CN102299753A - 构造无线通信设备以获得运动传感功能的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于传感运动和执行无线通信的系统，包括：一个或多个天线，用于传送和接收无线数据通信信号和运动检测电磁波；一个或多个电开关，在激活频道扫描、运动传感、干扰检测和数据通信的电通路间切换；运动传感接收器，接收运动检测电磁波；收发器，产生用于无线数据通信的经调制的RF信号和用于运动检测的未调制的RF信号，所述未调制的RF信号旁通收发器调制器；一个或多个处理器，处理运动检测电磁波数据和检测到的干扰信号数据，以及将无线通信数据发送给收发器和处理来自收发器的无线通信数据，控制一个或多个电开关，以及向收发器提供命令。

Description

构造无线通信设备以获得运动传感功能的方法

技术领域

本发明涉及一种无线数据通信系统及利用电磁波运动传感的系统。更具体地，本发明涉及一种电路系统，其以连续地分配时间的方式执行无线数据通信和运动传感的双重功能。

背景技术

传统上，无线通信设备(如，WiFi网络中的WiFi网络接入点或适配器或者蜂窝通信网络中的便携式电话)仅仅用于数据或语音通信。运动检测系统通常单独地作为独立设备实施，例如防盗报警系统和测速雷达。

一种运动检测技术是基于多普勒效应的。多普勒效应是观察者相对于/远离波源运动的波频率的变化。当观察者靠近波源运动时，感测到的波的频率较高，但是当观察者远离波源运动时，则较低。多普勒效应也被应用到一些类型的雷达中。几乎所有的物体表面都能够反射电磁波。为了检测运动的物体，将无线电波束对准目标物体。无线电波束朝着波源被反射回去。如果目标物体进一步远离波源运动，那么反射波的波长增加，如果靠近，则降低。通过测量各个连续波，可以计算出目标物体的速度。

在传统的家庭自动化系统中，诸如照明系统、空调设备等的电器与无线通信设备连接。最常用的无线通信系统是Zigbee规范(一套利用小的、低功率数字无线电的高级通信协议，其基于用于低速无线个人区域网络(LR-WPAN)的IEEE 802.15.4-2003标准)。在Zigbee系统中，通过手持控制器设备或者计算机远程控制电器。为了节能和增强系统的灵活性，外部运动传感器也被连接到与无线通信设备一起工作的电器。这种结构通常产生复杂的安装和较高的成本。

在更现代的系统中，因为无线数据通信和运动检测技术两者均囊括了电磁波的传送和接收，所以人们已经实现了将两者组合到了单个系统中的效果。对于这种组合系统，人们可以找到多个实际的应用。例如，在照明控制中，可以通过无线控制器来打开和关闭灯，并且当没有人在室内时，灯能自动地关掉。但是，大部分这样的系统需要将两个完全不同的部分简单地组合来形成单个单元，或者需要专用电路，导致高的成本和/或高度的复杂性。将运动传感功能集成到无线通信设备中的其他好处在于：可以利用用于无线通信的相同的无线控制器来改变例如检测范围、敏感度、频道的结构参数。那就意味着对于运动传感就不需要分离的附加控制器。此外，因为运动传感功能被集成到了无线通信设备中，所以运动传感能够获得与环境的交互操作。例如，通过使用通信设备的信道扫描功能，运动传感模块能够利用具有不同信号强度的不同信道，使得多个运动传感器能够同时在小的确定区域中运行，而不会导致错误的运动检测。

在美国专利No.6,084,530中，公开了一种调制的反向散射传感器系统。该反向散射传感器系统利用射频识别(RFID)标签来促进标签运动的检测，该标签可以附接到目标物体。在该公开文本中，RFID标签自身将RF信号(包括模拟信号)传送给传感器。对于RFID数据通信和多普勒信号分析，构建了定制电路。因此，该系统仅仅可利用RFID技术实施和专门应用。此外，在该系统中，用对干扰敏感的调制载波信号来进行运动传感。

