本申请要求于2015年8月19日提交的标题为“确定用于定位的具有网状的特征的网络架构中的无线传感器节点的位置的系统和方法”的申请号为14/830,671的申请以及于2015年8月19日提交的标题为“确定具有网状的特征的树状网络架构中的无线传感器节点的位置的系统和方法”的申请号为14/830,668的申请的优先权，其通过引用整体并入本文。
本申请涉及于2015年1月27日提交的标题为“用于确定非对称网络架构中的无线传感器节点的位置的系统和方法”的申请号为14/607,050的申请以及于2015年8月19日提交的标题为“确定具有网状的特征的树状网络架构中的无线传感器节点的位置的系统和方法”的申请号为14/830,668的申请。
本发明的实施例涉及确定用于定位的具有网状的特征的网络架构中的无线传感器节点的位置的系统和方法。
背景技术：
在消费性电子产品和计算机行业中，无线传感器网络已经被研究很多年。在典型的无线传感器网络中，一个或多个传感器与无线电广播设备一起实施以能够实现无线采集来自网络内部署的一个或多个传感器节点的数据。每个传感器节点可以包括一个或多个传感器，并且将包括无线电广播设备以及用于为传感器节点的操作供电的电源。室内无线网络中节点的位置检测在许多应用中是有用的并且很重要。例如，在无线传感器网络中，位置知识可以将环境添加到感测数据。在一个示例中，在温度感测网络中的位置知识能够实现温度变化的映射。因此，期望能够实现检测无线网络中节点的位置的系统和方法。现有技术的无线定位系统通常通过测量节点之间的无线传输的飞行时间估计距离而进行操作。其它现有技术的无线定位系统还通过测量入射信号强度并使用该信息来估计发射节点和接收节点之间的距离而进行操作。然后，使用多个不同的节点对之间的各个距离通过三角测量来估计每个单独节点的相对位置。不幸的是，这个过程可能有几个问题。首先，在节点不经常发射并接收的低功率环境中，定位进程可能很慢或不可能；另一方面，快速、准确和稳定(robust)的定位由于需要传输重复的突发数据会消耗太多的功率。其次，在树状网络中，由于无法在节点对之间建立足够数量的路径长度，因此三角测量可能不可行。第三，在室内环境中，定位精度有限可能会阻止确定特定节点所在的具体房间；例如，现有的精度可能会阻止确定特定节点位于墙壁的哪一侧。
技术实现要素：
对于本发明的一个实施例，本文公开确定具有网状的特征的网络架构中的无线传感器节点的位置的系统和方法。
在一个示例中，用于提供无线网络架构的设备包括：存储器，其用于存储指令；一个或多个处理单元，其执行用于定位无线网络架构中的节点的指令；以及射频(rf)电路，其包括在无线网络架构中发射并接收通信的多个天线。rf电路向多个传感器节点发射通信以利用设备的rf电路在无线网络架构中实现双向通信，其中每个传感器节点具有带发射器和接收器的无线装置。一个或多个处理单元被配置成执行指令以使传感器节点在第一时间段内被配置成用于定位的第一网络架构，并且使用针对飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种的下列中的至少一种来确定至少两个节点的定位：频率信道重叠通信、频率信道步进通信、多信道宽带通信以及超宽带通信。一个或多个处理单元进一步被配置成执行指令以在完成定位时使无线网络架构被配置成具有窄带通信的第二网络架构。
在另一示例中，一种用于定位无线网络中的节点的计算机实现的方法包括利用集线器的处理逻辑部，使具有节点的无线网络在第一时间段内被配置成用于定位的第一网络架构。方法进一步包括利用集线器的处理逻辑部，使用针对飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种的下列中的至少一种来确定至少两个节点的定位：频率信道重叠通信、频率信道步进通信、多信道宽带通信以及超宽带通信。方法进一步包括在完成定位时利用集线器的处理逻辑部，使无线网络被配置在具有窄带通信的第二网络架构中。
在一个示例中，系统包括用于监控无线网络架构中传感器节点的集线器(hub)。集线器包括一个或多个处理单元以及用于在无线网络架构中发射并接收通信的rf电路。每个传感器节点都具有带发射器和接收器的无线装置以利用集线器在无线网络架构中实现双向通信。集线器的一个或多个处理单元执行指令以使系统配置有用于在集线器和传感器节点之间通信的树状架构，以检测至少一个传感器节点的范围或位置的变化，以将系统暂时配置成网状的架构来根据检测范围或位置的变化确定多个传感器节点的位置信息。
在另一示例中，一种用于定位无线网络中的节点的计算机实现的方法包括利用集线器的处理逻辑部，使具有节点的无线网络在一时间段内被配置成网状的网络架构。计算机实现的方法包括利用集线器的处理逻辑部，使用飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种确定至少两个节点的定位。在完成至少两个节点的定位后，如果发生任意飞行时间测量，则利用集线器的处理逻辑部来终止飞行时间测量。计算机实现的方法进一步包括在完成定位时利用集线器的处理逻辑部，使无线网络被配置成基于树的或树状网络架构。
本发明实施例的其它特征和优点从附图和根据附图和下面的详细描述将变得显而易见。
附图说明
本发明的实施例在附图中以示例而非限制的方式示出，其中相同的附图标记表示类似的元件，其中：
图1说明根据一个实施例的无线节点的示例性系统。
图2a示出根据一个实施例的能够实现网状的网络功能的主要具有树状网络架构的系统。
图2b示出根据一个实施例的能够实现网状的网络功能的主要具有树状网络架构的系统。
图3说明根据一个实施例的用于估计飞行时间的节点之间的发射信号和接收信号。
图4说明根据一个实施例的能够具有树状网络架构和网状网络架构的系统。
图5说明根据一个实施例的用于确定节点的位置的网络架构。
图6说明根据一个实施例的用于识别对象(例如，墙壁、地板等)的网络架构。
图7说明根据一个实施例的用于识别对象(例如，墙壁、地板等)的网络架构。
图8说明根据一个实施例的用于在检测到信号强度的变化时触发节点的位置估计的方法。
图9a说明根据一个实施例的使用信道步进来定位节点的图900。
图9b说明根据另一个实施例的使用信道重叠来定位节点的图972。
图9c说明根据另一个实施例的使用非顺序信道选择来定位节点的图974。
图9d说明根据另一个实施例的用于确定信道重叠的相位的图910。
图10说明根据一个实施例的通过同时使用多个信道来定位节点的图1000。
图11说明根据一个实施例的通过暂时使用超宽带来定位节点的图1100。
图12说明根据一个实施例的用于在检测到信号强度的变化时节点的位置估计的方法。
图13说明根据一个实施例的用于为无线非对称网络架构提供实现传感器定位的方法的流程图。
图14说明根据一个实施例的在设备(例如集线器)上的多个天线和多路径环境以实现传感器定位的使用。
图15说明根据一个实施例的每个集线器具有单个天线以实现定位的多个集线器的使用。
图16a示出根据一个实施例的被实施为用于电源插座的覆盖部800的集线器的示例性实施例。
图16b示出根据一个实施例的被实施为用于电源插座的覆盖部的集线器820的框图的分解图的示例性实施例。
图17a示出根据一个实施例的被实施为用于部署在计算机系统、电器或通信集线器中的卡的集线器的示例性实施例。
图17b示出根据一个实施例的被实施为用于部署在计算机系统、电器或通信集线器中的卡的集线器964的框图的示例性实施例。
图17c示出根据一个实施例的在电器(例如，智能洗衣机、智能电冰箱、智能恒温器、其它智能电器等)内实施的集线器的示例性实施例。
图17d示出根据一个实施例的在电器(例如，智能洗衣机、智能电冰箱、智能恒温器、其它智能电器等)内实施的集线器1684的框图的分解图的示例性实施例。
图18示出根据一个实施例的传感器节点的框图。
图19示出根据一个实施例的具有集线器的系统或电器1800的框图。
具体实施方式
本文公开确定具有网状的特征的树状网络架构中无线传感器节点的位置的系统和方法。在一个示例中，系统包括用于监控无线网络架构中传感器节点的集线器。集线器包括一个或多个处理单元以及用于在无线网络架构中发射并接收通信的rf电路。每个传感器节点都具有带发射器和接收器的无线装置以利用集线器在无线网络架构中实现双向通信。集线器的一个或多个处理单元执行指令以将系统配置成具有用于集线器和传感器节点之间通信的树状架构，以检测至少一个传感器节点的范围或位置的变化，并且将系统暂时配置成具有基于网的架构来根据检测范围或位置的变化确定多个传感器节点的位置信息。
