CN106199611B - 集成声呐的物联网设备及其适用的空间环境探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成声呐的物联网设备，所述物联网设备包含一个或多个声呐传感器模块，对应不同空间方位的信息采集；所述物联网设备通过无线网络通信连接外接的信号处理单元，将未经处理或经过初步处理的空间信息发送给信号处理单元。其优点是：声呐传感器节点布设简单灵活，与无线物联网设备集成，可以实现空间信息的本地采集；同时易于实现声呐传感器大间距布设和大数量布设，空间位置多样，因此空间探测范围覆盖跨度大，信号样本采集丰富，从而可以在信号处理单元中实现更好的空间信息提取算法。

Description

集成声呐的物联网设备及其适用的空间环境探测系统
技术领域
本发明涉及空间环境监测技术领域，具体涉及一种集成声呐的物联网设备及其适用的空间环境探测系统。
背景技术
随着无线通信技术的发展及其应用范围的扩张，物联网技术和设备获得了高速发展。物联网设备可以是各种信息传感器和控制器，也可以是各种智能化的家用电器。物联网设备通过多种方式接入互联网，形成一个巨大网络，实现互联网从人向物的延伸。
物联网设备之间，通常遵循某种无线连接技术实现互联。802.11Wi-Fi无线通信标准是目前应用范围最广的无线接入技术标准之一，在物联网领域，Wi-Fi物联网接入方式更是应用最广，成本最低，可扩展性最好的物联网接入方式之一。
同时，人工智能技术也在快速发展中，当人工智能技术与物联网技术结合，构成智能物联网时，将会要求物联网设备对自己所处环境有一定感知、包括温度、湿度、光线以及空间环境等综合环境信息。
对于温度、湿度、光线等简单本体(local)信息，可以将温度、湿度、光线传感器加载于物联网设备上获得。而空间环境信息，作为一项关键的环境信息，其获取方法相对复杂，通常需要根据空间填充介质，空间范围大小和具体应用需要，选取合适的技术类型和实现细节。
常用的获取空间环境信息的空间探测技术有：无线电雷达探测、光学雷达探测，由于物联网设备功率相对有限，应用场景简单，应用范围较小(相比大型无线电雷达等)，应用空间介质多样(气体、液体等)，因此，上述空间探测技术不具普及和适用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成声呐的物联网设备及其适用的空间环境探测系统，在需要探测物联网设备所处空间环境信息的应用场景中，利用物联网设备上的声呐进行空间探测，并可以在本地进行空间环境信息分析，也可以利用物联网设备的无线连接，将获得的空间环境信息发送给更强的信息处理设备，以进行更详细的空间环境信息处理和分析。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种集成声呐的物联网设备，其特征是：
所述的物联网设备包含一个或多个声呐传感器模块，对应不同空间方位的信息采集。
上述的集成声呐的物联网设备，其中，还包含：
无线传输和控制模块，其输入端通信连接声呐传感器模块，其输出端通过无线网络通信连接外部信号处理单元，该无线传输和控制模块通过无线网络通信将未经处理或经过初步处理的空间信息发送给信号处理单元。
上述的集成声呐的物联网设备，其中：
所述的物联网设备还包含基本功能模块。
上述的集成声呐的物联网设备，其中：
所述基本功能模块为任意应用功能设备。
上述的集成声呐的物联网设备，其中：
所述的声呐传感器模块为超声波波段的声呐传感器，或由可感声波波段的音响设备和声音采集设备以及空间探测信号处理模块共同构成，或是上述两个波段的组合传感器系统。
一种空间环境探测系统，其特征是，包含：
分布设置在空间环境中的一个或多个所述的集成声呐的物联网设备，其对不同空间方位信息进行采集。
一种空间环境探测系统，其中，还包含：
