CN105940314B - 定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在定位系统中使用的识别标签(100)，该定位系统用于确定识别标签的位置，该识别标签包括：被配置成将第一信标在第一频率处发出的超声信号转换成第一电气信号的超声接收器模块(110)；被配置成将第二信标在第二频率处发出的变化的磁场转换成第二电气信号的磁感应模块(120)；以及被适配成对所述第一电气信号和所述第二电气信号进行解码且从其提取信息的处理模块(130)。识别标签被配置成使用所述所提取信息来产生位置信号。第一频率基本上等于所述第二频率。超声接收器模块(110)和磁感应模块(120)具有相同的模拟PHY电路。

Description

定位系统
发明领域
本发明涉及用于可移动物体或人的无线定位系统(诸如跟踪患者和/或资产在设施(诸如医院)中的位置的系统)、以及在此类系统中使用的识别标签。
背景技术
WO 2004/051303 A1公开了一种用于对区域(诸如举例而言建筑物或公路隧道中的空间)内的物体和/或生物进行监视和位置确定的方法和系统。该系统包括配备有超声接收器和无线电发射器的多个识别标签，该系统附连到必须监测的物体。识别标签接收超声信号，识别标签可测量超声信号的到达时间。该信息与识别标签的ID代码一起通过无线电波传送到中央单元，该中央单元计算识别标签中的每一个识别标签的位置。
该系统的要求是，标签包括超声接收器和无线电发射器，同时优选保持极易便携的、甚至可佩带的。这提出了显著的小型化问题。已知系统的进一步缺点是，它既不提供足够高的空间精度以提供正确的进入/退出控制，也不提供足够高的时间精度以允许对关键的跟踪事件立即响应。
以本申请人的名义的欧洲专利申请EP 2 469 298 A1公开了一种用于使用移动标签和固定信标来确定目标的位置的方法和系统，其中根据对至少两个所接收信号的所接收信号功率的指示的加权和来估计目标位置。该系统的缺点是，多个所接收信号必须可用于进行RSSI三角定位(triangulation)。
发明概述
根据本发明的一方面，提供了一种在定位系统中使用的识别标签，该定位系统用于确定要监视的区域中的识别标签的位置，该识别标签包括：被配置成将第一信标在第一频率处发出的超声信号转换成第一电气信号的超声接收器模块，该超声接收器模块具有第一模拟PHY电路；被配置成将第二信标在第二频率处发出的变化的磁场转换成第二电气信号的磁感应模块，该磁感应模块具有第二模拟PHY电路；以及被适配成对第一电气信号和第二电气信号进行解码且从其提取信息的处理模块；其中识别标签被配置成使用所提取信息来产生位置信号；其中第一频率基本上等于述第二频率；并且其中第一模拟PHY电路和第二模拟PHY电路是相同的电路。
第一“模拟PHY电路”具体可以是被适配成解调第一电气信号的电路。第二“模拟PHY电路”具体可以是被适配成解调第二电气信号的电路。
如本文中所使用的模拟PHY电路可以是执行对所接收信号进行滤波、放大和A/D转换(解调)的任务的电路。
本发明的优点是，当在两种数据传送介质上使用共同的基频时，标签的硬件架构可变得更加高效。具体地，通过将共同的基频用于两种传送技术，模拟前端的重要部件(包括晶体振荡器)可共享或变得相同。由于共用处理模块与两个接收器对接，因此所得标签可变小且变得便宜，并且将消耗更少的能量。
在实施例中，根据本发明的识别标签进一步包括与超声接收器模块相同的冗余模块，并且处理模块被进一步适配成在所述接收器模块发生故障的情形中处理从所述冗余模块接收的信号。
在此设置中，与第一超声接收器模块相同的冗余模块可用于在第一模块发生故障(具体地，硬件故障)的情形中提供冗余。
在实施例中，根据本发明的识别标签进一步包括被配置成将所述超声信号转换成第三电气信号的冗余模块，并且处理模块被进一步适配成以协调的方式处理第一电气信号和第三电气信号。
