CN100549919C - 具有可选目标的设备网络 - Google Patents

Abstract

一种设备网络(10)的构成包括目标设备(12、14)、可相对目标设备(12、14)移动的选择设备(16)以及控制器(18)。控制器(18)与目标设备(12、14)和选择设备(16)通信。每个选择设备(16)具有一个位置传感器和取向传感器以便在定向到目标设备(12或14)及接收用户输入时提供位置和取向的空间和角坐标。每个选择设备+(16)也具有信号处理器以生成具有位置和取向数据的控制信号。这一控制信号由发射机经由RF信道(24a)发射到控制器(18a)。在接收到控制信号时，控制器(18a)判断，比如，目标设备(12a)是否由选择设备(16a)通过将取向数据和根据位置数据和已知的目标设备的位置得到的取向相比较而被选择。

Description

具有可选目标的设备网络

技术领域

本发明涉及具有可选目标的设备网络。

背景技术

在设备网络中，像打印机、工作站或移动终端这样的设备以可操作方式链接以便利用通信资源，如无线信道或缆线，处理信息。这种信息包括，比如，供这些设备处理的数据或用于控制这些设备的控制信号。一般，数据或控制信号是从一个或多个设备提供给另外的一个或多个设备。接收数据的设备通常根据与数据相关的控制信号处理这种数据。

一般讲，接收数据的设备，下面将称为“目标设备”，必须在接收和处理数据之前预先选择。选择目标设备包含识别该目标设备并且通常是由用户本身藉助选择设备进行，提供一个或多个包含用于选择目标设备(比如打印机)的选择标准的控制信号。选择设备可以是，比如，手持移动终端(比如个人数字助理(或PDA))，在其上用户提供选择标准。在接收到选择标准之后，生成一个目标控制信号并从选择设备发送到用来控制目标设备的控制器。响应这一目标控制信号，控制器将目标设备设置为经由通信资源接收数据，于是目标设备就可以使用了。

经通信传输控制信号选择目标设备要求有通信单元，如发射机和接收机，这些单元可以是上述设备的一部分或是与其相连接。为了将数据或控制信号经通信传输，比如，到打印机，用户必须提供识别打印机的选择标准。如预先已知设备地址，通常就将其用作选择标准。然而，通过物理方式定向到设备的选择方式更自然和对用户友好，而且不要求了解设备地址。

在美国专利5963145中，比如，就描述了一种现有的通过物理方式定向到设备来完成选择的技术。此专利描述了一种具有手持发射机的系统，其中的发射机可以以不同的红外频率沿着发散的定向轴，向要选择的设备发送位置信号。根据这些位置信号的信号强度，与所选择的设备相连接的传感器判断手持发射机的位置，然而，在美国专利5963145中描述的这一系统中，当同时使用一个以上的手持发射机时多半会发生干扰问题。此种干扰问题的出现是因为接收位置信号的目标设备必须是广角敏感的(比如依靠采用广角光电二极管)，而这又使得在希望的控制信号之外还会接收到干扰信号。在美国专利5963145中描述的这一系统的第二个缺点是必须使用红外线。

在PDA、移动终端和打印机中，射频无线通信(比如，使用Bluetooth^TM(见http://www.bluetooth.com))正在迅速取代红外通信。这些设备通常装设有全向天线。这样，在此环境下，在美国专利5963145中描述的定向技术没有用处。

因此，考虑到现有的选择目标设备的技术的上述局限性，明显需要一种在非定向无线通信环境下可行的在设备网络中选择目标设备的装置和方法，无需定向通信，如红外通信，另外的支持，并且没有红外系统的上述缺点。

发明内容

本发明可提供一种具有可选目标的设备网络，此设备网络的构成包括一个控制器，多个目标设备，以及一个或多个每一个都可相对目标设备移动的选择设备，其中每个选择设备包含用来检测其本身相对外坐标系的位置及取向的装置，用来生成至少一个结合检测到的位置及取向的信号的装置，以及用来向控制器发射信号的装置，并且其中控制器存储每个目标设备相对外坐标系的位置并判断选择设备的位置和取向和任何目标设备的位置是否具有预定的关系，如是，就选择该目标设备。

