CN101138281A - 用于无线照明分配的墙检测 - Google Patents

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CN101138281A CNA2006800078584A CN200680007858A CN101138281A CN 101138281 A CN101138281 A CN 101138281A CN A2006800078584 A CNA2006800078584 A CN A2006800078584A CN 200680007858 A CN200680007858 A CN 200680007858A CN 101138281 A CN101138281 A CN 101138281A
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Abstract

用于确定建筑物内隔断墙位置的方法采用节点的无线互连网络来利用(i)指示两个通讯节点间间距的信号强度指示(RSSI)值和飞行时间(ToF)值来确定所选节点的相对空间位置。由RSSI值获得网络拓扑的第一图，由ToF值获得网络拓扑的第二图。RSSI值受建筑物隔断墙的影响，而ToF相对地不受建筑物隔断墙的影响。将第一图和第二图的比较用于确定建筑物内隔断墙的位置。

Description

用于无线照明分配的墙检测
技术领域
本发明涉及用于管理建筑物内无线照明节点的方法和仪器，具体涉及将若干照明节点或照明器中的每一个分配给各自的开关控制节点。
背景技术
在建筑物中使用无线受控照明单元或照明器(以下指照明节点)正变得越来越普遍，因为这可以充分减小照明安装成本。照明开关或启动传感器(以下指开关控制节点)与照明节点间的物理连线由无线(如无线电)连接代替。所有的照明节点和开关控制节点只需要与适当的电源连接而不需要电学连接。每个照明器包括无线接收机，每个开关控制节点包括无线发送机。在管理期间，识别每个照明器并将其分配给特定的一个或多个开关控制节点。通常，将多个照明器分配给一个特定的开关控制节点，如用于操作一个大房间内的多个照明器。
先前技术的显著缺点是管理过程费时且会干扰建筑物内的其它相关继续进行他们的工作。例如，管理电工通常必须启动建筑物内的照明器或照明器组来了解决那些照明节电应该被分配给那些开关控制点。在继续这个操作时，该建筑的其它部分可能是黑暗的。另一个缺点是节点分配的任务是一种需要照明控制专家支持的技术性工作。
通常，照明接点根据它们位于的房间被分组以分配到开关控制节点。
大量先前技术文档(如WO 01/97466，和Patwari等：“RelativeLocation Estimation in Wireless Sensor Networks”，IEEE Transactionson Signal Processing，vol.51，no.8，August 2003)已经解决了涉及空间中定位网络中无线节点的问题，但它们都没有具体解决自动将照明节点分配给开关控制节点的问题。
特别地，美国专利申请2002/0122003和Qi等“On relat ion amongTime Delay and Signal  Strength based Geolocation Methods”  ，Globecom 2003中公开了利用“飞行时间”(ToF)或“到达时间差”(TDoA)技术和/或接收的信号强度指示(RSSI)技术和/或“到达方向”技术来通过三角关系计算物体位置从而在建筑物内定位包括无线转发器的物体的方法和仪器。
发明内容
本发明的目的是克服或减轻上述缺点中的至少一部分。
根据一个方面，本发明提供了一种利用节点的无线互连网络在建筑物内确定隔断墙位置的方法，该方法包括下述步骤：
利用指示两个通讯节点间间距的接收信号强度指示(RSSI)值来建立节点间的无线通讯从而确定所选节点的相对空间位置，并由此生成网络拓扑的第一图；
利用指示两个通讯节点间间距的飞行时间(ToF)值来建立节点间的无线通讯从而确定所选节点的相对空间位置，并由此生成网络拓扑的第二图；
比较所述第一和第二图以确定建筑物内隔断墙的位置；