“协调”的意思是指两个信号以同步的方式解调且相应接收器的连续接收的符号组合以获取对所传送符号的更好的估计。由此，在此设置中，识别标签可受益于矢量接收法(vectored receiving method)，诸如波束形成或“MIMO”技术。这些方法对克服多路径传送通道(诸如自由空间声道)中的损伤是特别有用的。
在根据本发明的识别标签的实施例中，第一频率和第二频率基本上等于40kHz。
发明人已经出乎意料地发现该频率为超声传送且为磁感应通信两者提供期望申请中的充分特性。
在根据本发明的识别标签的实施例中，模拟PHY电路被适配成根据频移键控(FKS)方案解调第一电气信号和第二电气信号。
该编码方案的优点是，它是稳健的且对所使用的传送介质引起的衰减的自然变化不敏感。
在特定实施例中，该方案是2-FSK。该传送方案特别简单地实现，并且是可靠的。
在根据本发明的识别标签的实施例中，处理模块被进一步适配成对所提取信息执行检错算法或纠错算法。
本实施例的优点是，可在不同的通信技术之间有效地共享又一个重要功能。取决于正在处理哪一个信号，实际的纠错算法或纠错算法可使用不同的参数。已知的纠错算法包括循环冗余校验(CRC)。已知的前向纠错算法包括Reed-Solomon算法。
在实施例中，根据本发明的识别标签进一步包括被配置成传送从第一电气信号推导出的识别元素的无线电发射器。
尽管磁感应模块可用于信标和标签之间的双向通信，但是无线电发射器为以较高的数据速率和较长的范围传递到信标且由此到监测系统的标签提供了进一步的无线返回通道。
在实施例中，根据本发明的识别标签被进一步适配成修改磁感应模块的灵敏度以获取变化的磁场的不同检测范围。
根据本发明的一方面，提供了一种包括至少一个信标和如上所述的识别标签的系统，该至少一个信标被适配成发出超声信号和/或变化的磁场。
根据本发明的一方面，提供了一种包括被适配成使处理器从第一输入信号和第二输入信号之中选择信号、对所选信号进行解码、并且从其提取信息的代码手段的计算机程序产品；其中第一输入信号和第二输入信号表示具有相同基础频率的相应物理信号。计算机程序产品适合于在实现如上所述的识别标签中的处理模块的处理器中使用。
在根据本发明的计算机程序产品的实施例中，代码手段被进一步适配成根据所提取信息产生位置信号。
根据本发明的系统和计算机程序产品的实施例的技术效果和优点使得必要的修改(mutatis mutandis)对应于根据本发明的识别标签的对应实施例的那些必要修改。
附图简述
本发明的实施例的这些以及其他特征和优点现在将参考附图更详细地描述，其中：
图1图示地解说根据本发明的实施例的包括信标和标签的定位系统；以及
图2图示地解说根据本发明的实施例的识别标签的元素。
实施例的详细描述
图1图示地解说根据本发明的实施例的包括信标和标签的定位系统。
本文中所描述的定位系统的具体应用是在医院和其他机构中使用的无线护理呼叫系统，其中患者可四处移动而有可能没有完全意识到他们自己的准确位置。在适当的情况下，本发明将参考此类护理呼叫系统进行描述，而无意将本发明的范围限定于此类应用。在无线护理呼叫系统中的上下文中，开发高效的硬件是重要的目标，其中着眼于降低(电池)功耗、获取小的形状因子、并且使总成本保持尽可能地低。
另外，该系统应当提供对标签的位置在空间维度(高空间精度)上和在时间维度(低延迟跟踪)上的非常精确的确定，以使对跟踪事件的充分响应可立即地且在正确的地方部署。
在优选的定位系统中，信标200被设置在遍布其中要监测移动物体或人的位置的区域的各个固定位置处。信标可一般被安装到墙壁、门、柱子等等。它们可具有包括显示器以及一个或多个键的基本用户接口。
信标发出被调制到超声信号上的识别元素。超声通信基于生成传播纵向声波的机电感应的振动。由于按照定义超声波处于在人的可听范围之外的频率范围，因此它们的使用对存在于所监视区域中的人没有妨碍。