附图说明

下面参照附图对本发明的具体实施方式予以说明，附图中：

图1为根据本发明的优选实施例的具有多个设备的设备网络的总方块图。

图2为示出在图1的设备网络中定向到目标设备的选择设备的总方块图。

图3示出用于图1的设备网络的坐标系。

图4为示出藉助图1的设备网络的控制器处理位置数据的流程图。

图5为用来选择图2中的目标设备的方法的流程图。

图6为根据本发明的另一优选实施例的设备网络的总方块图。

具体实施方式

参照图1，其中示出根据本发明的优选实施例的具有多个设备的设备网络10的总方块图。多个设备包含代表设备网络10的不同类型设备的4组设备12、14、16及18。

4组设备12、14、16及18在设备网络10内经由多个用来处理信号(包括控制信号和数据信号)的通信资源互相连接。此种通信资源包含通信缆线20、22和射频(RF)信道24。在图1中，这些通信资源20、22、24采用字母下标用以区分每种类型的不同通信资源。

两组设备12、14提供目标设备12a、12b、12c、14a、14b，14c，比如，电气或电子设备。这些设备包括空调器、电视机、立体声音响系统、复印机、打印机或屏幕显示器。因此，对于采用设备网络10的办公室环境，设备组14可代表打印机，而设备组12可代表屏幕显示器，包括投影仪。

设备组16提供选择设备16a、16b、16c，比如，用户工作站、移动终端、个人数字助理(PDA)或任何其他可相对目标设备12a、12b、12c、14a、14b，14c移动的手持设备。此外，选择设备16a、16b、16c也允许用户输入来选择一个或多个目标设备。

设备组18提供控制器18a、18b，分别经由通信缆线20、22和RF信道24连接到目标设备12a、12b、12c、14a、14b，14c和选择设备16a、16b、16c。这些是双工模式通信信道。

利用选择设备16a、目标设备12a和控制器18a作为示例，图2示出在设备网络10中定向到目标设备12a的选择设备16a(比如手持单元)的一个具体实施例。

在图2中还示出定向轴32，此定向轴32相对选择设备16a是固定的。就是这个定向轴32要在预定的限度内至少大致对准目标设备12a以便选择目标设备12a(即定向轴32必须大致定向到此目标设备)。选择设备16a上示出一个提供定向标志的显示屏33，比如，一个箭头34，此箭头34与定向轴32方向一致而可以使用户了解何时定向轴32定向在目标设备12a。然而，显示屏33是一个选件，只要用户可以以其他方式将定向轴32与选择设备16a对准，比如，定向轴32与选择设备的纵轴重合，可以不需要显示屏33。

选择设备16a具有用来检测其位置及其定向轴32的取向从而可以提供当定向于目标设备12a时的位置及取向数据的装置，用来生成包含位置数据的控制信号的装置以及用来经由RF信道24a发射至少一个控制信号的装置。控制器18a，比如，可以是集线器或节点控制器。控制器18a将数据和控制信号发射给目标设备(比如打印机)，在该设备被选择时。

更具体说，检测装置是以一种空间检测器26的形式利用相对设备网络10的基准位置的坐标系来判断设备位置。一种合适的形式的传感器是微型加速度表，其输出(加速度)对时间进行二重积分而求得位置。AnalogDevices of Norwood，Massachussettes，USA(www.analog.com)公司生产这样一种设备，其产品号为ADXL505。如果在选择设备与固定(或锚定)基准设备接近时能采用重新校准技术减小测量误差也很好。换一种或增加一种方法是可以采用卡尔曼滤波技术来克服在长时期内累积的误差影响。换一种方法是，如果使用的RF通信是超宽频带(UWB)类型，利用UWB专用装置，如在本发明援引其内容作为参考的美国专利6002708中描述的装置，可以获得高精度的位置数据。这后一种方法在UWB通信流行时将会成为优选，其优点是不需要加速度表。

检测装置还包括用来判断选择设备16a在其当前位置的取向的角度传感器28。这一取向至少是根据相对设备网络10的两个现有的基准轴的两个角度确定的。角度传感器28可以是，比如，角度检测陀螺仪或利用角速率检测陀螺仪的角速率的输出对时间的积分获得此取向的传感器。角度检测陀螺仪的一个示例是加州Berkeley大学(http://berkeley.edu/mems.html)的编号为“B99-003”的产品。合适的角速率检测陀螺仪的示例为日本Murata制造公司的两种，型号为ENC-03J和ENV-05D052。