根据另一方面，本发明提供了一种利用节点的无线互连网络来确定建筑物内隔断墙位置的仪器，其包括：
第一图生成器，用于从网络中的若干节点接收若干接收信号强度指示(RSSI)值，每个接收信号强度指示(RSSI)值都指示利用节点间无线通讯建立的两个通讯节点间的间距，并由此生成网络拓扑的第一图；
第二图生成器，用于从网络中的若干节点接收若干飞行时间(ToF)值，每个飞行时间(ToF)值都指示利用节点间无线通讯建立的两个通讯节点间的间距，并由此生成网络拓扑的第二图；以及
比较器模块，用于比较所述第一和第二图以确定建筑物内隔断墙的位置。
附图说明：
以下将参考附图，以实例的方式对本发明的实施例进行说明，其中：
图1示出了显示照明器、开关控制单元和网关的位置并示出了用于定位照明器位置的三角测量原理的示意建筑物平面图；
图2示出由RSSI测距和ToF测距确定的照明安装拓扑的示意平面图；
图3示出由ToF测距确定的照明安装拓扑的示意平面图；
图4示出由使用RSSI测距确定的图3照明安装的示意平面图；
图5示出图4和图5的照明安装的实际地面设计的示意平面图；以及
图6示出用于根据由ToF测距数据和RSS I测距数据确定的节点位置来将照明节点分配给开关控制节点的控制节点的示意图。
具体实施方式
许多技术可用于确定网络中的无线连接节点的空间位置。一个实例是信号“飞行时间”(ToF)方法，其中，信号通过节点间所用的时间被用于估算节点间的距离。这提供了节点间距离的非常精确的估算，且对信号节点间的物理阻碍相对免疫。因此，这是用于确定节点间距离的一种常用方法。一种备选技术是采用接收信号强度指示(RSSI)测量结果来提供对两个节点间距离的估算。因为接收信号强度会随距离增加而减小，所以RSSI读数会转变为对距离的实际估算。
RSSI技术比ToF测距精确度稍差，通常较少被用于自动位置检测。RSSI测距的一个特征是它在室内环境中会受到建筑物内的墙和其它隔板的吸收和分散影响。然而，本发明人认识到该显而易见的缺点在某些情况下实际上会成为定位的积极优点。
通过将由飞行时间测距确定的网络拓扑与由RSSI测距确定的网络拓扑比较，可以确定不同节点间存在的墙、隔板和其它物体的位置。在照明系统的管理中，当必须确定哪些照明节点应该由哪些开关节点控制时，这可能是有用的信息。在本说明书中，该词“隔断墙”意指包括所有将建筑物中空间分开的分隔物，这些分隔物的存在可以通过将ToF测距信号和RSSI测距信号比较来确定。在本说明书中，该词“飞行时间”测距意指包括所述相似的“到达时间差”(TDoA)测距技术。
图1示出建筑物101的楼层平面图，其中，在建筑物的一个房间中标识有多个照明器104、开关控制单元102、103和网关设备。当然，该楼层平面图也可扩展到该楼层的其它房间以及建筑物的其它楼层。每个照明器104可以与公用的电源、不同的电源或电源不同相位相连，也可以通过有线或无线总线与建筑物管理系统(未示出)相连。优选地，每个照明器和开关控制单元与至少一个网关节点G1、G2、G3进行无线通讯。所述网关节点通常直接与建筑物管理系统进行有线通讯。开关控制单元102、103可以是适用于对相关的照明器进行控制的任意类型，诸如移动传感器或存在检测器102和调光控制器103等。当然，开关控制单元102、103也可以是适用于与其它类型的建筑物服务设备诸如加热器和空调单元等配合使用的其它类型(如恒温器等)。
为了开始所述管理过程，可以采用至少三个清楚标识已知位置(绝对或相对)的无线设备来提供固定参考点。这三个设备可以是网关设备G1、G2、G3，尽管可以选择任意三个设备。这些设备都要在至少一个照明器104等的距离内以开始该过程。可以发送信号，从而给出每个发送设备的位置并允许接收设备利用飞行时间测量它的距离。使用三个这样的测量结果允许接收设备利用众所周知的三角测量技术来确定它的位置。
例如，照明器20已经检测到分别由网关G1、G2、G3发送的表示为距离R1、R2、R3的三个这样的信号。照明器设备20利用这些距离和网关设备G1、G2、G3的发送位置通过三角关系来计算它自己距离信号距离R1、R2、R3的各自位置21、22、23的交点的位置。可以将该信息与设备的独一标识(如IEEE地址或网络局域地址)、特定的设备类型和它的计算位置结合，并通过网络送回建筑物管理系统中。