在建筑物环境内，超声波几乎完全被墙壁阻断(与电磁波相反)。因此，超声波是获取房间级定位精度的合适的信号类型。
为要监视的移动物体或人提供根据本发明的实施例的识别标签(在下文中也被称为“标签”)100，这些标签包括超声接收器。
由于超声传送和接收过程的机电本质，这些过程消耗相对较大数量的电力。由于标签100将必须由电池供电以便足够移动并且优选甚至可佩带的，因此功耗是重要的顾虑。本发明的实施例的优点是，基于超声的标签系统中的总功耗可被降低，这导致标签的更长的操作自治期和/或更小的形状因子。
在接收被编码在超声信号中的信标识别元素之后，标签100将知晓它的位置(在能够识别最近的信标200的意义上)下降到房间级精度，而无需三角定位。
标签100可进一步包括通信装置以将经解码的信标识别元素与它自己的身份一起中继到中央监视系统。通信装置可包括被适配成将该信息无线地传递到信标(接收到其识别元素的相同信标和/或无线电范围内的另一信标)的射频(RF)发射器，该RF发射器进而优选地连接到允许它与集中管理系统300通信的有线或无线网络250。
由于RF传送的范围在实践中也受到限制，因此接收标签100的无线电信号所在的信标200的身份提供标签100的位置的另一线索。该定位步骤比基于超声的定位粗糙，因为具有典型性质的RF传送的范围(例如，在434MHz、2.4GHz或5GHz、或者SRD860频带处使用未授权的ISM频带中的法律准许的传送功率)将比超声传送的范围长，并且具体来说将不显著地受墙壁约束。在粗糙级别的基于RF的定位和在精细级别的基于超声的定位的组合允许蜂窝命名系统用于信标，即在超声信号中传送的信标身份只需要在具有重叠的超声通信范围的一组信标内是唯一的。这允许较短的“信标身份”字段用于通过超声信号传达的消息，这进而导致较低的平均数据速率以及由此在发射器(信标)和接收器(标签)处的较低功耗。关于本发明的此方面的进一步细节可在以本申请人的名义且于2013年12月24日提交的欧洲专利申请No.13199601.9中找到，其描述出于此目的通过引用结合于此。
具体地，通过使用在EP 13199601.9中描述的原理，可将相同的识别元素分配给来自多个信标之中的不同信标，这些信标位于用于接收信标消息的相应范围不重叠的位置处。如本文中所使用的，措辞“位于位置处”旨在意指信标保持在此类位置处达相关定位步骤的历时。具体地，信标可半永久地或永久地位于它们的位置处。具体地，信标可半永久地或永久地附连到建筑物的元素，诸如墙壁、天花板、门框、门、柱子等等。如前所述，标签将接收信标消息，并且通过发出从信标消息检索的信标识别符作出响应。标签的响应可在标签周围的有限范围内由多个信标接收，但是具有不同的物理信号特性(不同的接收信号强度、不同的到达时间)。如果该识别符在最初通过所接收信号特性的测量而识别的地带内是唯一的，标签则可借助于广告的信标识别符明确地向下定位到单独的信标。由此，通过将识别元素(地址)明智地分配给信标，考虑到要监视的区域的物理布局及其划分成单元，所需地址空间的总尺寸可减小。具体地，信标地址在信标消息可传播的物理空间(例如，单个房间或病房)内将只能必须是唯一的，因为在任何给定空间中，标签将只能够接收来自该空间内的信标消息。
根据本发明的实施例的标签的进一步目的是，检测对于所监视区域中的敏感点(诸如建筑物或建筑群的划分之间的门或闸门)以及存放关键物体(例如，应急装备或药物)的地方的接近度。该功能需要与以上所述的基于超声的系统相比甚至更加精确的定位机构。本发明的实施例特别基于发明人的以下见解：可通过使用磁感应实现非常短的范围的检测和通信(典型范围从约10cm延伸到约1m；对于一些应用，可使用高达5m的范围)来满足该目标。为此，信标被适配成借助于变化的磁场形式的磁感应来接收附加信号。
