯的方式连线于网关12，网关12经由网络15无线连接于服务器13。在一些实施态样中，标的可为真人、机器人、动物、货物、运输工具等可移动的物体。

值得说明的是，图1中定位单元10、侦测单元11、网关12及服务器13的数量仅为示意，定位单元10、侦测单元11、网关12及服务器13的数量可为一个、两个甚至超过三个，设计者可根据监控系统的建置范围来设计。

定位单元10一对一设置于标的，以定位各标的在监控区域中的位置。定位单元10根据标的的位置进行扩频处理以发射具封包形式且为宽频的定位信号至网关12。其中，前述的扩频处理可为直接序列(direct-sequence)扩频或随机序列(random-sequence)扩频。

定位单元10所发送的定位信号具识别码(ID)，于定位单元10发送定位信号之前，定位单元10将前述识别码填入定位信号的一封包栏位中，使定位信号包含前述识别码，且不同定位单元10所发射的定位信号具不同的识别码，以区别各标的；在实作上，识别码可包含硬件地址(MAC地址)、定位单元10的装置发射码(Device ID)或其他专属于定位单元10的编码(Unique Identification Number；UID)，或是由使用者自行设定的码。

侦测单元11设置于监控区域中，以侦测监控区域的环境信息。侦测单元11对前述环境信息进行扩频处理以将环境信息转换为具封包形式且为宽频的环境信号，且侦测单元11将环境信号进行发射以无线发送至网关12，而前述的扩频处理亦可为直接序列扩频或随机序列扩频。在一些实施态样中，侦测单元11选自气体侦测器、温度侦测器、震动侦测器、亮度侦测器、音量侦测器与湿度侦测器，而环境信息选自特定气体浓度信息、温度信息、震动信息、亮度信息、音量信息与湿度信息。

在实作上，定位单元10及侦测单元11包含至少一个扩频码码片(chip)，以产生宽频的定位信号及环境信号，且定位单元10及侦测单元11可通过付费频段或免费频段(以台湾为例，免费的频段可为920MHz频段)来发射。再者，定位单元10及侦测单元11经由长距离无线传输技术(Long Range)通讯连线于服务器13，定位单元10及侦测单元11包含长距离无线传输芯片(例如Samtech LoRa芯片)而具低功耗，定位信号及环境信号可传输距离达10km以上，且其感度(sensitivity)可达至少-130.5dBm。

网关12连接于定位单元10及侦测单元11，网关12接收定位信号及环境信号并转发至服务器13。其中，网关12对定位信号及环境信号进行解调后再经由网络15转发至服务器13。在实作上，网关12可藉由移动通讯技术例如3G、3.5G、4G移动通讯技术连线至网络15。并且，以前述的定位单元10及侦测单元11包含长距离无线传输芯片为例，网关12亦包含长距离无线传输芯片，以对定位信号及环境信号进行解调；于此，因长距离无线传输芯片的传输特性，网关12与定位单元10之间的距离位于100m至10km的范围间，且网关12与侦测单元11之间的距离位于100m至10km的范围间。设计者可根据区域监控系统的建置区域来调整，举例来说，若区域监控系统建置于复杂作业场域或建筑物密集的都会区，网关12与定位单元10及侦测单元11之间的距离位于100m至2km的范围间，若区域监控系统建置于建筑物密度一般的都会区，网关12与定位单元10及侦测单元11之间的距离位于3km至5km的范围间，若区域监控系统建置于郊区时，网关12与定位单元10及侦测单元11之间的距离位于5km至10km的范围间。

服务器13经由网络15连线于网关12，以接收定位信号及环境信号，并根据地理信息系统(Geographic Information System；GIS)取得监控区域的地理信息，服务器13根据定位信号、环境信号及监控区域的地理信息以产生图形化界面来显示各标的的位置状态及环境信息。再者，服务器13储存并分析定位信号及环境信号来判断监控区域中是否发生异常事件。在一些实施态样中，服务器13可为搭载有运算能力的中央处理器(Central Processing Unit；CPU)、微控制器(Micro Control Unit；MCU)或微处理器(Micro Processing Unit；MPU)的个人计算机或工业计算机(Industrial PC；IPC)。