在设备网络10中应用的坐标系示于图3。从图3可见，坐标系的3个互相正交的坐标轴，比如，相当于几何笛卡尔坐标系X轴、Y轴和Z轴。位置检测，或定位，利用几何笛卡尔坐标系(x，y，z)可确定选择设备16a在空间的位置。取向，即选择设备16a沿着朝向目标设备12a的定向轴的方向，是由两个角度(φ，θ)测定的。

为方便起见，本说明书假设采用(x，y，z)和(φ，θ)分别表示设备12、14、16的位置及取向。在此发明的具体实施例中可以使用其他的等效坐标系，虽然这里未介绍，因为一个坐标系之中的坐标和角度可以用来计算此种其他等效坐标系之中的相应的坐标和角度。

原点(0，0，0)的选择是不重要的，因为在本发明的具体实施例中利用所使用的坐标系测定的距离是相对距离。相互正交的坐标轴的选择也不重要。一般，但不是必须，Z轴的方向是重力“向上”方向。因此，这允许X轴或Y轴的方向与某一选定点的地球的磁子午圈的方向一致，从而为全部3个坐标轴提供了方便的定义。其他的定义也同样可以采用，只要能保证使用的前后一致。必须使所有参加上面的计算的设备12、14、16参考的是同一坐标系和基准轴以保证一致性。

下面再参考图3。选择设备16a定位于坐标为(x₁，y₁，z₁)和(φ₁，θ₁)的点P，两者分别代表选择设备16a的位置和取向。设(x₂，y₂，z₂)表示位于由点Q代表的位置的目标设备12a的坐标。X′、Y′和Z′是平行X、Y、Z轴并通过P点。因此，Q′是Q在X′Y′平面上的投影。于是，φ₁是X轴和pQ′之间的夹角。θ₁是Z轴和矢量PQ之间的夹角。N和M分别是Q在X′轴和Z′轴之上的投影，见图3。

从对三角形pQ′N的分析可知：

tan(φ₁)＝Q′N/PN＝(y₂-y₁)/(x₂-x₁)   ……(式1)

对三角形PQM的分析可知：

cos(θ₁)＝PM/PQ＝(z₂-z₁)/d    ……(式2)

其中d＝PQ，是在点P的选择设备16a和在点Q的目标设备12a之间的距离。

式1和式2可用来确定本发明中的具体实施例中的选择设备16a的位置和取向以及目标设备12a的位置和取向。很明显，目标设备的位置也必须藉助(x₂，y₂，z₂)表示。

选择设备16a的生成装置包括一个用于处理基于上述坐标系的坐标所提供的位置和取向数据的信号处理器29。此信号处理器将位置和取向数据结合到控制信号中。之后，由发射机31构成的发射装置经由RF信道24a向控制器18a发射控制信号。发射装置的一个例子是Bluetooth^TMRF无线通信接口。控制信号可以编码为，比如，包含位置及取向数据的消息分组并通过Bluetooth^TM连接进行通信传输。

选择设备16a还包括用户输入装置30，这一装置可以是，比如，小键盘。输入装置30，与信号处理器29连接，使用户可以提供用户的输入以激活信号处理器29来判断选择设备16a的位置和取向。

目标设备12a包括一个用来经由通信缆线22a接收来自控制器18a的数据信号和控制信号的接口35。此种接口35包含业界公知的通信单元。除此之外，目标设备12a还包括一个与接口35相连接用来处理具有嵌入的位置数据的控制信号的信号处理器36。此种控制信号包含接收到的来自控制器18a的目标控制信号，其中提供必需的基准位置数据。

在图4的流程图中示出的处理步骤40描述了控制器(比如18a)判断目标设备(比如12a)是否被选择的方法，判断的根据是选择设备(比如)16a的位置和取向数据以及目标设备(如12a)的位置数据。这些位置和取向数据的处理如图4的流程图所示。

处理40从步骤41开始，在此步骤中从选择设备16a发射的控制信号取得选择设备16a的位置坐标(x₁，y₁，z₁)和取向坐标(φ₁，θ₁)。在步骤41之后，处理40继续执行步骤42以取得目标设备12a的已知位置坐标(x₂，y₂，z₂)。在步骤43控制器18a将利用下式计算角度φ：