本文公开确定至少部分用于定位的具有网状的特征的网络架构中无线传感器节点的位置的系统和方法。在一个示例中，用于提供无线网络架构的设备包括：存储器，其用于存储指令；一个或多个处理单元，其执行用于定位无线网络架构中的节点的指令；以及射频(rf)电路，其包括在无线网络架构中发射并接收通信的多个天线。rf电路向多个传感器节点发射通信以利用设备的rf电路在无线网络架构中实现双向通信，其中每个传感器节点具有带发射器和接收器的无线装置。一个或多个处理单元被配置成执行指令以使传感器节点被配置成在第一时间段内用于定位的第一网络架构，以使用针对飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种的下列中的至少一种来确定至少两个节点的定位：频率信道重叠通信、频率信道步进通信、多信道宽带通信以及超宽带通信。一个或多个处理单元进一步被配置成在完成定位时执行指令以使无线网络架构被配置成具有窄带通信的第二网络架构。
因此，需要定位系统和方法来实现在无线网络特别是室内环境中对节点的准确、低功率和情境感知定位。为此，室内环境也被假定为包括诸如在建筑物周围和其它结构的区域中等可能存在类似情况(例如，存在附近墙壁等)的近室内环境。
描述了在包括用于包括住宅、公寓、办公室和商业建筑物以及诸如停车场、走道和花园等附近外部位置的室内环境中使用的无线传感器网络。无线传感器网络还可以用于具有电源的任何类型的建筑物、结构、围墙、车辆、船等中。传感器系统为传感器节点提供良好的电池寿命，同时保持长距离通信。
本发明的实施例提供在室内环境中的用于定位检测的系统、设备和方法。具体而言，该系统、设备和方法在无线传感器网络中实现定位，该无线传感器网络在需要定位时主要使用树状网络结构来与定期的网状的特征通信来进行路径长度估计。无线传感器网络具有提高的定位精度，同时通过使用高频定位和低频通信提供良好的室内通信质量。本设计的无线传感器网络提高对墙壁和室内障碍物的检测，从而通过使用信号强度和飞行时间两者的组合能够实现对正确的房间环境的估计来估计墙壁和障碍物的存在。本设计的无线传感器网络利用诸如图像检测、磁光检测和照明检测以及无线定位的其它传感器模式，以提高定位的准确性和环境化。
本设计的无线传感器网络利用诸如由电力干线供电的电器的静止物体作为用于路径长度检测的节点中的一个或多个节点，以能够实现位置的有限估计。本设计的无线传感器网络通过利用周期性低能量信号强度估计以检测位置变化来节省定位能量，并且在检测到位置变化时，在需要时使用更高能量的基于全飞行时间的基于三角测量的估计来重新映射网络。本设计的无线传感器网络通过顺序地或一起地利用多个频率信道以改善信道质量来提高定位精度，从而能够实现更高的定位估计精度。本设计的无线传感器网络通过利用到达角度估计来改善定位精度以消除或减少由反射信号导致的虚假定位估计，其中到达角度估计通过在一个或多个节点上使用多个天线来实现。
树状无线传感器网络由于其与无线电信号接收功能部相关的减小的功率要求而对许多应用是有吸引力的。于2015年1月29日提交的申请号为14/607,045的美国专利申请、于2015年1月29日提交的申请号为14/607,047的美国专利申请、于2015年1月29日提交的申请号为14/607,048的美国专利申请、于2015年1月29日提交的申请号为14/607,050的美国专利申请以及于2015年1月29日提交的申请号为14/607,050的美国专利申请描述了示例性树状网络架构，这些专利申请通过引入整体并入本文。
经常使用的另一种类型无线网络是网状网络。在这个网络中，通信发生在一个或多个邻居之间，然后，可以使用多跳架构沿着网络传递信息。因为信息是通过较短的距离发送的，所以这可以用来减少传输功率要求。另一方面，因为接收无线电必须频繁接通以启用多跳通信方案，所以接收无线电功率需求可能会增加。
根据在无线网络中使用节点之间的信号的飞行时间，可以通过利用信号传播速度相对恒定的事实来估计无线网络中的各个节点对之间的距离。本网络架构的实施例实现测量多对路径长度并执行三角测量，然后估计三维空间中各个节点的相对位置。
图1说明根据一个实施例的无线节点的示例性系统。该示例性系统100包括无线节点110-116。节点与通信120-130(例如，节点标识信息、传感器数据、节点状态信息、同步信息、定位信息、用于无线传感器网络的其它此类信息、飞行时间(tof)通信等)双向通信。可以基于利用飞行时间测量来估计各对节点之间的路径长度。例如，节点110和节点111之间的单独的飞行时间测量可以通过在已知的时间从节点110向节点111发送信号来实现。节点111接收该信号、记录接收该通信120信号的时间戳，然后可以例如将返回信号连同发射返回信号的时间戳一起发送回a。节点110接收该信号并记录接收的时间戳。基于这两次发射和接收时间戳，可以估计节点110和111之间的平均飞行时间。可以在多个频率下重复这个过程多次以提高精度，并且消除或减少由于特定频率下信道质量差导致的性能下降。可以针对各种节点对通过重复该过程来估计一组路径长度。例如，在图1中，路径长度是tof150-160。然后，可以通过使用几何模型，根据类似三角测量的过程来估计单个节点的相对位置。
因为只能测量任意节点和集线器之间的路径长度，所以这种三角测量过程在树状网络中不可行。这限制了树状网络的定位能力。为了保留树状网络的能量利益同时实现定位，在本发明的一个实施例中，用于通信的树状网络与用于定位的网状网络功能组合。一旦利用网状网络功能完成定位，网络就会切换回树状通信，并且定期测量节点和集线器之间的飞行时间。如果这些飞行时间保持相对恒定，则假定网络节点没有移动，并且不会浪费尝试重新运行网状的定位的能量。另一方面，当检测到树状网络中路径长度的变化时，网络切换到网状的系统并重新进行三角测量以确定网络中每个节点的位置。
图2a示出根据一个实施例的能够实现网状网络功能的主要具有树状网络架构的系统。系统200主要具有用于标准通信(例如，节点标识信息、传感器数据、节点状态信息、同步信息、定位信息、用于无线传感器网络的其它此类信息、飞行时间(tof)通信等)的树状网络架构。系统200包括具有无线控制装置211的集线器210、具有无线装置221的传感器节点220、具有无线装置225的传感器节点224、具有无线装置229的传感器节点228、具有无线装置231的传感器节点230以及具有无线装置233的传感器节点232。未示出的附加集线器可以与集线器210或其它集线器通信。每个集线器与传感器节点220、224、228、230和232双向通信。集线器还被设计为与其它装置(例如，客户端装置、移动装置、平板装置、计算装置、智能电器、智能电视等)双向通信。
如果传感器节点仅具有与更高级别集线器或节点的上行通信并且不具有与另一集线器或节点的下行通信，则它是终端节点。每个无线装置都包括带有发射器和接收器(或收发器)的rf电路，以实现与集线器或其它传感器节点的双向通信。
在一个实施例中，集线器210与节点220、224、228、230和232通信。这些通信包括无线非对称网络架构中的双向通信240-244。具有无线控制装置7211的集线器被配置成向其它集线器发送通信并接收来自其它集线器的通信以用于控制并监控无线非对称网络架构。
图2b示出根据一个实施例的能够实现网状网络功能的主要具有树状网络架构的系统。系统250根据被触发的阈值标准(例如，至少一个节点移动一定距离、节点和集线器之间的路径长度变化一定距离)建立网状网络架构来确定集线器和传感器节点的位置。系统250包括诸如图2a的集线器210和节点220、224、228、230和232的类似部件。集线器210包括无线装置211、传感器节点220包括无线装置221、传感器节点224包括无线装置225、传感器节点228包括无线装置229，传感器节点230包括无线装置231，传感器节点232包括无线装置233。未示出的附加集线器可以与集线器210或其它集线器通信。集线器210与传感器节点220、224、228、230和232双向通信。