美国专利申请公开号2008/0056390公开了一种估计运动的移动通信设备的多普勒频率及其运动速度的方法。在该公开文本中，这种方法被用在蜂窝或者WLAN通信网络中，其中具有至少一个移动通信设备和多个基站。无线通信覆盖范围被分成多个区域，在该无线通信覆盖范围中，移动通信设备能够保持足够的信号强度。当在区域间行进时，信号随着移动通信设备靠近或者然后远离零交点而变弱和变强。然后，由在移动通信设备和基站之间交换的前导信号和导频信号的衰减来计算多普勒频率。因此，在该公开中的运动传感特征是专用于蜂窝或者WLAN通信网络技术的，并且只能检测通信网络中的移动通信设备的运动。

另一种运动传感涉及将回转器嵌入到移动通信设备中，从而使得移动设备自身能够检测它自己的运动并将该信息传送给通信网络中的基站。美国专利申请公开号2008/0238703公开了这样的系统。但是，这样的系统不能用来检测随机对象的运动。

因此，在本领域中需要一种改进的无线通信系统，其包括集成的运动检测功能。

发明内容

根据本发明的实施例，无线通信系统被改进以包括附加的运动传感器的功能。本发明通过下述方式提供了运动传感能力：改进传统的无线通信部件，避免使用外部器件或者必须将两组分别专用于无线通信和运动检测的器件组合起来。这样降低了成本和系统的复杂性。

另外，本发明包括具有用于传送和接收RF信号的单个端口的收发器。收发器被配置以通过调制的载波信号发送和接收数据通信，并且还能够旁通它的调制器以产生用于运动检测的未调制的载波信号，因而起到运动传感信号的传送器的作用。未调制的载波信号对运动传感期间的干扰不太敏感。为了提高运动传感的精确度，系统在一个操作模式下通过识别检测区域中的环境噪声层来检测干扰信号。在另一个操作模式下，系统扫描环境以获得可用频率，选择适当的频率作为运动传感载波信号。优点在于：这样允许相同检测区域中的多个运动传感器，而避免了同信道和相邻信道的干扰。

在一个实施例中，使用诸如数字信号处理器(DSP)等的处理器来处理和分析运动检测电磁波数据和来自运动传感接收器的检测到的干扰信号数据，处理从收发器接收的无线通信数据，控制一个或多个电开关，以及控制和提供输出的通信数据给收发器。

根据各个实施例，一个或多个电开关用于在激活不同操作的电通路间切换，所述操作包括环境频道扫描、运动传感、干扰检测和无线数据通信信号传送和接收。在一个实施例中，使用两个电开关来产生三个电通路：第一电通路，其将第一天线连接到收发器，再到处理器，该第一电通路能够进行环境频道扫描操作和数据通信操作；第二电通路，其将第一天线连接到耦合器并且到收发器，接着到处理器，将第二天线连接到与耦合器连接的运动传感接收器，再到处理器，该第二电通路能够进行运动传感操作；第三电通路，其将第二天线连接到与耦合器连接的运动传感接收器，再到处理器，耦合器连接到收发器、再到处理器，该第三电通路能够进行干扰检测操作。

附图说明

在下文中，参照附图对本发明的实施例进行更加详细的描述，其中：

图1示出了具有运动传感功能的无线通信系统的实施例的结构图；

图2示出了环境频道扫描操作模式和数据通信操作模式下的具有运动传感功能的无线通信系统的实施例的结构图；

图3示出了运动检测操作模式下的具有运动传感功能的无线通信系统的实施例的结构图；

图4示出了干扰检测操作模式下的具有运动传感功能的无线通信系统的实施例的结构图；以及

图5示出了具有运动传感功能的无线通信系统的操作的流程图。

具体实施方式

在下面的描述中，以优选例子的方式说明具有运动传感功能和类似功能的无线通信系统及其构造方法。对于所属领域技术人员而言，显而易见地是可以进行包括附加和/或替换的修改，而不背离本发明的范围和精神。为了不使本发明模糊，可以省略具体细节；但是，公开内容会被撰写成使所属领域的技术人员能够在不过多实验的情况下实现本文的教导。