在本发明的实施例中，标签包括线圈，该线圈耦合到适当调谐的电子电路以将具有具体目标频率的所检测变化的磁场转换成可进一步处理的电气信号。电子电路优选以它可被有意地和可逆地解谐(具体地，通过借助于适当控制的晶体管将附加电容或电感动态地切换成调谐电路)的方式设计。通过对调谐电路解谐，磁感应接收器的有效范围可有意地减小。这允许标签辨别“一般接近”于信标(例如，在佩戴标签的同时走过信标)和“极其接近”于信标(例如，使标签保持向上靠近信标的外壳)，因为在降低的灵敏度模式中接收的任何信号指示处于信标的非常近的范围(极其接近)。取决于期望应用，“一般接近”可用于触发某个人正在靠近诸如所监视的人未授权使用的出口之类的敏感地带的警告(由此，它可在患者在他们的病房或者他们的指定地带外面闲逛时被检测到)。取决于期望应用，“极其接近”可用作触发以进行可导致打开家门或街门等等的认证。在本发明的实施例中，信标可指示它在它通过磁感应发出的信号中的类型。标签可被配置成只有在接收信标具有需要极其的接近以触发特定动作的类型的指示时对如上所述的它的磁感应电路解谐。关于本发明的此方面的进一步细节可在以本申请人的名义且于2013年12月24日提交的欧洲专利申请No.13199601.9中找到，其描述出于此目的通过引用结合于此。
具体地，通过使用在EP 13199600.1中描述的原理，标签可接收包括操作范围信息的信标信息，并且标签可有条件地降低磁感应模块对操作范围信息的灵敏度。相应地，已经靠近访问控制点的识别标签可被调谐成将只触发它是否进入信标的非常近的范围(被磁感应模块的经降低的灵敏度覆盖的范围)的访问认证的访问徽章。取决于期望申请，“极其的接近”可用作触发以进行可导致打开家门或街门等等的认证。信标可指示它在它通过磁感应发出的信号中的类型。标签可被配置成只有在接收信标具有需要极其的接近以触发特定动作的类型的指示时对如上所述的它的磁感应电路解谐。以相似的方式，标签可在它切换到经降低的灵敏度模式时切换到连续接收模式。以此方式，标签变成短范围的访问徽章，这只在它进入访问控制信标的近范围的时候触发，而无需将不同的信标硬件用于访问控制信标和一般定位信标。当在具有经降低的灵敏度的范围中时，标签可接收第二信标消息，并且随后传送访问请求消息。该访问请求消息可借助于磁感应直接发送到相同的信标，如果标签被如此配置或者更优选地它可通过RF传送来广播且被RF范围内的信标中的任一个信标或者耦合到中央系统的另一RF接收器拾取。访问控制可以若干不同的方式实现。通过(如在靠近家门的信标之后这个人的标签发出的定位信号所检测的)在未授权的人靠近之际锁住正常打开的家门，可限制对区域的访问。相反，可通过任选地在执行由触发靠近的人的徽章的经降低的灵敏度模式、传送另一信标消息、以及从有疑问的标签接收适当的定位消息组成的“授徽章”动作之后在授权的人靠近之际解锁正常锁住的门来调节访问。
尽管不同物理层通信技术的组合满足了定位系统的期望功能要求，但是此类混合通常以增加的功耗、增加的标签面积、以及增加的成本为代价。这是因为传统的方法涉及每种技术提供以相应通信链路的哪一些收发器在印刷电路板上彼此相邻地放置的具体特性的功能的专用且不同的收发器(“无线电”或“调制解调器”)。
本发明的实施例基于以下见解：可通过将相同的模拟PHY电路用于接收器与超声接收器和磁感应收发器的共用硬件前端两者来获取标签的更有效的硬件解决方案。
所得架构将参考图2进行描述。图2图示地解说在定位系统中使用的识别标签100，该位置位系统用于确定要监视的区域中的识别标签的位置，该识别标签包括：被配置成将第一信标在第一频率处发出的超声信号转换成第一电气信号的超声接收器模块110；被配置成将第二信标在第二频率处发出的变化的磁场转换成第二电气信号的磁感应模块120；以及被适配成对第一电气信号和第二电气信号进行解码且从其提取信息的处理模块130；其中识别标签100被配置成使用所提取信息来产生位置信号。第一频率基本上等于第二频率。超声接收器模块110和磁感应模块120包括相同的模拟PHY电路115、125。