每个接收设备也利用接收的信号强度指示来确定它距离由距离R1、R2、R3表示的三个信号的位置。因此，每个设备获得适于通过两种方法利用三角关系计算它的位置的信息，首先是ToF测距，第二是RSSI测距。
一旦成功确定一个无线设备的位置，如果存在网关G1、G2、G3的无线传输距离以外的任何无线设备，所述位置就可以用作一个已知位置固定参考点来帮助确定其它无线设备的位置。该过程可被用于在建筑物层级传播来管理每个灯、传感器和开关。
当试图将开关控制设备分配给照明器后，重要的是知道照明器阵列的拓扑以及开关或存在检测器等与它们要控制的照明器的相对位置。知道房间的墙在哪里也是非常重要的。具体而言，必须知道开关位于墙的哪一侧，以便可以将开关分配给正确的房间中的照明器。
由于信号强度随距离减小，因此RSSI测量结果可被用于估算无线节点间的距离。然而，由于弥散和吸收，信号强度也会由于墙的存在而减小，从而使报告的距离大于实际值。这对本申请来说是有帮助的，因为相同房间内的节点自然地会比墙的另一侧上的节点要靠近，这会帮助决定可以将哪些节点分组在一起。
然而，有一些配置会对该技术造成很大的困难。设想在通常的高办公区的安装，其中办公空间包括许多围绕中央楼梯井28的照明节点1...4和6...12，如图2所示。要试图单独使用RSSI测距会有麻烦，因为围绕楼梯井中的节点(如节点5)的墙25会使这些节点看起来比它们实际上更远离其它节点：节点5的显而易见的位置由以虚线所示的“虚拟”节点5表示。然而，它们无法同时被感觉既是在距离最北的节点(如节点4，距离由线26所示)的实际位置的南面，又是在最南节点(如节点6，距离由线27所示)的北面。单独利用RSSI测距的位置检测算法不容易解决该问题。
与RSSI测距相比，由飞行时间(ToF)测量结果推出的位置不受墙的影响，从而报告的距离更加准确，即使有墙25存在。然而，ToF不能用于检测墙25的位置，这是不利的方面。重要的是知道这些墙与开关和照明器的相对位置，因为自动管理系统必须能够根据它们所在的房间对节点进行分组。
本发明的解决方法是利用由RSSI和ToF测量获得的距离读数，并比较这些结果。当在某个特定的节点对间存在墙时(如节点4和5，或节点5和6)，报告的RSSI距离和ToF距离就会不匹配，从而指示该信号已经穿过诸如墙或建筑物隔断等物体。
将RSSI测量结果与由Tof读数给出的更精确距离比较也可以确定当开关控制单元(如102、103)在墙的另一侧，因为墙本身会吸收一些信号强度。即使另一间房间中的任何照明器比相同房间中用作开关控制单元的任何照明器物理上更近，RSSI读数都会显示它们距离更远。知道墙的位置可以允许进行正确的分配。
作为示例实施例，考虑更复杂的办公室布局，这里大的楼层区域通过增加隔断墙被分为较小的办公室。
为了获得用于将照明器正确分配给开关所需的测距精确度，利用飞行测距推出整个楼层平面图所有无线节点的拓扑。然而，为了确保不会将开关错误地分配给另一房间中的照明器，也采用RSSI测距来检测隔断墙的位置。
通过将ToF和RSSI测量结果比较，可以容易地推断出墙的存在。这将允许比单独使用RSSI测距或ToF测距更少错误地进行分配。图3示出了单独由ToF信息推出的一组照明器31...38和开关30、39的位置。在没有比较信息的情况下，分配算法可能将照明器分为两组，每组4个：即将节点31、33、35和36分配给左手开关30，节点32、34、37、38分配给右手开关。
当评估来自RSSI测量结果的信息时，如图4所示，会发现节点35、36比ToF测量结果报告的离其它照明器的距离更远。这表明照明器不同组。当将RSSI读数与ToF测量结果相比时，可以产生组合的拓扑，如图5所示。在该拓扑中，从由两组测量结果报告的距离的不同可以推断出墙的位置50。在RSSI图中的一些节点的间距大于ToF图中这些节点的间距。这为分配算法提供了根据照明器所在的房间对它们进行分组并将正确的开关分给每一组所需的信息。
如果只使用ToF测距，则将无法可靠地确定将哪些灯分配给哪个开关。如果只用RSSI测距，则照明器偏离它们的真实位置可能也会导致照明器被错误分配，这可以从图2中看出。