参照图1，两个电开关103和104被用来产生3个电通路：第一电通路，其将第一天线101连接到收发器105，接着到处理器106，该第一电通路能够进行环境频道扫描操作和数据通信操作；第二电通路，其将第一天线101连接到耦合器110，并且并联到收发器105，接着到处理器106，第二天线102连接到运动传感接收器107的与耦合器110连接的混频器108，接着连接到运动传感接收器107的有源滤波器109，耦合器110连接到收发器105，接着连接到处理器106，该第二电通路能够进行运动传感操作；第三电通路，其将第二天线102连接到运动传感接收器107的与耦合器110连接的混频器108，耦合器110连接到收发器105，接着连接到处理器106，该第三电通路能够进行干扰检测操作。

环境频道扫描：

参照图2，在环境频道扫描操作模式中，具有运动传感功能的无线通信系统激活将第一天线101连接到收发器105、接着到处理器106的电通路。系统通过频谱进行扫描并且针对每个扫描频率上的信号的相对信号强度比较这些信号。处理器106被配置以控制收发器105来扫描目标检测区域的频谱，进而对每个扫描频率上接收到的信号进行频域分析。具有相对较低信号强度的频率被选择作为运动检测载波信号频率。这样允许相同检测区域中的多个运动传感器，同时避免同信道和相邻信道干扰。

根据一个实施例，信号强度分析遵照IEEE 802.11标准，在该标准中，被称为接收的信号强度指示(RSSI)的数值表示以不同频率扫描的RF信号的信号强度。在2002年11月份WildPackets公司的“Converting SignalStrength Percentage to dBm Values”中，公开了IEEE 802.11标准和RSSI的详细描述；其内容通过援引整体并入本文。

数据通信：

依然参照图2，在数据通信操作模式中，具有运动传感功能的无线通信系统激活将第一天线101连接到收发器105并且接着到处理器106的电通路。处理器106向收发器105提供控制信号和输出的通信数据。收发器105包括用于为无线数据通信产生调制信号的内调制器和本机振荡器。处理器106还处理从收发器105接收的通信数据。

运动传感：

参照图3，在运动传感操作模式中，具有运动传感功能的无线通信系统激活以下电通路：其将第一天线101连接到耦合器110并且并联到收发器105、接着到处理器106。第二天线102连接到运动传感接收器107的与耦合器110连接的混频器108、接着连接到运动传感接收器107的有源滤波器109。耦合器110连接到收发器105并且接着连接到处理器106。收发器105起到运动传感电磁波的发送器的作用，旁通其内调制器，以在环境频率扫描操作期间选择的载波频率下产生未调制的电磁波信号来用于运动检测。未调制的电磁波信号从第一天线101发射。当发射的电磁波信号从物体表面反射回时，它们被第二天线102接收并发送到运动传感接收器107。运动传感接收器107包括混频器108和有源滤波器109。由收发器105产生的发射出的电磁波信号还通过耦合器110导入混频器108。反射的信号与混频器108中的发射的信号混合，然后通过有源滤波器109，产生多普勒信号。处理器106利用短时傅里叶变换或者时域分析对多普勒信号进行分析，这里的短时傅里叶变换或者时域分析利用与人类的运动速度对应的1-25Hz的期望的多普勒频率。

短时傅里叶变换是一种信号处理技术，其经常被用作分析多普勒信号中的第一个步骤。短时傅里叶变换对多普勒信号的结果是一个光谱图，该光谱图表示在短的时间窗口内经反射的RF波的频率。基于该光谱图的图像，可以确定人运动的存在。在MITRE公司Otero，Michael的“Applicationof continuous wave radar for human gait recognition”中，公开了短时傅里叶变换应用的细节，其公开内容通过援引整体并入本文。