信号处理单元，其无线通信连接所述的集成声呐的物联网设备，接收物联网设备发送的未经处理或经过初步处理的空间信息；
所述的信号处理单元为无线网络中的独立设备或与在无线网络中的接入点集成。
上述的空间环境探测系统，其中，还包含：
功能设备，所述物联网设备对声呐传感器模块采集的空间信息进行解析使用，并根据解析结果通过有线或无线方式对功能设备进行控制。
上述的空间环境探测系统，其中，还包含：
功能设备，其连接所述的信号处理单元；
所述声呐传感器模块将采集的空间信息通过无线网络发送给信号处理单元，信号处理单元根据空间信息的解析结果对功能设备进行控制。
上述的空间环境探测系统，其中：
所述空间环境探测系统还包含监控设备。本发明与现有技术相比具有以下优点：声呐传感器节点布设简单灵活，与无线物联网设备集成，可以实现空间信息的本地采集；同时易于实现声呐传感器大间距布设和大数量布设，空间位置多样，因此空间探测范围覆盖跨度大，信号样本采集丰富，从而可以在信号处理单元中实现更好的空间信息提取算法。
附图说明
图1为本发明的集成声呐的物联网设备结构示意图；
图2为本发明的基于集成声呐的物联网设备的空间环境探测系统的实施例一系统图；
图3为本发明的基于集成声呐的物联网设备的空间环境探测系统的实施例二系统图；
图4为本发明的基于集成声呐的物联网设备的空间环境探测系统的实施例三系统图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
一种集成声呐的物联网设备，其包含一个或多个声呐传感器模块101，声呐传感器模块101具有发射声波探测信号，并采集空间反射的探测信号的功能，对应不同空间方位的信息采集；所述物联网设备通过无线网络通信连接外接的信号处理单元，将未经处理或经过初步处理的空间信息发送给信号处理单元。上述集成声呐的物联网设备可以利用可感声波或超声波等机械波，通过探测声波在介质空间中传播并在空间障碍物处的反射波，进行的空间探测和障碍物探测，具体的，该物联网设备通过声呐传感模块101探测采集空间信号，并可对采集到的信号进行空间信息提取，也可将采集到的信号或经过初步处理的空间信息，通过无线连接发送给更高一级处理单元进行更详细的空间信息分析和处理，或者配合其他应用的信号处理需要，即实现了在本地进行空间环境信息分析利用，也实现了将获得的空间环境信息发送给更强的信息处理设备，进行详细的空间环境信息处理或空间建模等更复杂的分析的功能。即，本发明中的所述物联网设备可以视具体的应用需要，具备简单到复杂的不同的空间探测信号处理分析能力，如有些物联网设备需要本地处理分析空间环境信息，以配合其他功能模块应用(例如实施例一)，有些物联网设备不需要本地处理功能，只需要将采集到的空间探测信息传输给无线网络中的信号处理单元(例如实施例二、实施例三)。
所述物联网设备还包含无线传输和控制模块103以及基本功能模块102，无线传输和控制模块103的输入端通信连接声呐传感器模块101，其输出端无线网络通信连接信号处理单元，基本功能模块102通信连接无线传输和控制模块103。
所述基本功能模块102为任意应用功能设备，如家电控制、照明控制、其他数据采集处理等，如图1中所示为本发明的集成声呐的物联网设备的一种实施方式，该物联网设备可以具有两个声呐传感器模块101(如，对应不同空间方位的采集)，基本功能模块102和声呐传感器模块101均通过控制信号与数据接口与无线传输与控制模块103连接，所示控制信号与数据接口可以为标准接口如UART、SPI、I2S、USB、SDIO、I2C等，也可以为非标准私有定义接口。
所述集成声呐的物联网设备可以为支持其他应用功能的无线设备、物联网设备等加上声呐传感器模块构成，如Wi-Fi灯组设备附加声呐传感器模块、Wi-Fi家用物联网设备附加声呐传感器模块等，也可以为仅具有声呐空间探测传感功能的物联网节点。