在一个实施例中，集线器210与节点220、224、228、230和232通信。这些通信包括无线非对称网络架构中的双向通信240-244。传感器节点根据通信261-266彼此双向通信以提供用于确定集线器和传感器节点的位置的网状功能。
估计飞行时间可以几种方式来实现。在第一实施例中，使用关于发射信号和接收信号的零交叉来估计飞行时间。图3说明根据一个实施例的用于估计飞行时间的节点之间的发射信号和接收信号。在这个系统中，位置的精度受到信号频率的限制。较高的频率提供更精细的零交叉时间粒度，从而实现飞行时间的更精确的估计。对于如图3所示的发射信号和接收信号，节点110在时间t_t110发射节点110发射(tx)信号；例如，该定时信息可以被编码到数据包本身中。节点111在时间t_r111接收节点111接收(rx)信号。这项事务的飞行时间(tof)310是t_r111减去t_t110。
然后，节点111执行内部操作(诸如例如计算飞行时间并将其编码到返回发射数据包中，以及编码期望的发射时间t_t111)并且在时间t_t111发送返回发射(节点111tx)。这在时间t_r111在节点110处被接收。然后，飞行时间(tof)330是时间t_r110减去时间t_t111。响应时间320是时间t_t111减去时间t_r111。然后，根据双向发射计算平均飞行时间。由于节点110和111的各个时钟可能不同步，因此使用双向发射实现飞行时间的估计而不需要时钟同步。
在一个示例中，在节点110处测量时间t_t110以及时间t_r110。在节点111处测量时间t_t111以及时间t_r111。平均飞行时间(tof)＝((t_r110-t_t110)-(t_t111-t_r111))/2
注意的是，估计精度也受使用的无线电的采样带宽的限制。如果根据所使用的无线电装置的时钟频率(并且因此相关联的采样带宽)的估计精度不够，则可以使用相关器来获得较高的有效精度。在这样的实施例中，虽然事实上采样率限制了定时测量的准确度，但是使用相关运算来执行峰值位置的插值以找到有效的实际到达时间。这通过多次测量来完成。
在室内环境中，由于在真实环境中高频下发生的衰减增加，因此树状网络中使用高频来通信可能是有问题的。这需要使用较高功率的发射器，而这对于使功耗最小化可能不可取。因此，在本发明的一个实施例中，在较低频率(例如，900mhz或2.4ghz)下使用树状网络进行通信，而在较高频率(例如，5ghz或更高)下使用网状网络进行定位。
图4说明根据一个实施例的能够具有树状网络架构和网状网络架构的系统。在无测距或定位操作的通信操作期间，树状网络架构400包括集线器410和传感器节点420-422。集线器根据双向通信440-442与传感器节点通信。在一个示例中，使用每个节点中的无线电(例如，900mhz无线电、5ghz无线电)来发射并接收数据。虽然使用涉及较长发射距离的树状网络架构400，但在900mhz下发生的较低衰减使得在发射期间的总体功耗降低。900mhz发射可用于粗略飞行时间或信号强度估计，并可用于触发如参照图2a和2b所讨论的重新映射。
在可选实施例中，可以定期地使用较高频率的无线电(例如，5ghz无线电)以在树状网络架构中提供集线器与节点之间更高精度的飞行时间估计。例如，这可以在每个方向上被实施为较高频率无线电(例如，5ghz)，或者从集线器到节点被实施为较高频率无线电(例如，5ghz)，并且从节点到集线器被实施为900mhz。因为集线器可能由于连接到电力干线而具有充足的可用功率，而节点可能由于受电池操作而具有功率限制，所以在需要时使用这种架构可以减少节点中的电池消耗，同时提供可接受地高精度定位。
根据节点和集线器之间的范围改变430，树状网络架构被配置成暂时定位节点的网状的网络架构402。网状的网络架构402包括集线器410和传感器节点420-422。集线器根据双向通信440-445与传感器节点通信。在完成定位后，网状的网络架构402可以被配置成用于标准通信的树状网络架构400。
在本发明的一个实施例中，一个或多个无线节点或集线器可以位于固定且已知的位置。这可以方便地是集线器，也可以是一个或多个节点。在该实施例中，由于网络的一个部件(例如，集线器、节点)处于已知位置，因此在完成确定所有节点的相对位置的定位算法时，因为一个节点是已知的，并且每个其它节点相对于该已知参考的相对位置也是已知的，所以可以估计每个节点的真实位置。
图5说明根据一个实施例的用于确定节点的位置的网络架构。网络架构500包括集线器502和节点510-512。集线器502和节点510-512使用通信520-525双向通信。在一个示例中，集线器502处于固定且已知的位置，例如已知房间552的角落550中。在可选实施例中，集线器可以被包含在已知电器例如智能恒温器、智能电冰箱或者本领域技术人员显而易见的其它这样的设备中。使用飞行时间和三角测量来估计每个节点距离已知集线器的相对距离，进而实现对无线传感器网络的每个节点的绝对位置的估计。
除了飞行时间之外，获得关于无线电之间距离的信息的另一种方法是根据测量信号强度。如果发射器和接收器之间介质的衰减因子是已知的，则可以通过知道发射信号强度和接收信号强度来估计节点之间的间隔。也可以实施与本发明的实施例中公开的信号强度估计相比较并且基于飞行时间估计的类似算法。
使用信号强度的一个缺点是衰减因子对信号传输路径中的材料依赖性较强。例如，在诸如混凝土的墙壁中的衰减通常高于空气中的衰减。因此，因为飞行时间为距离估计提供更加稳定的方法，而与墙壁的存在无关，所以通常希望使用飞行时间而不是信号强度来进行距离估计。另一方面，飞行时间对多路径问题敏感。例如，如果两个无线电之间的直接路径(例如，通过高度衰减的墙壁)在很大程度上被阻挡，但是在两个无线电之间存在离轴的路径，则反射信号可能将到达接收无线电而不是直接路径信号。在这种情况下，由于与反射相关的飞行时间较长，估计的距离将较长。如果使用较长的飞行时间进行三角测量，则可能会产生错误的节点图。在本发明的一个实施例中，信号强度和飞行时间都用于距离估计。
图6说明根据一个实施例的用于识别对象(例如，墙壁、地板等)的网络架构。网络架构600包括集线器602和传感器节点610。集线器发送用于确定飞行时间信息的tof信号640来估计从集线器到传感器的距离。可以从集线器和节点之间发送的标准通信来确定信号强度信息。信号强度区域650表示信号强度如何由于对象620(例如，墙壁)导致被显著衰减。如果飞行时间信息表示与信号强度信息相比，距离显著较短(例如，距离至少短10％、距离至少短20％、距离短10-30％、距离短10-50％等)，则这表明在信号路径中存在衰减元件或对象，例如墙壁，如图6所示。因此，使用信号强度和飞行时间参数两者可以实现识别诸如墙壁等对象，从而提供改善的定位。
图7说明根据一个实施例的用于识别对象(例如，墙壁、地板等)的网络架构。网络架构700包括集线器702和传感器节点710。集线器发送用于确定飞行时间信息的tof信号740来估计从集线器到传感器的距离。可以从集线器和节点之间发送的标准通信中确定或提取信号强度信息。信号强度区域750表示信号强度如何由于对象720(例如，墙壁)导致被稍微衰减。如果飞行时间信息表明比信号强度估计的距离相比，节点(集线器和节点)之间的距离显著较长(例如距离长至少10％、距离长至少20％等)，则这可以表明存在遮蔽主tof信号740定时的反射(例如，反射信号742)。这样，使用这些测量技术均可以显著提高定位的质量和精度。
信号强度测量和飞行时间的组合实现节能。在本发明的一个实施例中，一旦使用飞行时间和信号强度测量中的至少一个完成定位和三角测量，集线器就不断跟踪到每个节点的信号强度，反之亦然。估计信号强度很快，并且不需要像估计飞行时间那么多的发送的数据；因此，使用这种技术，可以降低功耗，并且当集线器检测到确认的、稳定的和非瞬态的信号强度变化时，仅重新触发位置估计。
图8说明根据一个实施例的用于在检测到信号强度的变化时触发节点的位置估计的方法。方法800的操作可以由无线装置、集线器(例如设备)的无线控制装置或包括处理电路或处理逻辑部的系统来执行。处理逻辑部可以包括硬件(电路、专用逻辑等)，(诸如在通用计算机系统或专用机器或设备上运行的)软件或两者的组合。在一个实施例中，集线器执行方法800的操作。