在本实施例中，服务器13更可计算定位单元10与网关12之间的相对距离，服务器13以类神经网络演算法根据定位单元10与网关12之间的第一估算距离、网关12接收定位信号的信号强度对应产生的第二估算距离及网关12接收的定位信号的信噪比对应产生的第三估算距离来改善网关12与定位单元10之间的距离误差，以计算出网关12与定位单元10之间较第一估算距离、第二估算距离及第三估算距离更为精准的第四估算距离。于此，服务器根据公式1.4来计算前述的第一估算距离：

d＝c×t……公式1.1

其中，d代表第一估算距离，c代表定位信号自定位单元10至网关12之间已知的传递速度，t代表定位信号自定位单元10至网关12的时间差；在实作上，定位单元10及网关12分别包含一时钟产生器，用以产生一实时时钟(real-time clock；RTC)信号，两时钟产生器之间经过校正而产生可表示相同时间的实时时钟信号，且两时钟产生器于一预设时间间隔自动进行校正以产生实时时钟信号。定位单元10根据其时钟产生器产生的实时时钟信号将可表示发射时间的数位码填入定位信号的一封包栏位并进行发射，于网关12接收定位信号后，网关12根据其时钟产生器产生的实时时钟信号将可表示接收时间的数位码填入定位信号的另一封包栏位并进行发射，于服务器13接收定位信号后，服务器13根据定位信号的两封包栏位可计算出定位信号由定位单元10传送至网关12之间的时间差，服务器13再根据预先可测得的定位信号的传送速度即时计算出定位单元10与网关12之间的第一估算距离(即，d＝c×t)。

前述的网关12接收的定位信号的信号强度可为RSSI(Received Signal Strength Indicator)值，于网关12转发定位信号的前，网关12将侦测得定位信号的RSSI值填入定位信号的封包栏位；于服务器13自网关12接收定位信号后，服务器13可根据RSSI值与第二估算距离之间已知的对应关系来产生定位单元10与网关12之间的第二估算距离。

并且，前述的网关12接收的定位信号的信噪比可为SNR(Signal to noise ratio)值，于网关12转发定位信号的前，网关12将定位信号的SNR值填入定位信号的封包栏位；于服务器13自网关12接收定位信号后，服务器13可根据SNR值与第三估算距离之间已知的对应关系来产生定位单元10与网关12之间的第三估算距离。

基此，服务器13以前述的第一估算距离、由RSSI值对应产生的第二估算距离、由SNR值对应产生的第三估算距离来作为训练数据而提供给类神经网络演算法中位于输入层的神经元，以改善定位单元10与网关12之间的推估距离精度。并且，以定位单元10与网关12之间的实际距离与量测误差作为类神经网络演算法中位于输出层的神经元以作为目标值。类神经网络演算法中隐藏层的神经元连结于输出层及输入层的神经元的连结权重是根据前述目标值来调整，以进行反复校调，使连结权重收敛而产生第四距离。而前述的作为目标值的定位单元10与网关12之间的实际距离可经由人工量测而得。

图2为图1的服务器13使用的类神经网络演算法的示意图，请参照图2，其中隐藏层N2的数量不以一层为限，在其他实施态样中，隐藏层N2的数量亦可为两层以上，而输入层N1、隐藏层N2、输出层N3的神经元的数量可根据网关12的数量来调整。以服务器13根据至少三个网关12所接收的定位信号来计算同一定位单元10的位置为例，其中，于类神经网络演算法的三个神经元N11～N13分别接收三个网关12根据公式1.1所计算得的第一估算距离，神经元N14～N16接收三个网关12产生的三个RSSI值对应产生的三个第二估算距离，神经元N17～N19接收三个网关12产生的三个SNR对应产生的三个第三估算距离，输出层N3的神经元N31～N33的输出分别表示三个网关12与定位单元10之间的第四估算距离，神经元N34的输出表示前述距离的误差程度。于此，在区域监控系统运行数日后，服务器13汇整数日所得的多个定位单元10与多个网关12间的第一估算距离、第二估算距离及第三估算距离作为样本数据，服务器13取样本数据的一部分(例如，80％)反复训练各神经元N21～N23与其他神经元之间的连结权重，且服务器13取样本数据的另一部分(例如，20％)作为测试检验，当各神经元之间的连结权重收敛并通过测试检验后，服务器13根据输出层N3的神经元N31～N33分别输出的第四距离计算出定位单元10的位置，并显示于图形化界面，其精确度可达5公尺等级。