所述的声呐传感器模块101为超声波波段的声呐传感器，或由可感声波波段的音响设备和声音采集设备以及空间探测信号处理模块共同构成，或是上述两个波段的组合传感器系统。上述声呐传感器工作频率可以为较高频段的可感声波，如7kHz至20kHz，也可以为超声波频段。对于一个声呐探测系统来说，声呐探测频率较低，可探测空间范围较大，探测精度较差；频率较高，可探测空间范围较小，探测精度较高。
本实施例中，所述的无线网络可以为任意无线网络传输模式，目前，802.11Wi-Fi无线通信标准是应用范围最广的无线接入技术标准之一，在物联网领域，Wi-Fi物联网接入方式更是应用最广，成本最低，可扩展性最好的物联网接入方式之一，本发明中主要以Wi-Fi网络为例。
本发明还公开了一种空间环境探测系统，其包含：
信号处理单元，其无线通信连接所述的集成声呐的物联网设备，接收物联网设备发送的未经处理或经过初步处理的空间信息，所述无线物联网设备一般通过无线传输模块链接到无线网络中的一个或多个信号处理单元。信号处理单元可以为无线网络中的独立设备，也可以与网络中其他设备功能集成，如在Wi-Fi无线网络中的接入点(AP)与信号处理单元集成。上述信号处理单元主要负责对其收到的各声呐传感器节点采集的空间探测信号进行空间信息提取等信号处理，以满足各种实时应用和非实时应用的要求。信号处理单元通过采集到的空间探测信号，可以提取出室内空间距离信息，室内障碍物位置信息，室内空间范围，甚至室内家具物品表面材质信息等，具体的，该模块功能可以利用软件方式灵活实现。
所述的空间环境探测系统还可以包含：
功能设备，所述物联网设备对声呐传感器模块101采集的空间信息进行解析使用，并根据解析结果通过有线或无线方式对功能设备进行控制。
所述的空间环境探测系统还可以包含：
功能设备，其连接所述的信号处理单元；所述声呐传感器模块101将采集的空间信息通过无线网络发送给信号处理单元，信号处理单元根据空间信息的解析结果对功能设备进行控制。
所述空间环境探测系统还包含监控设备。
实施例一
如图2所示为一个市面常见的Wi-Fi桌面放置式阵列麦克风，本实施例中的物联网设备内置三个麦克风、三个声呐传感器101、混音器以及信号处理模块和Wi-Fi传输模块。在该设备开始工作的时候，通过内置的三个声呐传感器101探测设备所在平面的360°二维空间信息，并由信号处理器进行空间环境信息提取。三个麦克风用来采集设备所在空间的声音信号。空间环境信息用来协助混音器对三个麦克风的麦克风阵列所采集的声音信息进行语音信号提取和处理。本实施例中的Wi-Fi链路，只用来将混音器提取的语音信息发送给扬声器进行播放，系统所获得的空间信息，不需要通过Wi-Fi无线链路进行传送。
实施例二
如图3所示为一个Wi-Fi无线悬挂式麦克风阵列，每一个Wi-Fi无线悬挂式麦克风上都内置一个声呐传感器101。该设备不进行任何信号处理，麦克风采集的声音信息和声呐传感器101采集的空间探测信息，都通过相应的Wi-Fi链路传输至Wi-Fi接入点，由信号处理单元提取空间环境信息和进行其他语音信号分离和提取。如实施例一，本实施例中设备所得空间信息也可以用于辅助信号处理单元进行语音信号处理。
实施例三
如图4所示为一个工业物联网应用，具体为一个Wi-Fi无线液体容器自动监控系统，用来监控容器中液体容量，和液体底部沉积物的形态。图中C1和C2为两个液体容器，用于存储某种液体，斜线部分代表液体部分，底部灰色部分代表容器中的沉积物质。图中S1和S2为两个漂浮式Wi-Fi无线物联网监控设备，声呐传感器101置于该物联网设备底部(图中未显示)，周期性的用声呐传感器101向液体中以一定的扇区宽度垂直发送声波信号，并接收底部反射信号。本实施例中的两个漂浮式监控设备S1和S2可以不进行任何探测信号的处理，而是将接收到的探测信号通过与Wi-Fi接入点的无线链接，发送给接入点，并由接入点设备上的信号处理单元处理空间监测信息；或者也可以在漂浮式监控设备S1和S2上进行部分空间信息提取，将初步处理结果发送给Wi-Fi接入点上的信号处理单元进行综合处理。