在操作801处，具有射频(rf)电路和至少一个天线的集线器向无线网络架构(例如，无线非对称网络架构)中的多个传感器节点发射通信。在操作802处，集线器的rf电路和至少一个天线从多个传感器节点接收通信以在无线网络架构中实现与集线器的rf电路的双向通信，其中每个传感器节点具有带发射器和接收器的无线装置。在操作803处，具有无线控制装置的集线器的处理逻辑部在一时间段(例如，预定时间段、足以用于定位的时间段等)内首先使传感器节点的无线网络被配置成网状的网络架构。在操作804处，集线器的处理逻辑部利用如本文公开的各种实施例中所讨论的飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种来确定至少两个节点(或所有节点)的定位。在操作806处，在完成至少两个网络传感器节点的定位时，如果发生任意飞行时间测量，则集线器的处理逻辑部终止飞行时间测量，并继续监控与至少两个节点的通信的信号强度。类似地，至少两个节点可以监控与集线器通信的信号强度。在操作808处，集线器的处理逻辑部在完成定位时将无线网络配置成基于树或树状网络架构(或不具有网状的特征的树状架构)。在操作810处，集线器的处理逻辑部可以从至少一个传感器节点接收表示信号强度是否发生持续变化的信息。然后，在操作812处，集线器的处理逻辑部(自己或基于从至少一个传感器节点接收到的信息)确定到特定节点的信号强度是否发生持续变化。如果是，则方法返回到操作802，且集线器的处理逻辑部在一时间段内将网络配置成网状的网络架构，并且在操作804处使用飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种(例如，飞行时间技术和信号强度技术)来重新触发定位。否则，如果对特定节点的信号强度未发生持续变化，则该方法返回到操作808，并且网络继续具有基于树或树状的网络架构(或不具有网状的特征的树状架构)。
基于无线的定位的问题之一是信道质量的退化或变化可能会影响定位的准确性和精度。许多这样的干扰影响窄带传输。因此，在本发明的一个实施例中，使用特定频带的多个信道顺序地测量上述定位技术，因此有效地增加测量的带宽并且实现提高测量的准确度和精度。在本发明的另一个实施例中，在定位期间通过采用特定频带的一个以上的信道来暂时使用更宽的带宽来实现这些技术。在本发明的另一实施例中，使用超宽带传输进行定位。图9-11示出这些各种实施例。
图9a说明根据一个实施例的使用信道步进来定位节点的图900。图900说明纵轴为频率信道971-974与横轴为时间的频带950。如本文所讨论的定位技术(例如，飞行时间、信号强度)在可用频带950内通过使各种信道(例如，971-973)步进来执行。这种方法的优点在于可以使用窄带无线电(例如，rf电路的集线器无线电、rf电路的传感器节点无线电)来有效地实现宽带定位。为了使用这种方法，在这个测量的整个时间段内保持一个受控的时间基准很有必要。
图9b说明根据另一个实施例的使用信道重叠来定位节点的图972。图972说明纵轴为频率信道981-984与横轴为带时隙991-994的时间的频带980。如本文所讨论的定位技术(例如，飞行时间、信号强度)在可用频带980内通过使各种信道(例如，981-984)步进来执行。该方法的优点是可以使用窄带无线电(例如，rf电路的集线器无线电、rf电路的传感器节点无线电)来有效地实现宽带定位。在该系统中，用于任何给定估计的信道在信道重叠区域998中具有频率重叠。通过使信道重叠，因为可以在每个重叠区域中建立相位关系，所以可以在整个测量进程期间放宽对时间同步的要求。例如，这提供了实现根据另一实施例的如图9c的图974所示的非顺序信道选择的益处。图974说明纵轴为频率信道981-984与横轴为带时隙991-996的时间的频带980。对于非顺序信道选择的示例，可以首先确定频率信道982和983的重叠，接着确定频率信道981和982的重叠，然后确定频率信道983和984的重叠。信道在信道重叠区域999中重叠。在可选实施例中，tof测量结果也可随时间间隔开。
在一个示例中，针对tof计算执行时域相关。在另一示例中，执行频域计算以从频域提取飞行延迟。接收节点可以基于确定接收信号的快速傅立叶变换(fft)然后将其除以整个范围频率的理想导频音的fft来确定将包括幅度和相位的信道的频域表示。还可以使用诸如最小平方估计、最大似然估计以及本领域技术人员显而易见的其它此类技术的信道估计的替代方法。然后，可以从信道的频域表示确定不同飞行路径的矢量。在一个示例中，使用矩阵束方法(matrixpencilmethod)来确定不同飞行路径的向量。在另一实施例中，可以使用逆fft来从信道估计确定路径长度。具有最短延迟的飞行路径可能是飞行路径瞄准线，而较长的延迟可能对应于反射的飞行路径。可以重叠多个频率信道以创建更宽的带宽信道，从而产生更准确的tof估计。
图9d说明根据另一个实施例的用于确定信道重叠的相位的图910。图910说明横轴为频率912并且纵轴为相位914。在一个示例中，频率信道981具有频带(例如，f1、f2、f3、f4)以及对应的相位(例如，相位1、相位2、相位3、相位4)。频率信道981也延伸到f1和相位1之下的较低频率和相位。频率信道982具有频带(例如，f11、f12、f13、f14)以及对应的相位(例如，相位11、相位12、相位13、相位14)。频率信道982也延伸到f14和相位14之上的较高的频率和相位。因此在f1到f4和f11到f14之间存在频率的重叠区域。频率981和982的重叠区域的相位(例如，平均相位)可以通过计算在重叠区域内某些频率处的不同相位的差或差量(delta)来确定。例如，可以根据相位11和相位1之差来计算第一相位差量。可以根据相位12和相位2之差来计算第二相位差量。可以根据相位13和相位3之差来计算第三相位差量。可以根据相位14和相位4之差来计算第四相位差量。频率f1、f2、f3和f4分别与频率f1、fl2、f13和fl4大致相同(或相同)。然后，可以根据计算第一相位差量、第二相位差量、第三相位差量和第四相位差量的平均值来计算相位差量(例如，平均相位差量)。然后，使用平均相位差量来改变频率信道982的相位。然后，对于另外的重叠信道(例如，信道981-984)可以以与对信道981和982所讨论的类似的方式来发生相移。
图10说明根据一个实施例的通过同时使用多个信道来定位节点的图1000。图1000说明纵轴为频率1010且横轴为时间1020的具有多个信道的多信道宽频带区域1030。通过暂时采用特定频带的多个信道来执行本文讨论的定位技术(例如，飞行时间、信号强度)用于定位。这可以实现宽带定位的好处，而无需在较长时间段内扫描多个信道。这种定位可以在将无线网络配置成网状的网络架构时发生。一旦完成定位，为了标准通信，至少一个集线器的rf电路和多个节点的无线电可切换回使用各个频率信道(例如，单个信道1040)，而无线网络被配置成树状或基于树的网络架构。
图11说明根据一个实施例的通过暂时使用超宽带来定位节点的图1100。图1100说明纵轴为频率1110且横轴为时间1120的超宽带区域1130。通过暂时使用无线网络中的至少一个集线器的rf电路和节点的超宽带无线电来执行本文讨论的定位技术(例如，飞行时间、信号强度)用于定位。这可以实现超宽带定位的好处，而无需在较长时间段内扫描多个信道。这种定位可以在将无线网络配置成网状的网络架构时发生。一旦完成定位，为了标准通信，至少一个集线器的rf电路和多个节点的无线电可切换回使用窄带区域1140(例如，窄带无线电)，而无线网络被配置成树状或基于树的网络架构。在一个示例中，可以使用关于窄带无线电的信号强度测量来决定何时使用超宽带无线电来触发定位。
图12说明根据一个实施例的用于在检测到信号强度的变化时对节点进行位置估计的方法。方法1200的操作可以由无线装置、集线器(例如，设备)的无线控制装置或包括处理电路或处理逻辑部的系统来执行。处理逻辑部可以包括硬件(电路、专用逻辑等)、软件(诸如在通用计算机系统或专用机器或设备上运行)或两者的组合。在一个实施例中，集线器执行方法1200的操作。