请重新参照图1，为方便监控区域的管理者更方便监控标的，区域监控系统可包含个人移动装置14，且其连线于网络15，服务器13可经由网络15将图形化界面传送至管理者所持有的个人移动装置14，个人移动装置14可为笔记本电脑、个人移动助理(Personal digital assistant；PDA)或手机。

在一些实施态样中，当标的为具生命的标的时，区域监控系统可包含生理感测单元16设置于各标的，以获取各标的的生理信息，并对获取得的生理信息进行扩频处理以产生具封包形式且为宽频的生理信号，且生理感测单元16将生理信号进行发射以发送至网关12，网关12将生理信号转发至服务器13；而服务器13更根据生理信号产生图形化界面以显示各标的的生命状态。生理感测单元16可为心跳感测装置、血压感测装置或体温感测装置，用以侦测各标的的心跳、血压或体温。

在实作上，服务器13根据下式调整网关12与定位单元10及侦测单元11之间的通讯品质：

ENE＝α₁P1×α₂P2^-1×α₃P3^-1×α₄P4^-1……公式1.2

其中，ENE代表网络层评估参数，α₁、α₂、α₃、α₄代表权重，各权重可依据区域监控系统建置场地的实务现况调整，P1代表网关12与定位单元10及侦测单元11之间的每单位时间的封包成功率、P2代表网关12与定位单元10及侦测单元11之间的每单位时间的总封包次数、P3代表网关12与定位单元10及侦测单元11之间的每单位时间的失败封包次数，及P4代表网关12与定位单元10及侦测单元11之间的每单位时间的成功封包最长耗时；而前述的每单位时间的封包成功率、每单位时间的总封包次数、每单位时间的失败封包次数及每单位时间的成功封包最长耗时相应于网关12的每单位时间的数据传送量、网关12的每单位时间的数据接收量、网关12的每单位时间的发射功率(以上三者简称为网关12的优化因子)、定位单元10的每单位时间的数据传送量、定位单元10的每单位时间的数据接收量、定位单元10的每单位时间的发射功率及定位单元10的每单位时间的休眠时间(以上四者简称为定位单元10的优化因子)、侦测单元11的每单位时间的数据传送量、侦测单元11的每单位时间的数据接收量、侦测单元11的每单位时间的发射功率及侦测单元11的每单位时间的休眠时间(以上四者简称为侦测单元11的优化因子)。

于此，设计者可调整定位单元10的优化因子、侦测单元11的优化因子与网关12的优化因子及不同的权重α₁、α₂、α₃、α₄的值来产生多个相应的网络层评估参数ENE，并且，服务器13再藉由公式1.3及公式1.4进行多次迭代群寻求网络层评估参数ENE的全域较佳解，进而找到前述的网关12的优化因子、定位单元10的优化因子以及侦测单元11的优化因子等11个优化因子的彼此值域的较佳组合。

V_i＝w×V_i-1+2×r₁×(pbest-X_i-1)+2×r₂×(gbest-X_i-1)……公式1.3

X_i＝X_i-1+V_i……公式1.4

在实作上，多组网络层评估参数ENE可视为一求解空间中的多个粒子，V_i表示第i个粒子的移动速度，V_i-1表示第i个粒子的前次迭代的移动速度，w表示惯性因子，r₁与r₂表示均匀分布的随机乱数，位于0至1的范围间，X_i-1表示第i个粒子的前次迭代的位移，pbest表示第i个粒子的最佳解，gbest表示所有粒子的最佳解，而X_i表示第i个粒子的前次迭代的位移。基此，经公式1.3及公式1.4多次迭代后，多组网络层评估参数ENE收敛于求解空间中的一点而可得较佳的网络层评估参数ENE。基此，服务器13于长时间运行后自动调整网关12的优化因子、定位单元10的优化因子以及侦测单元11的优化因子以改善网关12、定位单元10及侦测单元11之间的通讯品质。