由于可在不参考像电池、功率管理器、用户接口等等一样的共用元件的情况下理解本发明，因此在图2中尚未包括这些元件以使后者保持清晰。
共用前端或处理模块130对从机电(超声)信号和电磁(磁感应)信号获取的相应电气信号进行同步和解码。因此，用于将超声波转换成电气信号的硬件(在本文中也被称为超声接收器模块110)和用于进行磁感应耦合的硬件(在本文中也被称为磁感应模块120)都耦合到相同的处理模块130。处理模块130进一步连接到包括RF发射器的装置140以确定和广播标签的位置。
尽管超声接收器模块110和磁感应模块120鉴于从不同的物理介质获取信号的要求包括不同的面向通道的组件111、121，但是它们各自进一步包括相同的模拟PHY电路115、125。模拟PHY电路执行对所接收信号进行滤波、放大和/或A/D转换(解调)的任务。随后，处理模块130对数字信号进行解码以检索或提取所传送信息。
模拟PHY电路115、125可变得相同，因为相同的基频被用于在相应介质上的传送。相应的模拟PHY电路115、125优选从共用晶体振荡器99接收它们的定时信号。优选地，调制方案也是共用的；相应地，解调可在两个模拟PHY电路115、125中以完全相似的方式发生。
模拟PHY电路115、125可被设置为独立、但是相同的集成硬件组件，诸如ASIC。这些组件可通过适当地设置特定配置寄存器值来允许最小程度的定制或配置。在此情况下，有可能在两种介质上使用不同的数据速率或者不同的调制方案，同时仍然受益于对两个电路使用相同的硬件组件。
相应模块110、120的不同部分由附图标记111和121指定。超声接收器模块110具有主要包括话筒元件的通道接口111，该话筒元件具有对所使用超声信号的适当的频率响应。磁感应模块120具有主要包括线圈或铁氧体天线以及谐振电路的通道接口121。这些组件和必要的辅助组件只是图示地解说。
处理模块130可处理来自超声接收器模块110和磁感应模块120的信号，这导致对硬件的最优再使用。所得总功耗低于在使用两个完全独立的收发器时的总功耗，并且所得标签100的维度更小。立即清楚的是，组合的处理模块130的开发风险和成本低于独立组件的开发风险和成本。
为了能够对两个信号使用相同的处理，这些信号应当具有除它们传送的物理形式之外的共同特性。两个信号应当具有相同的基频，从而模拟PHY电路可使用来自单一晶体的相同定时信号。发明人已经出乎意料地发现对于超声传送(被墙壁充分阻断的充分接收可使用容易得到的组件以成本有效的方式实现)和磁感应(在期望范围的充分接收可使用容易得到的组件以成本有效的方式实现)两者，40kHz的基频给出良好结果。
两个信号还应当优选使用相同的调制方案。发明人已经发现频移键控(FSK)给出好结果并且对在自由空间中发生的衰落现象或者大气传送通常是免疫的。鉴于在目标应用中传达的受限数量的数据，已经发现2-FSK调制方案在本发明的实施例中是足够的。
优选地，处理模块130被适配成以可配置的数据速率操作。在一些实施例中，标签100可被配置成在使用超声通信时以低于在使用磁感应时的数据速率操作。
优选地，编码方案被设计成允许有效的信号时钟恢复，不管所使用的传送介质如何。
识别100可包括与超声接收器模块110相同的冗余模块(未解说)。在此情况下，处理模块130可被进一步适配成在所述接收器模块发生故障的情形中处理从该冗余模块接收的信号。该设置对于硬件故障更有复原性。由于冗余模块与超声接收器模块110相同，因此以上参照超导超声接收器模块110和磁感应模块120之间的共同性提及的优点也适用于冗余模块。
以类似的方式，识别标签100可进一步包括被配置成将超声信号转换成第三电气信号的冗余模块(未解说)，并且处理模块可被适配成以协调的方式处理第一电气信号和第三电气信号。在此情况下，两个(第一和第三)信号以同步的方式解调且相应接收器的连续接收的符号组合以获取对所传送符号的更好估计。识别标签可受益于矢量接收法，诸如波束形成或“MIMO”技术。这些方法对克服多路径传送通道(诸如自由空间声道)中的损伤是特别有用的。