参考图6，中央控制节点60包括用于接收关于网络中的照明节点和控制节点位置的信息的转发器61，以及用于由此产生网络拓扑图的图生成模块62。生成的图包括根据ToF测距确定的第一图63和根据RSSI测距确定的第二图64。图63、64被存储在存储器65中。比较器模块66比较如由第一和第二图63、64指示的节点分组来定位建筑物墙或隔断的位置。分组模块67利用这些差别来确定应该怎样将照明节点按房间分组。然后，配置模块68利用转发器31将配置信号发送给适当的照明节点和相关的开关控制节点，从而将适当的照明节点分配给各自的开关控制节点。中央控制节点60的功能可以设置在指定照明节点或专指定开关控制节点中，或在专用中央控制器中，诸如建筑物管理系统。
优选地，图生成模块62、比较器模块66、分组模块67和配置模块68的功能由适当编程的微处理器执行。
如果由要在相同房间中的系统确定的照明节点的数目大于特定的照明节点数，那么根据某种分组逻辑，可以将这些节点在那间房中的两个或多个开关控制节点间进行分配。例如，照明节点的第一组中的一些节点(对应第一照明区域)可以被编程以响应一个开关控制节点，而第一组照明节点的其它节点(对应第二照明区域)被编程以响应另一开关控制节点。
将开关控制节点编程或分配给各自的照明节点的任务可按以下方式进行：(i)将所选的开关控制节点编程以控制(即发送信号给)特定的照明节点；(ii)将所选的照明节点编程以响应来自特定开关控制节点的信号；或(iii)上述(i)和(ii)的组合。
从以上可知，确定照明节点的相对位置和分配适当的开关控制节点的动作可以以分布式或全局方式进行。换句话说，可将中央控制节点60用于接收所有的拓扑信息并为适当的开关控制节点分配特定的照明节点。备选地，如上所述，每个开关控制节点30、39可以确定并分配它自己的照明节点。
利用三个“参考”无线设备的已知绝对空间位置或者已知相对空间位置，对优选实施例进行了说明。然而，要明白的是，所述三个参考设备可以是未知位置的，并可被用于开始产生一个相对的图的过程。例如，可以给第一参考节点分配一个二维位置(0，0)。然后，可以给第二参考点分配给一个二维位置(距离，0)或(0，距离)，这里距离是第一两个参考节点间的距离。可以给第三参考点分配一个由从第一和第二参考节点的距离所确定的位置。然后，可以对所有其它节点相对这三个参考节点进行定位。
关于建筑物中的无线控制照明节点的安装和管理，对本发明进行了具体说明。要明白的是，可以将类似的原则应用于安装在建筑物内的其它形式的无线可控设备，可能需要对这些设备分组用以由远处的开关控制节点按房间进行控制，诸如空调或其它通风单元、窗户挡板或窗帘等。因此，本文所用的该词“建筑物服务设备”包括所有安装在建筑物中的这些远程可控电学设备。
其它实施例也在所附的权利要求的保护范围内。

Claims (22)

1.一种利用节点(102、103、104、G1、G2、G3)的无线互连网络确定建筑物(101)内隔断墙(25、50)的位置的方法，其包括步骤：
利用指示两个通讯节点间间距的接收的信号强度指示(RSSI)值来建立所述节点间的无线通讯从而确定所选节点的相对空间位置，并由此生成所述网络拓扑的第一图(64)；
利用指示两个通讯节点间间距的飞行时间(ToF)值来建立所述节点间的无线通讯从而确定所选节点的相对空间位置，并由此生成所述网络拓扑的第二图(63)；
比较所述第一和第二图以确定所述建筑物内隔断墙的位置。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括步骤：
利用所述隔板墙(50)的确定位置将每个节点(31...38)分配给所述节点所在的所述建筑物的各自房间。
3.根据权利要求2的方法，其中
所述节点包括建筑物服务设备节点(1...12、31...38)和开关控制节点(30、39)。
4.根据权利要求3的方法，进一步包括步骤：
基于所述的各自的房间分配，将每个服务设备节点分配给至少一个相关的开关控制节点。
5.根据权利要求4的方法，其中，所述分配步骤包括步骤：
将第一房间中的第一组服务设备节点(31...34、3 7、3 8)的每个节点编程以响应第一开关控制节点(39)，将第二房间中的第二组服务设备节点(35、36)的每个节点编程以响应第二开关控制节点(30)。
6.根据权利要求4的方法，其中，所述分配步骤包括步骤：