在一些实施态样中，若监控区域的范围较大，监控系统更可包含至少一中继单元，中继单元连线于定位单元10与网关12之间，且连线于侦测单元11与网关12之间，且连线于生理感测单元16与网关12之间，而各中继单元与网关12之间的距离不同，如此一来，与网关12距离较远的中继单元可接收定位信号、环境信号及生理信号并转发至与网关12距离较近的另一中继单元，以将定位信号、环境信号及生理信号经由多重跳接(multi-hop)的方式传送至网关12。以前述的定位单元10及侦测单元11包含长距离无线传输芯片为例，中继单元亦包含长距离无线传输芯片，使信号传输距离达10km以上。

以下举例说明本实施例的具体实施态样，以监控区域为矿坑为例，但本发明不以此为限，监控区域亦可为工厂的大门口、电梯口、工作区域或建筑大楼等区域。图3为图1的定位单元10及生理感测单元16使用于标的的示意图，图4为图1的服务器13所产生的图形化界面的一实施例的示意图，请同时参照图3及图4，标的可为矿坑中的矿工，定位单元10一对一设置于矿工，如图3所示，定位单元10可结合于各矿工的安全帽、腰带或工作证，以定位各矿工的位置，且自每一矿工的定位信号的识别码可分别表示不同的矿工。并且，各矿工亦可穿戴有生理感测单元16，以获取各矿工的生理信号。具气体侦测器的侦测单元11可设置于矿坑中的水平矿道及垂直矿道中，并沿各矿道中的各路线配置，以侦测矿坑中各矿道的空气品质。

网关12可设置于矿坑外；服务器13可设置于矿坑外的管制中心。基此，服务器13可据以产生图形化界面，如图4所示，服务器13产生的图形化界面包含各矿工的位置及生命状态，在其他实施态样中，图形化界面亦可显示矿坑中的空气品质，使管理者可根据图形化界面掌握矿工及作业场域的环境信息。

服务器13分析生理信号、定位信号及环境信号以判断是否发生一异常事件，当异常事件发生时，举例来说，当其中一矿工的生理数据低于正常范围，或矿工的定位信号消失，或矿工非位于其工作岗位，或矿坑中一氧化碳的浓度大于临界值时，或服务器13根据来自每一矿工的定位信号的识别码计算识别码的数量后发现位于工作区域中的矿工数量大于或小于应有的预设数量时，服务器13产生警告信号且可显示于图形化界面，并同时将警告信号发送至个人移动装置14，即便管理者并未位于管制中心，管理者可藉由其持有的个人移动装置14来监控矿工，并接收警告信号以即时进行应变处理。

并且，当异常事件发生时，以矿坑内部崩塌毁坏而淹埋矿工为例，管理者可根据图形化界面显示的矿工的位置信息来推算矿工被淹埋的位置，若矿坑发生大规模崩塌导致矿工的定位信号消失时，服务器13可根据最后纪录的定位信号来推算人员被淹埋的位置，并根据矿坑的地理信息进行救难路径优化以产生导引信息。如图4所示，图形化界面包含救难路径的导引信息。在一些实施态样中，服务器13亦可搭配惯性导航演算法来推算矿工最大机率的所在信息。

进一步，矿坑中均具有照明系统，且照明系统耦接于开关电路，服务器13可根据定位单元10所产生的定位信号来控制矿坑中的照明系统，也就是说，在矿坑中包含工作区域与非工作区域，具矿工的区域为工作区域，不具矿工的区域则为非工作区域，服务器13根据定位信号来判断工作区域与非工作区域，服务器13发出控制信号至开关电路来关闭非工作区域中的照明系统，并开启工作区域中的照明系统。

再者，以前述的矿坑为例，标的亦可为矿坑中的台车，定位单元10可设置于台车上，基此，定位单元10所传送的定位信号可表示台车于矿坑中所在的位置，并显示于服务器13所产生的图形化界面，使管理者可据以监控台车的位置来管理台车的运行状况，当台车并非位于其工作区域时，管理者可即时进行处理。

综上所述，根据本发明的区域监控系统的一实施例，定位单元及侦测单元在具金属物质及高磁场等环境复杂的作业区域中亦可有效将数据传送至网关而具出色的抗干扰性；并且，服务器根据定位信号、环境信号及监控区域的地理信息后所产生的图形化界面可供管理者直觉明了监控区域内人员状态及监控区域的空间信息，如此一来，可提升人员于监控区域的作业安全，进而降低职业灾害。

虽然本发明已以实施例揭露如上然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。