φ＝tan^-1(y₂-y₁)/(x₂-x₁)}，

在计算出φ之后，处理40继续执行判断步骤44，控制器18a将判断φ是否处在φ₁的邻域，即在(φ₁-δφ，φ₁+δφ)域内，其中δφ是适当选择的角度窗口。

δφ的值可根据选择器上的目标设备的宽度对着的角度和发生选择所要求的取向的精度计算。例如，δφ＝k.1/2.tan^-1(w/PQ)，其中w是对着选择器的目标的宽度，而k是标称值为1的常数，并且可以增加或减小以使选择窗口变宽或变窄。

如判断步骤44的回答为“是”时，处理40进入步骤45。在步骤45，角度θ利用下式计算：

θ＝cos^-1(z₂-z₁/d)，

其中d＝P和Q之间的距离

＝sqrt{(x₂-x₁)²+(y₂-y₁)²+(z₂-z₁)²)}

否则，在判断步骤44的回答为“否”时，处理40在结束步骤46上停止而目标设备12a就未被选择。

在判断步骤47，在计算角度θ时，控制器判断θ是否在(θ₁-δθ，θ₁+δθ)域内，其中的δθ是适当选择的角度窗口。

δθ的值可根据选择器上的目标设备的高度对着的角度和发生选择所要求的取向的精度计算。例如，δθ＝k.1/2.tan^-1(h/PQ)，其中h是对着选择器的目标的高度，而k是标称值为1的常数，并且可以增加或减小以使选择窗口变宽或变窄。

如判断步骤47的回答为“是”，处理40进入步骤48，并且在此步骤选择目标设备12a。否则的话，处理40不选择标设备12a，在回答为“否”时，在结束步骤46上停止。

参考图5，其中的流程图示出用来选择设备网络10中的一个或多个目标设备的方法50。利用图2所示的目标设备12a、选择设备16a和控制器18a，此方法在步骤51开始并进入步骤52，而在步骤52中控制器18a从选择设备16a接收至少一个控制信号。当选择设备16a定向到目标设备，比如12a，此控制信号具有，比如，选择设备16a的位置和取向数据。

其后，方法50进入步骤53，在步骤53中控制器18a处理位置和取向数据以便判断选择设备16a相对目标设备12a的位置和取向。接着进入判断步骤54，控制器18a判断，利用上述的方法40，是否可以根据控制信号提供的位置数据识别目标设备12a。

在判断步骤54结果为“是”时，方法50进入步骤55。在步骤55中，当判断位置数据足以识别目标设备12a时，控制器18a生成至少一个目标控制信号来激发目标设备12a去处理选择设备16a结合控制信号提供的数据信号。

否则，在判断步骤54的回答为“否”时，方法50结束，而目标设备12a就未被选择。这种情况可能发生在，比如，选择设备16a的定向轴32未能合适地或足够地与目标设备12a的方向对准时。

方法50描述了从设备组12中选择单个目标设备12a的过程。然而，定向轴32可能被确定为定向到设备组12中的一个以上的目标设备，比如，由于目标设备之间过于靠近和/或角度窗口δφ，δθ对于甄别而言过宽，以及由于其他原因等等。在这种场合，可结合上述的方法50对甄别应用不同的选择标准和缩小选择范围。比如，当(几个)目标与选择器共线时，一个选择标准是使用距离来识别所要求的距离选择设备最近的目标设备。另外一种方法是采用属性匹配作为另一种选择标准，比如，从设备组12中挑选最少用的设备。还有一种选择标准是令用户通过显示屏33上的可视显示菜单以交互方式选择目标设备12a。另外还有一种选择标准是令用户或目标设备12a的管理员判断是否要处理至少一个目标控制信号和判断是否要使目标设备12a成为可以选择的。这些方法可以与上述方法50结合以求缩小选择范围，如下述。

比如，当设备组12是一组打印机时，可以采用负载平衡标准，即控制器18a跟踪每个打印机的服务负载并认为负载最少的打印机是选择目标。另外的方法是，控制器18a可回送一个控制信号给选择设备16a，包含一个可供选择的一个或多个的目标(比如12b、12c)的列表，也可以带上或不带对目标的介绍。之后，选择设备16a将这一列表在显示屏33上显示给用户，允许用户以交互方式进行选择，选择结果(比如12c)以控制信号形式发送给控制器18a，而控制器18a藉此选择所挑选的目标(12c)。