在操作1201处，具有射频(rf)电路和至少一个天线的集线器向无线网络架构(例如，无线非对称网络架构)中的多个传感器节点发射通信。在操作1202处，集线器的rf电路和至少一个天线从多个传感器节点接收通信以在无线网络架构中实现与集线器的rf电路的双向通信，其中每个传感器节点具有带发射器和接收器的无线装置。在操作1203处，具有无线控制装置的集线器(或节点)的处理逻辑部在一时间段(例如，预定时间段、足以用于定位的时间段等)内首先使传感器节点的无线网络被配置成第一网络架构。在操作1204处，集线器(或节点)的处理逻辑部利用如在本文公开的各种实施例中所讨论的用于飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种的信道重叠、信道步进、多信道宽带和超宽带中的至少一种来确定至少两个节点(或所有节点)的定位。在操作1206处，在完成至少两个网络传感器节点的定位时，如果发生任意飞行时间测量，则集线器(或节点)的处理逻辑部终止飞行时间测量，并继续监控与至少两个节点的通信的信号强度。类似地，至少两个节点可以监控与集线器通信的信号强度。在操作1208处，集线器(或节点)的处理逻辑部在完成定位时将无线网络配置在第二网络架构(例如，基于树或树状网络架构(或不具有网状的树架构))中。在操作1210处，集线器(或节点)的处理逻辑部可以从传感器节点(或集线器)中的至少一个接收表示信号强度是否发生任意持续变化的信息。然后，在操作1212处，集线器(或节点)的处理逻辑部(自己或基于从至少一个传感器节点接收到的信息)确定对于特定节点其信号强度是否已经持续变化。如果是，则方法返回到操作1202，集线器的处理逻辑部在一时间段内将网络配置成第一网络架构，并且在操作1204处利用如在本文公开的用于飞行时间技术和信号强度技术(例如，飞行时间技术和信号强度技术)中的至少一种的信道重叠、信道步进、多信道宽带和超宽带中的至少一种来重新触发定位。否则，如果特定节点的信号强度没有持续变化，则该方法返回到操作1208，并且网络继续具有第二网络架构。
如本文讨论的集线器和节点之间的通信可以使用包括但不限于下列的各种手段来实现：使用射频的直接无线通信，通过将信号调制到房屋、公寓、商业大楼等内的电力布线来实现的电力线通信，对于本领域的普通技术人员将是显而易见的使用诸如802.11a、802.11b、802.11n、802.11ac等标准wifi通信协议以及其它这种wifi通信协议的wifi通信，对于本领域的普通技术人员将是显而易见的诸如gprs、edge、3g、hspda、lte和其它蜂窝通信协议的蜂窝通信，蓝牙通信，使用诸如zigbee的众所周知的无线传感器网络协议的通信，以及对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的其它基于有线或无线通信方案。
实施终端节点和集线器之间的射频通信可以以包括窄带、信道重叠、信道步进、多信道宽带以及超宽带通信的各种方式来实施。
在由于网络非对称，使得集线器与节点相比较大或具有多于节点的可用功率的实施例中，使用集线器上的多个天线来估计与节点的通信的到达角度可能会很有利。这可以与本文公开的其它定位技术结合使用，以提高定位准确性和/或识别存在反射的传输路径。类似地，为了定位，也可以在一些或全部节点中使用多个天线来实现关于节点到节点或者集线器到节点的发射接收的类似益处。
图13说明根据一个实施例的用于为无线非对称网络架构提供实现传感器定位的方法的流程图。方法1300的操作可以由无线装置、集线器(例如，设备)的无线控制装置或包括处理电路或处理逻辑部的系统来执行。处理逻辑部可以包括硬件(电路、专用逻辑等)，(诸如在通用计算机系统或专用机器或设备上运行)的软件或两者的组合。在一个实施例中，集线器执行方法1300的操作。
在操作1301处，具有射频(rf)电路和至少一个天线的集线器向无线非对称网络架构中的多个传感器节点发射通信。在操作1302处，集线器的rf电路和至少一个天线从多个传感器节点接收通信以在无线非对称网络架构中实现与集线器的rf电路的双向通信，其中每个传感器节点具有带发射器和接收器的无线装置。在操作1303处，集线器的处理逻辑部(例如，一个或多个处理单元)根据接收通信(例如，用于飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种的频率信道重叠通信、频率信道步进通信、多信道宽带通信以及超宽带通信中的至少一种)确定针对多个传感器节点的定位信息(例如，精确定位信息)。可以根据所部署的传感器网络的应用需求来选择所需的精度等级。例如，在任意方向上的定位精度都可能超过1米(m)，使得在典型的室内或近室内环境中，传感器的近似位置是已知的，并且任何两个或更多传感器的位置存在稍微重叠或几乎不重叠。在要求更高精度的应用中，可以获得超过10厘米(cm)的定位精度，从而使得每个传感器节点的准确位置是已知的。
在一个示例中，集线器由干线电源供电，多个传感器节点各自由电池电源或另一能源(不是干线电源)供电以形成无线非对称网络架构。
在一个示例中，集线器的一个或多个处理单元根据到达角信息、信号强度信息以及到达时间信息中的至少一个针对从多个传感器节点接收的通信确定多个传感器节点的位置信息。
在另一示例中，一个或多个处理单元根据到达角信息确定多个传感器节点的位置信息，该到达角信息用于确定具有最强信号分量的到达角并且与由到达时间信息确定的识别多路径环境中最短直接路径的信息组合，以用于来自多个传感器节点的通信。
在一个示例中，无线非对称网络架构包括无线树状非对称网络架构或无线树-网非对称网络架构中的至少一种。
在一个实施例中，集线器的至少一个天线向多个传感器节点发射频率信道重叠、信道步进、多信道宽带或超宽带(uwb)通信中的至少一种并且接收来自多个传感器节点的信道重叠、信道步进、多信道宽带或超宽带(uwb)通信中的至少一种用于定位，同时网络具有网状架构。在检测到至少一个节点的信号强度变化时，网络被配置成具有窄带通信的基于树或树状的网络架构来用于无定位的标准通信。
例如，从节点接收发射的集线器可以利用到达角度(aoa)、信号强度(ss)和/或到达时间(toa)信息来确定节点的位置。可以利用集线器上的多个天线来确定aoa信息，以实现确定具有最强信号分量的到达角。结合可由toa确定的识别最直接路径的信息，可以建立传感器位置。可使用ss信息来估计传感器与节点的距离，并且结合aoa，可以提供传感器定位。在一个示例中，图14示出用于传感器定位的整体架构。
图14说明根据一个实施例的使用在设备(例如集线器)上的多个天线和多路径环境来实现传感器定位。环境1400包括墙壁1330、墙壁1331和墙壁1332。集线器1310包括天线1311、天线1312和天线1313。传感器节点1包括天线1321，传感器节点2包括天线1322。例如，集线器1310如果接收来自节点1和节点2的发射1340-1347(例如，频率信道重叠通信、频率信道步进通信、多信道宽带通信和超宽带通信中的至少一种)，则可利用到达角度(aoa)、信号强度(ss)和/或到达时间(toa)信息确定节点1和节点2的位置。可以根据如结合图6和图7所描述的定位墙壁、对象或反射来调节(例如，根据来自墙壁或其它对象的反射诸如发射1346的第一路径和用于由墙壁1332反射1347的发射的第二路径)多个路径的影响。可以利用集线器1310上的多个天线1311-1313来确定aoa信息，以实现对具有最强信号分量的到达角的确定。结合可由toa确定的识别最直接路径的信息，可以建立节点1和节点2的传感器位置。类似地，可以使用ss信息来估计传感器与节点的距离，并且结合aoa可以提供传感器定位。
在可选实施例中，可以使用多个集线器以从传感器节点同时接收数据。在此应用中，可以通过根据经由ss或toa估计测量的距离进行三角测量，建立传感器的位置而不需要确定aoa。