干扰检测：

参照图4，在干扰检测操作模式中，具有运动传感功能的无线通信系统激活以下电通路：其将第二天线102连接到运动传感接收器107的与耦合器110连接的混频器108，然后连接到运动传感接收器107的有源滤波器109。耦合器110连接到收发器105并且接着连接到处理器106。来自环境的电磁波信号被第二天线102接收，然后发送到运动传感接收器107。由收发器105产生的发射的电磁波信号还通过耦合器110被导入混频器108。环境信号与混频器108中的发射信号混合，通过有源滤波器109，然后由处理器106分析。因为环境信号不是收发器105产生的电磁波信号的反射信号，所以它们是噪声或者干扰信号。为了避免将干扰错误地识别为真人运动，建立囊括所接收到的环境信号的最高振幅的噪声层。然后将噪声层计入处理器105的运动检测分析中，以消除错误的运动检测。

图5描述了具有运动传感功能的无线通信系统的一个实施例，该无线通信系统在特定的系统时间周期内(例如帧)连续地执行前述四项操作，给环境频率扫描分配15ms，接着给运动传感分配800ms，接着给干扰检测分配400ms，并且最后给数据通信分配50ms。该周期从环境频率扫描开始。选择最纯的频道用于运动检测的载波信号，系统转向运动传感。系统可以设置振幅阈值，以使只有振幅高于阈值的接收信号会被考虑作为在检测区域中检测到的物体表面反射回的电磁波信号。一旦这种信号被接收到并且产生多普勒信号，系统就验证多普勒频率是否在1-25Hz内，以确保人的运动被检测，否则系统将继续运动传感操作。还可以将系统配置成检查重复运动。在这种情况下，即使当人的运动被检测到，系统也会继续运动传感操作。最后，系统检测干扰以消除错误的运动检测。

本文所公开的实施例包括处理器，该处理器可以通过利用通用或专用计算设备、计算机处理器或者电子电路来实现，电子电路包括但不限于数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其他根据本公开的教导配置或编程的可编程逻辑设备。基于本公开的教导，软件或电子领域的技术人员能够容易地构建在通用或专用计算设备、计算机处理器或者可编程逻辑设备中运行的计算机指令或者软件编码。

出于图示和说明的目的，提供了本发明的前述描述。其并不旨在将本发明穷尽或者限制于所公开的具体形式。对于所属领域的技术人员而言，很多修改和变型是显而易见的。

为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，选择和描述了实施例，从而使得所属领域的技术人员能够通过各个实施例理解本发明，其中各种修改适于预期的实际应用。本发明的范围受到所附权利要求及其等效物的限制。

Claims (12)

1.一种用于传感运动和执行无线通信的系统，其包括：

一个或多个天线，其用于传送和接收无线数据通信信号和运动检测电磁波；

收发器，其具有信号发生器和调制器，所述收发器被配置以产生用于无线数据通信的经调制的RF信号，所述收发器还被配置以产生未调制的RF载波信号，该未调制的RF载波信号旁通调制器以用于运动检测；

运动传感接收器，其用于接收运动检测电磁波，所述运动检测电磁波已经被收发器传送、被一个或多个物体或人反射、并被一个或多个天线接收；

一个或多个电开关，其用于在激活至少无线数据通信的第一电通路和激活至少运动检测的第二电通路之间切换，所述一个或多个电开关响应于控制信号，以使系统操作的单元周期被分为至少一部分时间和另一部分时间，在所述至少一部分时间中，一个或多个开关被配置用于沿着第一电通路的无线数据通信，在所述另一部分时间中，一个或多个开关被配置用于沿着第二电通路的运动检测；