将第一开关控制节点(39)编程以控制第一房间中的第一组服务设备节点(31...34、37、38)的每个节点，以及将第二开关控制节点(30)编程以控制第二房间中的第二组服务设备节点(35、36)的每个节点。
7.根据权利要求5或6的方法，其中
所述第一开关节点(39)位于所述第一房间中，所述第二开关节点(30)位于所述第二房间中。
8.根据权利要求1的方法，其中，所述确定所述隔板墙(25、50)的位置的步骤包括：
确定由所述第一图(64)指示的节点空间间距在哪里大于由所述第二图(63)指示的节点空间间距。
9.根据权利要求1的方法，其中，所述建立节点间无线通讯的步骤包括：
分别对目标节点和所述目标节点的通讯距离内的若干其它节点中的每一个节点间的信号测量RSSI和ToF值，用以确定所述目标节点和所述若干其它节点中的每一个间的间距。
10.根据前述权利要求中任意一项的方法，其中
每个建筑物服务设备节点包括照明器(104)，每个开关控制节点包括开-关开关(30、39)、调光控制器(103)、移动传感器或存在传感器(102)。
11.根据权利要求1至9中任意一项的方法，其中
每个建筑物服务控制设备包括任何加热单元、通风单元或空调单元。
12.利用节点的无线互连网络来确定建筑物(101)内隔断墙(25、50)的位置的仪器，其包括：
第一图生成器(62)，用于从所述网络中的若干节点接收若干接收信号强度指示(RSSI)值，所述每个接收信号强度指示(RSSI)值都指示利用所述节点间无线通讯建立的两个通讯节点间的间距，并由此生成所述网络拓扑的第一图(64)；
第二图生成器(62)，用于从所述网络中的若干节点接收若干飞行时间(ToF)值，所述每个飞行时间(ToF)值都指示利用所述节点间无线通讯建立的两个通讯节点间的间距，并由此生成所述网络拓扑的第二图(63)；以及
比较器模块(66)，用于比较所述第一和第二图以确定所述建筑物内隔断墙(25、50)的位置。
13.根据权利要求12的仪器，进一步包括：
微处理器，适用于利用所述隔板墙的确定位置将每个节点(31...38)分配给所述节点所在的所述建筑物的各自房间。
14.根据权利要求1 3的仪器，其中
所述节点包括建筑物服务设备节点(1...12、31...38)和开关控制节点(30、39、102、103)。
15.根据权利要求14的仪器，进一步包括：
基于所述的各自的房间分配，用于将所述每个服务设备节点(31...38)分配给至少一个相关的开关控制节点(30、39)的装置(67)。
16.根据权利要求15的仪器，其中，所述用于分配的装置(67)包括：
用于将第一房间中的第一组服务设备节点(31...34、37、38)的每个节点编程以响应第一开关控制节点(39)以及将第二房间中的第二组服务设备节点(35、36)的每个节点编程以响应第二开关控制节点(30)的装置(68)。
17.根据权利要求15的仪器，其中，所述用于分配的装置(67)包括：
用于将第一开关控制节点(39)编程来控制第一房间中的第一组服务设备节点(31...34、37、38)的每个节点以及将第二开关控制节点(30)编程来控制第二房间中的第二组服务设备节点(35、36)的每个节点的装置(68)。
18.根据权利要求16或17的仪器，其中
所述第一开关节点(39)位于所述第一房间中，所述第二开关节点(30)位于所述第二房间中。
19.根据权利要求16或17的仪器，其中，
所述用于编程的装置(68)包括用于通过所述网络向每个节点发送节点配置指令的装置。
20.根据权利要求12的设备，其中
所述用于确定隔断墙位置的比较器模块(66)确定由所述第一图(64)指示的节点空间间距在哪里大于由所述第二图(63)指示的节点空间间距。
21.根据权利要求12至20中任意一项的仪器，其中
每个建筑物服务设备节点包括照明器(104)，每个控制节点包括开-关开关(30、39)、调光控制器(103)、移动传感器或存在传感器(102)。
22.根据权利要求12至20中任意一项的仪器，其中
每个建筑物服务控制设备包括任何加热单元、通风单元或空调单元。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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