图15说明根据一个实施例的使用各自具有单个天线的多个集线器来实现传感器定位。环境1350包括墙壁1370、墙壁1371和墙壁1372。系统1354包括具有天线1361的集线器1360、具有天线1363的集线器1362以及具有天线1365的集线器1364。在一个示例中，集线器彼此同步。传感器节点1382包括天线1383，传感器节点1380包括天线1381。传感器节点1380如图15所示分别向集线器1360、集线器1362和集线器1364发射通信1370-1372(例如，频率信道重叠通信、频率信道步进通信、多信道宽带通信和超宽带通信中的至少一种)。传感器节点1382如图15所示分别向集线器1360、集线器1362和集线器1364发射通信1373-1375(例如，频率信道重叠通信、频率信道步进通信、多信道宽带通信和超宽带通信中的至少一种)。可以使用在多个集线器处的到达时间信息来映射节点1380和节点1382的位置。
根据本发明的实施例，集线器可以以多种方式物理地实施。图16a示出根据一个实施例的被实施为用于电源插座的覆盖部1500的集线器的示例性实施例。覆盖部1500(例如，面板)包括集线器1510和将集线器联接到电源插座1502的连接部1512(例如，通信链路、信号线、电连接部等)。可选地(或附加地)，集线器联接到插座1504。出于安全和美学目的，覆盖部1500覆盖或包围电源插座1502和电源插座1504。
图16b示出根据一个实施例的被实施为用于电源插座的覆盖部的集线器1520的框图的分解图的示例性实施例。集线器1520包括电源整流器1530，其将周期性反转方向的交流电(ac)转换为仅在一个方向上流动的直流电(dc)。电源整流器1530通过连接部1512(例如，通信链路、信号线、电连接部等)从插座1502接收ac并将ac转换成dc以通过连接部1532(例如，通信链路、信号线、电连接部等)向控制器电路1540供电并且通过连接部1534(例如，通信链路、信号线、电连接部等)向rf电路1550供电。控制器电路1540包括存储器1542或联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1540的处理逻辑部1544(例如，一个或多个处理单元)执行的指令，用于如本文所讨论的控制集线器的操作来形成、监控和执行对无线非对称网络的定位。rf电路1550可以包功能上用于通过天线1552发送并接收与无线传感器节点的双向通信的收发器或单独的发射器1554和接收器1556。rf电路1550通过连接部1534(例如，通信链路、信号线、电连接部等)与控制器电路1540双向通信。集线器1520可以是无线控制装置1520或者控制器电路1540、rf电路1550和天线1552的组合可以形成如本文所讨论的无线控制装置。
图17a示出根据一个实施例的被实施为用于部署在计算机系统、电器或通信集线器中的卡的集线器的示例性实施例。卡1662可以如箭头1663所示插入到系统1660(例如，计算机系统、电器或通信集线器)中。
图17b示出根据一个实施例的被实施为用于部署在计算机系统、电器或通信集线器中的卡的集线器1664的框图的示例性实施例。集线器1664包括电源1666，其通过连接部1674(例如，通信链路、信号线、电连接部等)向控制器电路1668提供电力(例如，dc电力供应)并且通过连接部1676(例如，通信链路、信号线、电连接部等)向rf电路1670提供电力。控制器电路1668包括存储器1661或联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1668的处理逻辑部1663(例如，一个或多个处理单元)执行的指令，用于如本文所讨论的控制集线器的操作来形成、监控和执行对无线非对称网络的定位。rf电路1670可以包括功能上用于通过天线1678发送并接收与无线传感器节点的双向通信的收发器或分开的发射器1675和接收器1677。rf电路1670通过连接部1672(例如，通信链路、信号线、电连接部等)与控制器电路1668双向通信。集线器1664可以是无线控制装置1664或者控制器电路1668、rf电路1670和天线1678的组合可以形成如本文所讨论的无线控制装置。
图17c示出根据一个实施例的在电器(例如，智能洗衣机、智能电冰箱、智能恒温器、其它智能电器等)内实施的集线器的示例性实施例。电器1680(例如智能洗衣机)包括集线器1682。
图17d示出根据一个实施例的在电器(例如，智能洗衣机、智能电冰箱、智能恒温器、其它智能电器等)内实施的集线器1684的框图的分解图的示例性实施例。集线器包括电源1686，其通过连接部1696(例如，通信链路、信号线、电连接部等)向控制器电路1690提供电力(例如，dc电力供应)并且通过连接部1698(例如，通信链路、信号线、电连接部等)向rf电路1692提供电力。控制器电路1690包括存储器1691或联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1690的处理逻辑部1688(例如，一个或多个处理单元)执行的指令，用于如本文所讨论的控制集线器的操作来形成、监控和执行对无线非对称网络的定位。rf电路1692可以包括功能上用于通过天线1699发送并接收与无线传感器节点的双向通信的收发器或分开的发射器1694和接收器1695。rf电路1692通过连接部1689(例如，通信链路、信号线、电连接部等)与控制器电路1690双向通信。集线器1684可以是无线控制装置1684或者控制器电路1690、rf电路1692和天线1699的组合可以形成如本文所讨论的无线控制装置。
在一个实施例中，用于提供无线非对称网络架构的设备(例如集线器)包括用于存储指令的存储器；集线器的处理逻辑部(例如，一个或多个处理单元、处理逻辑部1544、处理逻辑部1663、处理逻辑部1688、处理逻辑部1763、处理逻辑部1888)，其执行指令以在无线非对称网络架构中建立并控制通信；以及射频(rf)电路(例如rf电路1550、rf电路1670、rf电路1692、rf电路1890)，其包括在无线非对称网络架构中发射并接收通信的多个天线(例如，天线1552、天线1678、天线1699、天线1311、天线1312和天线1313等)。rf电路和多个天线向多个传感器节点(例如，节点1、节点2)发射通信以在无线非对称网络架构中实现与设备的rf电路的双向通信，其中每个传感器节点具有带发射器和接收器(或收发机的功能上发射器和接收器)的无线装置。处理逻辑部(例如，一个或多个处理单元)被配置成执行指令以将无线网络架构配置成用于该设备与多个传感器节点之间通信的树状架构，以检测多个传感器节点中的至少一个传感器节点的范围或位置的变化，以将无线网络架构暂时配置成基于网的架构用于根据检测范围或位置的变化来确定多个传感器节点的位置信息。
在一个示例中，设备由干线电源供电并且多个传感器节点每个都由电池电源供电以形成无线网络架构。
在一个示例中，设备的一个或多个处理单元执行指令以将无线网络架构配置成用于该设备与多个传感器节点之间通信的树状架构，随后在无线网络架构被配置成暂时的基于网的架构的同时确定位置信息。
在另一示例中，一个或多个处理单元执行指令以根据通过飞行时间信息测量的三角测量距离来确定针对多个传感器节点的位置信息，其中飞行时间信息与在暂时的基于网的架构期间发生的通信相关联。
在另一示例中，一个或多个处理单元执行指令以根据通过与通信相关联的信号强度信息测量的三角测量距离来确定针对多个传感器节点的位置信息。
在另一示例中，无线网络架构在足够用于定位的时间段内被暂时配置成基于网的架构。
在另一示例中，集线器的一个或多个处理单元执行指令以根据针对多个传感器节点的位置信息确定传感器节点的绝对位置信息，和设备或至少一个传感器节点的绝对位置。
在一个实施例中，一种用于定位无线网络中的节点的计算机实现的方法包括利用集线器的处理逻辑部，使具有节点的无线网络在第一时间段内被配置成网状的网络架构。计算机实现的方法进一步包括利用集线器的处理逻辑部，使用飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种来确定至少两个节点的定位。在完成至少两个节点的定位时，如果发生任何飞行时间测量，则利用集线器的处理逻辑部来终止飞行时间测量。计算机实现的方法进一步包括在完成定位时利用集线器的处理逻辑部，使无线网络被配置成基于树或树状网络架构。
在一个示例中，计算机实现的方法进一步包括利用集线器的处理逻辑部从至少一个传感器节点接收用于确定信号强度是否发生任意持续变化的信息。计算机实现的方法进一步包括利用集线器的处理逻辑部确定无线网络的至少一个节点的信号强度是否已经发生持续变化。