还有一种可以从设备组12或设备组14中选择一个以上的目标设备的方法是根据信号处理器29如何处理一个或多个控制信号和用户的输入。比如，用户，通过保持用户输入装置30为激活状态，将选择设备16a置于扫描模式。在此扫描模式中，选择设备16a完成扫描运动来从设备组12或设备组16中选择一个以上的目标设备。之后，接连启动处理40和方法50来顺序选择目标设备12a、12b、12c、14a、14b，14c。

图6中的示意方块图示出根据本发明的另一具体实施例的设备网络60。在此设备网络60中，连接控制器18a、18b到设备组12中的目标设备12a、12b、12c的通信资源是RF或IR信道61a、61b。因此，设备网络60代表一个其中的信号，如控制信号和数据信号，是经由RF或IR信道24a、24b、61a、61b通信的无线设备网络。

本发明的再一个具体实施例是应用在无计算功能的目标设备(如12、14)；比如，挂在墙上的画或超市中的货架。代替的方法是，将其位置数据存储于控制器18a中，并且从而在此具体实施例中就不需要通信资源20、22。选择目标，比如，12a，的行动，如前所述，是利用方法50和40通过控制器18a确定。选择一个目标将导致控制器完成一个动作，这一点，这种场合，取决于选择目标的个体，不过，与前面讨论过的具体实施例不同，不涉及与选择目标的通信。比如，目标12a、12b、12c、12d可以是挂在墙上的画，选择一个目标，12a，将导致控制器18a，比如，发送一个控制信号到选择设备16a，结合涉及绘画12a的信息，之后将该信息显示于设备16a的显示屏33上。同样，在超市浏览应用中，当通过定向选择货架时，关于货架上的商品的信息可显示于显示屏上。

本发明的优选实施例的优点是多重的。随着选择设备，比如PDA，越来越多地装备RF通信，比如蓝牙，本发明的优选实施例的优点是变得日益明显。此处公开的本发明允许可以进行无线通信的选择设备无需添加硬件，如IR，就可以完成目标选择。这意味着选择功能可以纯粹以软件或在现成的硬件之上实现，这在成本上是经济的。

本发明的优选实施例的再一个优点是选择目标设备不要求定向通信资源，如红外信道。因此，在本发明的设备网络中不会碰到像从其他采用这样的定向通信资源并且在同一设备网络中操作的设备产生信号干扰这样的固有问题。

涉及无计算功能的目标，比如，超市的货架，的本优选实施例的第三个优点是不需要对每一个这样的目标安装硬件，其结果是与现有的技术相比较可以节约大量的硬件成本。

本发明的另一具体实施例的工作原理是只需要确定一个取向角。换言之，就是确定一个“取向平面”，而不是“定向线”。不过，这种方法不大有利，因为不需要的物体可能处于此平面中而被选择。可能需要某种程度的过滤，就像在上述关于“缩小选择范围”中讨论的那样。

Claims (9)

1.一种具有可选目标的设备网络，此设备网络的构成包括一个控制器，多个目标设备，以及一个或多个每一个都可相对目标设备移动的选择设备，其中每个选择设备包含用来检测其本身相对外坐标系的位置及取向的装置，用来生成至少一个结合检测到的位置及取向的信号的装置，以及用来向控制器发射信号的装置，并且其中控制器存储每个目标设备相对外坐标系的位置并判断选择设备的位置和取向和任何目标设备的位置是否具有预定的关系，如是，就选择该目标设备。

2.如权利要求1的设备网络，其中多个目标设备中的每一个或者通过有线连接或者通过无线连接与控制器相连。

3.如权利要求1的设备网络，其中，控制器与每个目标设备通信并对选择的目标设备启动相应的处理。

4.如权利要求1的设备网络，其中控制器不与每个目标设备通信并对未被选择的目标设备启动相应的处理。

5.如权利要求1的设备网络，其中控制器通过确定目标设备相对选择设备的取向和比较如此确定的目标设备的相对取向与选择设备的取向来判断选择设备的位置和取向是否和任何目标设备的位置具有预先确定的关系。

6.如权利要求1的设备网络，其中选择设备的信号的生成和发射是由用户对选择设备的输入启动的。

7.如权利要求1的设备网络，其中选择设备利用输出为二重积分给出位置输出的加速度表或利用UWB检测其位置。

8.如权利要求1的设备网络，其中选择设备利用陀螺仪检测其取向。

9.如权利要求1的设备网络，其中所述每个选择设备包括定向装置，使选择设备与目标设备对准。

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