一个或多个处理器，其产生用于一个或多个电开关的控制信号，以及处理来自运动传感接收器的运动检测电磁波数据，以及将无线通信数据发送给收发器和处理来自收发器的无线通信数据，以及向收发器提供控制信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其中一个或多个电开关还配置第三电通路，所述第三电通路用于扫描周围环境以寻找可用的频率并且选择适当的频率来产生运动检测电磁波。

3.根据权利要求1所述的系统，其中运动传感接收器包括混频器和滤波器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中来自运动传感接收器的运动检测电磁波数据是反射电磁波的运动物体的多普勒效应所产生的多普勒信号。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述收发器包括用于传送和接收RF信号的单个通信端口。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述收发器信号发生器包括本机振荡器。

7.根据权利要求2所述的系统，其中一个或多个处理器还通过识别检测区域中的周围环境噪声层来控制干扰信号的检测。

8.一种用于传感运动和执行无线通信的系统，其包括：

一个或多个天线，其用于传送和接收无线数据通信信号和运动检测电磁波；

收发器，其具有信号发生器和调制器，所述收发器被配置以产生用于无线数据通信的经调制的RF信号，所述收发器还被配置以产生未调制的RF载波信号，该未调制的RF载波信号旁通调制器以用于运动检测电磁波信号；

运动传感接收器，其用于接收运动检测电磁波，所述运动检测电磁波已经被收发器传送、被一个或多个物体或人反射、并被一个或多个天线接收；

一个或多个电开关，其用于在激活至少无线数据通信的第一电通路和激活至少运动检测的第二电通路之间切换，所述一个或多个电开关响应于控制信号，以使系统操作的单元周期被分为至少一部分时间和另一部分时间，在所述至少一部分时间中，一个或多个开关被配置用于沿着第一电通路的无线数据通信，在所述另一部分时间中，一个或多个开关被配置用于沿着第二电通路的运动检测；

一个或多个处理器，其处理运动检测电磁波数据，将无线通信数据发送给收发器和处理来自收发器的无线通信数据，向一个或多个电开关提供控制信号，以及提供控制信号给收发器；

其中，所述系统被配置参与无线网络来与具有无线通信功能的一个或多个电器或者设备通信，以使当所述系统检测到运动，系统将无线数据传送给一个或多个电器或设备，以控制一个或多个电器或设备的操作。

9.一种用于传感运动和执行无线通信的方法，其包括：

通过一个或多个天线，传送和接收无线数据通信信号和运动检测电磁波；

通过具有信号发生器和调制器的收发器，产生用于无线数据通信的经调制的RF信号，以及产生未调制的RF载波信号，该未调制的RF载波信号旁通调制器以用于运动检测；

利用运动传感接收器，传感接收到的运动检测电磁波，所述运动检测电磁波已经被收发器传送、被一个或多个物体或人反射、并被一个或多个天线接收；

利用一个或多个可配置的开关，配置激活至少无线数据通信的第一电通路和激活至少运动检测的第二电通路，所述一个或多个可配置的开关响应于控制信号，以使系统操作的单元周期被分为至少一部分时间和另一部分时间，在所述至少一部分时间中，一个或多个开关被配置用于沿着第一电通路的无线数据通信，在所述另一部分时间中，一个或多个开关被配置用于沿着第二电通路的运动检测；

通过一个或多个处理器，处理运动传感接收器接收的运动检测电磁波数据，将无线通信数据发送给收发器和处理来自收发器的无线通信数据，以及将控制信号发送给一个或多个电开关以及发送给收发器。

10.根据权利要求9所述的方法，其中来自运动传感接收器的运动检测电磁波数据是反射电磁波的运动物体的多普勒效应所产生的多普勒信号。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括扫描周围环境以寻找可用的频率并且选择适当的频率来产生运动检测电磁波。

12.根据权利要求11所述的方法，其中一个或多个处理器还通过识别检测区域中的周围环境噪声层来控制干扰信号的检测。

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