在一个示例中，计算机实现的方法进一步包括当无线网络的至少一个节点的信号强度已经发生持续变化时，利用集线器的处理逻辑部在一时间段内将无线网络配置成网状的网络架构。
计算机实现的方法进一步包括在无线网络被配置成网状的网络架构时，使用飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种来重新触发定位。
在另一示例中，如果无线网络的至少两个节点的信号强度未发生持续变化时，无线网络继续被配置成基于树或树状的网络架构。
在一个实施例中，一种系统包括集线器，该集线器具有一个或多个处理单元以及用于在无线非对称网络中发射并接收通信的rf电路。多个传感器节点中的每个都具有带发射器和接收器的无线装置，以在无线非对称网络架构中实现与集线器的双向通信。集线器的一个或多个处理单元执行指令以将系统配置成用于集线器和多个传感器节点之间通信的树状架构，以检测至少一个传感器节点的范围或位置的变化，并且将系统暂时配置成基于网的架构以根据检测范围或位置的变化确定多个传感器节点的位置信息。
在一个示例中，集线器由干线电源供电并且多个传感器节点每个都由电池电源供电以形成无线非对称网络。
在一个示例中，集线器的一个或多个处理单元执行指令以将系统配置成用于在第一频率级别(例如，较低频率级别或较低能量)下在集线器与多个传感器节点之间通信的树状架构，随后在系统被配置成用于在第二频率级别(例如，较高频率级别或较高能量)下通信的暂时的基于网的架构的同时确定位置信息。
在另一示例中，一个或多个处理单元执行指令以根据通过飞行时间信息测量的三角测量距离来确定针对多个传感器节点的位置信息，其中飞行时间信息与在暂时的基于网的架构期间中发生的通信相关联。
在另一示例中，一个或多个处理单元执行指令以根据通过与通信相关联的信号强度信息测量的三角测量距离来确定针对多个传感器节点的位置信息。
在一个示例中，系统在足够用于定位传感器节点的时间段内被暂时配置成基于网的架构。
在另一示例中，集线器的一个或多个处理单元执行指令以根据针对多个传感器节点的位置信息确定传感器节点的绝对位置信息和设备或至少一个传感器节点的绝对位置。
可以在无线传感器节点中使用各种电池，其包括锂基化学物质，例如锂离子、锂聚合物、磷酸锂以及对于本领域普通技术人员显而易见的其它化学物质。可以使用的其它化学物质包括镍金属氢化物、标准碱性电池化学物质、银锌和锌空气电池化学物质、标准碳锌电池化学物质、铅酸电池化学物质或对于本领域普通技术人员显而易见的任何其它化学物质。
本发明还涉及用于执行本文描述的操作的设备。该设备可以为所需目的而专门构造，或者它可以包括通过计算机中存储的计算机程序选择性激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以存储在诸如但不限于下列的计算机可读存储介质中：包括软盘、光盘、cd-rom和磁光盘的任何类型的磁盘，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、eprom、eeprom、磁卡或光卡或适用于存储电子指令的任何类型介质。
本文提供的算法和显示器本质上并不涉及任何特定的计算机或其它设备。根据本文的教导，各种通用系统可以与程序一起使用，或者可以证明构造更专用的设备来执行所需的方法操作是方便的。
图18示出根据一个实施例的传感器节点的框图。传感器节点1700包括电源1710(例如，能源、电池电源、原电池、可再充电电池等)，其通过连接部1774(例如，通信链路、信号线、电连接部等)向控制器电路1720提供电力(例如，dc电源)，通过连接部1776(例如，通信链路、信号线、电连接部等)向rf电路1770提供电力，并且通过连接部1746(例如，通信链路、信号线、电连接部等)向感测电路1740提供电力。控制器电路1720包括存储器1761或联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1720的处理逻辑部1763(例如，一个或多个处理单元)执行的指令，用于如本文所讨论的控制集线器的操作来形成并监控对无线非对称网络的定位。rf电路1770(例如，通信电路)可以包括功能上用于通过天线1778发送并接收与集线器和可选的无线传感器节点的双向通信的收发器或分开的发射器1775和接收器1777功能部。rf电路1770通过连接部1772(例如，电连接部)与控制器电路1720双向通信。感测电路1740包括各种类型的感测电路和传感器，传感器包括图像传感器和电路1742、水分传感器和电路1743、温度传感器和电路、湿度传感器和电路、空气质量传感器和电路、光传感器和电路、运动传感器和电路1744、音频传感器和电路1745、磁性传感器和电路1746以及传感器和电路n等。
本文所公开的无线定位技术可以与其它感测信息组合以提高整个网络的定位准确度。例如，在一个或多个节点包括摄像机的无线传感器中，捕捉的图像可以与图像处理和机器学习技术一起使用，以确定正在被监控的传感器节点是否正在看同一场景并因此可能处于同一房间中。可以通过使用周期性照明和光电探测器获得类似的好处。通过选通照明并利用光电检测器检测，可以检测光路的存在，这可能表明闪光灯和检测器之间不存在不透明的墙壁。在其它实施例中，磁传感器可以被集成到传感器节点中并用作指南针来检测正被监控的传感器节点的方位。然后，可以将此信息与定位信息一起使用，以确定传感器是否位于墙壁、地板、天花板或其它位置上。
在一个示例中，每个传感器节点可以包括图像传感器，并且房屋的每个周边墙壁包括一个或多个传感器节点。集线器分析包括图像数据和可选的方位数据的传感器数据以及确定针对每个传感器节点的绝对位置的定位信息。然后，集线器可以为用户建立建筑物的每个房间的三维图像。可以生成具有墙壁、窗户、门等的位置的平面图。图像传感器可以捕捉表明能指示房屋完整性问题(例如水、屋顶漏水等)的反映变化的图像。
图19说明根据一个实施例的具有集线器的系统1800的框图。系统1800包括无线非对称网络架构的集线器1882或中央集线器或与无线非对称网络架构的集线器1882或中央集线器集成。系统1800(例如，计算装置、智能tv、智能电器、通信系统等)可以与任何类型的无线装置(例如，蜂窝电话、无线电话、平板电脑、计算装置、智能tv、智能电器等)通信用于发送并接收无线通信。系统1800包括处理系统1810，处理系统1810包括控制器1820和处理单元1814。处理系统1810通过一个或多个双向通信链路或信号线1898、1818、1815、1816、1817、1813、1819、1811与下列分别通信：集线器1882、输入/输出(i/o)单元1830、射频(rf)电路1870、音频电路1860、用于捕捉一个或多个图像或视频的光学装置1880、用于确定系统1800的(例如三维的)运动数据的可选运动单元1844(例如，加速度计、陀螺仪等)、电源管理系统1840以及机器可访问非暂时性介质1850。
集线器1882包括电源1891，其通过连接部1885(例如，通信链路、信号线、电连接部等)向控制器电路1884提供电力(例如，dc电力供应)并且通过连接部1887(例如，通信链路、信号线、电连接部等)向rf电路1890提供电力。控制器电路1884包括存储器1886或联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1884的处理逻辑部1888(例如，一个或多个处理单元)执行的指令，用于如本文所讨论的控制集线器的操作来形成并监控无线非对称网络。rf电路1890可以包括功能上用于通过天线1896发送并接收与无线传感器节点的双向通信的收发器或分开的发射器(tx)1892和接收器(rx)1894。rf电路1890通过连接部1889(例如，通信链路、信号线、电连接部等)与控制器电路1884双向通信。集线器1882可以是无线控制装置1884或者控制器电路1884，rf电路1890和天线1896的组合可以形成如本文所讨论的无线控制装置。