最终获得的容器中液体部分深度，以及液体底部沉积物的表面形态信息，提供给监控系统进行容器存储的综合管理。若容器竖壁上标有刻度，则可以在该物联网监控设备上配置摄像头，在声呐传感器101进行底部扫描的同时，利用摄像头读取容器中液体表面高度的刻度信息，以利于监控系统监控液体底部沉积物厚度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种室内空间环境探测系统，其特征在于，包含：
分布设置在室内空间环境中的一个或多个包含基本功能模块(102)并集成声呐的WiFi式的物联网设备，其对不同室内空间方位信息进行采集；
所述的物联网设备包含一个或多个声呐传感器模块(101)，对应不同室内空间方位的信息采集，还包含无线传输和控制模块(103)，其输入端通信连接声呐传感器模块(101)，其输出端通过无线网络通信连接外部的功能设备；所述物联网设备对声呐传感器模块(101)采集的室内空间信息进行解析使用，并根据解析结果对功能设备进行控制；
或者，所述的物联网设备包含一个或多个声呐传感器模块(101)，对应不同室内空间方位的信息采集，还包含无线传输和控制模块(103)，其输入端通信连接声呐传感器模块(101)，其输出端通过无线网络通信连接外部信号处理单元，该无线传输和控制模块(103)通过无线网络通信将未经处理或经过初步处理的室内空间信息发送给信号处理单元；所述信号处理单元根据室内空间信息的解析结果对与之连接的功能设备进行控制；
其中所述室内空间信息包括室内空间距离信息、室内障碍物位置信息、室内空间范围、室内家具或物品表面材质信息中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的室内空间环境探测系统，其特征在于，还包含：
信号处理单元，其无线通信连接所述的物联网设备，接收物联网设备发送的未经处理或经过初步处理的室内空间信息；
所述的信号处理单元为无线网络中的独立设备或与在无线网络中的接入点集成。
3.如权利要求2所述的室内空间环境探测系统，其特征在于：
所述室内空间环境探测系统还包含监控设备。
4.如权利要求1所述的室内空间环境探测系统，其特征在于：
所述基本功能模块(102)为任意应用功能设备。
5.如权利要求1所述的室内空间环境探测系统，其特征在于：
所述的声呐传感器模块(101)为超声波波段的声呐传感器，或由可感声波波段的音响设备和声音采集设备以及室内空间探测信号处理模块共同构成，或是上述两个波段的组合传感器系统。
6.一种室内空间环境探测系统，其特征在于，包含：
分布设置在室内空间环境中的一个或多个包含基本功能模块(102)并集成声呐的WiFi式的物联网设备，其对不同室内空间方位信息进行采集；
所述的物联网设备包含一个或多个声呐传感器模块(101)，对应不同室内空间方位的信息采集，还包含无线传输和控制模块(103)，其输入端通信连接声呐传感器模块(101)，其输出端通过无线网络通信连接外部的功能设备；
所述的物联网设备包含麦克风阵列，所述基本功能模块(102)包含混音器、信号处理模块、麦克风，所述无线传输和控制模块(103)包含Wi-Fi传输模块；所述功能设备包含扬声器；
所述声呐传感器模块(101)采集的室内空间探测信息，送至信号处理模块进行室内空间环境信息提取；麦克风采集物联网设备所在室内空间的声音信号；混音器基于室内空间环境信息对所述声音信号进行语音信号提取和处理；所述Wi-Fi传输模块将混音器提取的语音信号发送给扬声器进行播放；
其中所述室内空间信息包括室内空间距离信息、室内障碍物位置信息、室内空间范围、室内家具或物品表面材质信息中的一种或多种。
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