在上文中描述的如涉及处理模块130的功能可在专用硬件(例如，ASIC)、可配置硬件(例如，FPGA)、可编程组件(例如，DSP或者具有适当软件的通用处理器)、或者其任何组合中实现。相同的组件还可包括其他功能，包括超声接收器模块110的部件、磁感应模块120的部件、和/或传送模块140的部件。本发明还涉及任选地存储在计算机可读介质上的计算机产品，包括被适配成使处理器从第一输入信号和第二信号之中选择信号、解调所需信号、并且从其提取信息的代码手段。代码手段可被进一步适配成根据所述所提取信息产生位置信号。
尽管本发明在上文中参考具体实施例进行了描述，但是这是为了解说本发明而不限定本发明，其范围由所附权利要求定义。本领域技术人员将容易领会，除本文中所描述的那些特征之外的特征的不同组合是可能的，而不会脱离要求保护的本发明的范围。

Claims (11)

1.一种在定位系统中使用的识别标签(100)，所述定位系统用于确定要监视的区域中的所述识别标签的位置，所述识别标签包括：
配置成将第一信标在第一频率处发出的超声信号转换成第一电气信号的超声接收器模块(110)，所述超声接收器模块(110)具有被适配成解调所述第一电气信号的第一模拟PHY电路(115)；
被配置成将第二信标在第二频率处发出的变化的磁场转换成第二电气信号的磁感应模块(120)，所述磁感应模块(120)具有被适配成解调所述第二电气信号的第二模拟PHY电路(125)；以及
被适配成对所述第一电气信号和所述第二电气信号进行解码并且从其中提取信息的处理模块(130)；
其中所述识别标签被配置成使用所述提取信息来产生位置信号；
其中所述第一频率基本上等于所述第二频率，并且
其中所述第一模拟PHY电路和所述第二模拟PHY电路是相同的电路。
2.根据权利要求1所述的识别标签(100)，其特征在于，所述第一和第二模拟PHY电路(115、125)被适配成执行对所接收信号进行滤波、放大和A/D转换的任务。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的识别标签(100)，进一步包括与所述超声接收器模块(110)相同的冗余模块，其中所述处理模块(130)被进一步适配成在所述超声接收器模块(110)发生故障的情形中处理从所述冗余模块接收的信号。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的识别标签(100)，进一步包括被配置成将所述超声信号转换成第三电气信号的冗余模块，其中所述处理模块(130)被进一步适配成以协调的方式处理所述第一电气信号和所述第三电气信号。
5.根据权利要求1所述的识别标签(100)，其特征在于，所述第一频率和所述第二频率基本上等于40kHz。
6.根据权利要求1所述的识别标签(100)，其特征在于，所述模拟PHY电路被适配成根据频移键控(FKS)方案解调所述第一电气信号和所述第二电气信号。
7.根据权利要求6所述的识别标签(100)，其特征在于，所述方案是2-FSK。
8.根据权利要求1所述的识别标签(100)，其特征在于，所述处理模块(130)被进一步适配成对所述提取信息执行检错算法或纠错算法。
9.根据权利要求1所述的识别标签(100)，进一步包括被配置成传送从所述第一电气信号推导出的识别元素的无线电发射器。
10.根据权利要求1所述的识别标签(100)，被适配成修改所述磁感应模块(120)的灵敏度以获取所述变化的磁场的不同检测范围。
11.一种系统，包括被适配成发出所述超声信号和/或所述变化的磁场的至少一个信标以及根据在前权利要求中的任一项所述的识别标签。
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