使用系统的rf电路1870和天线1871或集线器1882的rf电路1890和天线1896通过无线链路或网络向本文所讨论的集线器或传感器节点的一个或多个其它无线装置发送并接收信息。音频电路1860联接到音频扬声器1862和麦克风1864，并且包括用于处理语音信号的已知电路。一个或多个处理单元1814通过控制器1820与一个或多个机器可访问非暂时性介质1850(例如，计算机可读介质)通信。介质1850可以是能存储由一个或多个处理单元1814使用的代码和/或数据的任何装置或介质(例如，存储装置、存储介质)。介质1850可以包括包含但不限于高速缓存、主存储器和辅助存储器的存储器分层结构。
介质1850或存储器1886存储体现本文描述的任何一个或多个方法或功能的一个或多个指令集(或软件)。软件可以包括操作系统1852，用于建立、监控和控制无线非对称网络架构的网络服务软件1856，通信模块1854以及应用1858(例如，住宅或建筑物安全应用、住宅或建筑物完整性应用、开发者应用等)。软件还可以完全或至少部分地驻留在介质1850、存储器1886、处理逻辑部1888内或在由装置1800执行期间完全或至少部分地驻留在处理单元1814内。图18中示出的部件可以包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路的硬件、软件、固件或其任何组合来实施。
通信模块1854实现与其它装置的通信。i/o单元1830与不同类型的输入/输出(i/o)装置1834(例如，显示器、液晶显示器(lcd)、等离子显示器、阴极射线管(crt)、触摸显示装置、或用于接收用户输入和显示输出的触摸屏、可选的字母数字输入设备)通信。
在一个实施例中，一种用于定位无线网络中的节点的计算机实现的方法包括利用集线器的处理逻辑部，使具有节点的无线网络在第一时间段内被配置成用于定位的第一网络架构。计算机实现的方法进一步包括利用集线器的处理逻辑部，使用针对飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种的下列中的至少一种来确定至少两个节点的定位：频率信道重叠通信、频率信道步进通信、多信道宽带通信以及超宽带通信，并且在完成定位时利用集线器的处理逻辑部，使无线网络架构被配置成具有窄带通信的第二网络架构。
在一个示例中，计算机实现的方法进一步包括利用集线器的处理逻辑部从节点中的至少一个节点接收信息，并且信息用于确定信号强度是否发生任何持续变化。
在一个示例中，计算机实现的方法进一步包括利用集线器的处理逻辑部确定无线网络的至少一个节点的信号强度是否已经持续变化。
在一个示例中，计算机实现的方法进一步包括当无线网络的至少一个节点的信号强度已经持续变化时，利用集线器的处理逻辑部在第二时间段内将无线网络配置成第一网络架构。
在一个示例中，计算机实现的方法进一步包括在无线网络被配置成第一网络架构时，使用针对飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种的下列中的至少一种来重新触发定位：频率信道重叠、频率信道步进、多信道宽带以及超宽带。
在一个示例中，如果无线网络的至少两个节点的信号强度未发生持续变化，则无线网络继续被配置成第一网络架构。
在另一实施例中，一种计算机可读存储介质包括当通过装置执行指令时使所述装置执行对无线网络中的节点进行定位的方法的可执行计算机程序指令。该方法包括利用集线器的处理逻辑部，使具有节点的无线网络在第一时间段内被配置成用于定位的第一网络架构。方法进一步包括利用集线器的处理逻辑部，使用针对飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种的下列中的至少一种来确定至少两个节点的定位：频率信道重叠通信、频率信道步进通信、多信道宽带通信以及超宽带通信。方法进一步包括在完成定位时利用集线器的处理逻辑部，使无线网络架构被配置成具有窄带通信的第二网络架构。
在一个示例中，方法进一步包括利用集线器的处理逻辑部从节点中的至少一个节点接收信息，并且信息用于确定信号强度是否发生任何持续变化。
在一个示例中，方法进一步包括利用集线器的处理逻辑部确定无线网络的至少一个节点的信号强度是否已经发生持续变化。
在一个示例中，方法进一步包括当无线网络的至少一个节点的信号强度已经发生持续变化时，利用集线器的处理逻辑部在第二时间段内将无线网络配置成第一网络架构。
在一个示例中，方法进一步包括在无线网络被配置成第一网络架构时，使用针对飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种的下列中的至少一种来重新触发定位：频率信道重叠、频率信道步进、多信道宽带以及超宽带。
在另一实施例中，一种用于提供无线网络架构的设备包括：存储器，其用于存储指令；一个或多个处理单元，其执行用于定位无线网络架构中的节点的指令；以及射频(rf)电路，其包括在无线网络架构中发射并接收通信的多个天线。rf电路向多个传感器节点发射通信以利用设备的rf电路在无线网络架构中实现双向通信，其中每个传感器节点具有带发射器和接收器的无线装置。一个或多个处理单元被配置成执行指令以使传感器节点在第一时间段内被配置成用于定位的第一网络架构，以使用针对飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种的下列中的至少一种来确定至少两个节点的定位：频率信道重叠通信、频率信道步进通信、多信道宽带通信以及超宽带通信，并且在完成定位时使无线网络架构被配置成具有窄带通信的第二网络架构。
在一个示例中，一个或多个处理单元被配置成执行指令以从节点中的至少一个节点接收信息，并且信息用于确定信号强度是否发生任何持续变化。
在一个示例中，一个或多个处理单元被配置成执行指令以确定无线网络的至少一个节点的信号强度是否已经发生持续变化。
在一个示例中，一个或多个处理单元被配置成当无线网络的至少一个节点的信号强度已经发生持续变化时，执行指令以在第二时间段内将无线网络配置成第一网络架构。
在一个示例中，一个或多个处理单元被配置成在无线网络被配置成第一网络架构时，执行指令以使用针对飞行时间技术和信号强度技术中的至少一种的下列中的至少一种来重新触发定位：频率信道重叠、频率信道步进、多信道宽带以及超宽带。
在一个示例中，一个或多个处理单元被配置成执行指令以从至少两个节点接收包括捕捉的图像的通信，以对所捕捉的图像执行图像处理，并且执行机器学习技术以确定正在被监控的至少两个传感器节点是否是同一场景的感测图像并且是否可能处于同一房间中。
在一个示例中，一个或多个处理单元被配置成执行指令以使第一传感器的周期性照明起到闪光灯的作用并且使第二传感器的光电检测器检测照明。
在一个示例中，一个或多个处理单元被配置成执行指令以分析第二传感器所检测到的照明并且确定在第一传感器和第二传感器之间是否能够检测到光路，该光路指示在第一传感器和第二传感器之间是否存在不透明的墙壁。
在另一示例中，一个或多个处理单元被配置成执行指令以从传感器节点接收方位数据，利用方位数据确定传感器节点的方位，并且根据方位数据和定位信息确定每个传感器节点是否位于墙壁、地板、天花板或其它位置上。
在一个示例中，一个或多个处理单元被配置成执行指令以利用飞行时间信息来估计从设备到传感器节点的第一距离，利用信号强度信息来估计从设备到传感器节点的第二距离，并确定在设备和传感器节点之间的信号路径中是否存在墙壁。
在一个示例中，一个或多个处理单元被配置成执行指令以根据第一距离和第二距离的比较来确定在设备和传感器节点之间的信号路径中是否存在墙壁。
在另一示例中，当利用飞行时间信息估计的第一距离显著小于利用信号强度信息估计的第二距离时，比较表明在设备与传感器节点之间的信号路径中存在墙壁。
在另一示例中，当利用信号强度信息估计的第二距离显著小于利用飞行时间信息估计的第一距离时，比较表明在设备和传感器节点之间的信号路径中存在反射。
在前述说明书中，已经参照本发明的特定示例性实施例描述了本发明。然而，明显的是，在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下可以对其做出各种修改和变化。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。