CN107688183A - 一种基于室内精确定位的位置监控系统和方法 - Google Patents

一种基于室内精确定位的位置监控系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于室内精确定位的位置监控系统和方法。至少三个超声波信号发射单元，分别布置在室内各自固定位置处，分别用于发送超声波定位信号，所述至少三个超声波信号发射单元不在同一条直线上，也不在同一个圆周上；可穿戴设备，用于从所述至少三个超声波信号发射单元分别接收超声波定位信号，计算与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离，并基于与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离确定所述可穿戴设备的室内坐标，将所述室内坐标发送到云端；智能终端，用于从云端获取所述室内坐标，并根据时间信息和所述室内坐标确定可穿戴设备的状态模式，当判定所述状态模式异常时，发出报警指令。

Description

一种基于室内精确定位的位置监控系统和方法
技术领域
本发明实施方式涉及光电技术领域，更具体地，涉及一种基于室内精确定位的位置监控系统和方法。
背景技术
社会老龄化的趋势越来越明显，老人如何养老已成为社会非常关注的问题。老人养老的方式目前主要是养老院和社区养老，其共同点是看护人员不足，不能实时监控老人的状态。摔跤、突发疾病是对老人最大的威胁，本专利提出一种基于超声波精准定位的方法，对老人的位置进行监测，并对老人的习惯进行学习，一旦老人发生状况，会向监测终端发送报警信息，告知相关人员进行查看。比如，智能终端通过对老人佩戴的设备进行定位，通过老人的运动轨迹学习老人的生活习惯，可知老人平时八点到九点半坐在沙发的位置看电视，但是当十点了，老人还一直处于沙发的位置没变，则监护人可以打电话咨询老人，也可以上门查看，防止老人身体突发状况引起不可逆转的事情。
基于位置定位基本都是采用wifi，蓝牙等进行定位，精度都不足以定位人的位置信息。虽然超声波传输时具有一定的衰减，在室内测距已经完全满足要求，而超声波装置具有价格低廉，装置简单、经济实用、工作非常稳定的优点。定位精度更是可以达到厘米级别，可以定位人位置及房间内各物体的位置。
发明内容
有鉴于此，本发明实施方式提出一种基于室内精确定位的位置监控系统和方法。
本发明实施方式的技术方案如下：
一种基于室内精确定位的位置监控系统，包括：
至少三个超声波信号发射单元，分别布置在室内各自固定位置处，分别用于发送超声波定位信号，所述至少三个超声波信号发射单元不在同一条直线上，也不在同一个圆周上；
可穿戴设备，用于从所述至少三个超声波信号发射单元分别接收超声波定位信号，计算与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离，并基于与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离确定所述可穿戴设备的室内坐标，将所述室内坐标发送到云端；
智能终端，用于从云端获取所述室内坐标，并根据时间信息和所述室内坐标确定可穿戴设备的状态模式，当判定所述状态模式异常时，发出报警指令。
在一个实施方式中，所述超声波信号发射单元为三个，所述超声波信号发射单元之间时间同步且所述可穿戴设备与所述超声波信号发射单元时间同步；
可穿戴设备，用于基于下列公式计算所述可穿戴设备的室内坐标(x、y、z)：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2＝d3；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离。
在一个实施方式中，所述超声波信号发射单元为四个，所述超声波信号发射单元之间时间同步且所述可穿戴设备与所述超声波信号发射单元不时间同步；
可穿戴设备，用于基于下列公式计算室内坐标(x、y、z)及r0：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+r0＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+r0＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+r0＝d3；
[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+r0＝d4；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x4、y4、z4)为第四个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离；d4为可穿戴设备与第四个超声波信号发射单元的计算距离；r0为可穿戴设备与所述超声波信号发射单元不时间同步所导致的距离误差。
在一个实施方式中，所述至少三个超声波信号发射单元中包含一个主设备，所述主设备还用于发送包含室内地图标识的超声波信号；
可穿戴设备，还用于将所述室内地图标识发送到云端；
智能终端，还用于从云端获取对应于所述室内地图标识的室内地图，并将所述室内坐标映射到所述室内地图上。
在一个实施方式中，智能终端，还用于预先保存对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常。
在一个实施方式中，智能终端，还用于基于室内坐标历史数据学习对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常。
在一个实施方式中，所述可穿戴设备为手环、项链、脚环、脚链或项圈。
一种基于室内精确定位的位置监控方法，包括：
分别布置在室内各自固定位置处的至少三个超声波信号发射单元，分别发送超声波定位信号，其中所述至少三个超声波信号发射单元不在同一条直线上，也不在同一个圆周上；
可穿戴设备从所述至少三个超声波信号发射单元分别接收超声波定位信号，计算与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离，并基于与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离确定所述可穿戴设备的室内坐标，将所述室内坐标发送到云端；
智能终端从云端获取所述室内坐标，并根据时间信息和所述室内坐标确定可穿戴设备的状态模式，当判定所述状态模式异常时，发出报警指令。
在一个实施方式中，所述超声波信号发射单元为三个，所述超声波信号发射单元之间时间同步且所述可穿戴设备与所述超声波信号发射单元时间同步；
可穿戴设备基于下列公式计算所述可穿戴设备的室内坐标(x、y、z)：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2＝d3；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离；或
所述超声波信号发射单元为四个，所述超声波信号发射单元之间时间同步且所述可穿戴设备与所述超声波信号发射单元不时间同步；
可穿戴设备基于下列公式计算室内坐标(x、y、z)及r0：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+r0＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+r0＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+r0＝d3；
[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+r0＝d4；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x4、y4、z4)为第四个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离；d4为可穿戴设备与第四个超声波信号发射单元的计算距离；r0为可穿戴设备与所述超声波信号发射单元不时间同步所导致的距离误差。
在一个实施方式中，该方法还包括：
智能终端中预先保存对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常；或
智能终端基于室内坐标历史数据学习对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常。
从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中提出一种基于超声波精准定位的监测系统，应用于对被监护人在房间内位置信息的异常进行监测，并发出警告信息，提醒监护人员电话咨询或者上门进行查看，对被监护人突发状况有一定的监测作用。
而且，本发明实施方式还提出了免时钟同步的监测方法，提高了使用便利性。另外，本发明实施方式可以将室内坐标映射到室内地图上，从而便于了解被监护人的在室内的实时状态。
附图说明
图1为根据本发明基于室内精确定位的位置监控系统结构图；
图2为根据本发明实施方式定位算法示意图；
图3为根据本发明实施方式的超声波测距的结构示意图；
图4为根据本发明实施方式的室内精确定位的位置监控方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。
图1为根据本发明基于室内精确定位的位置监控系统结构图。
如图1所示，该系统包括定位装置。定位装置包括至少三个超声波信号发射单元。至少三个超声波信号发射单元分别布置在室内各自固定位置处，分别用于发送超声波定位信号，至少三个超声波信号发射单元不在同一条直线上，也不在同一个圆周上。
该系统还包括可穿戴设备，用于从定位装置(至少三个超声波信号发射单元)分别接收超声波定位信号，计算与至少三个超声波信号发射单元的各自距离，并基于与至少三个超声波信号发射单元的各自距离确定可穿戴设备的室内坐标，将室内坐标发送到云端。
该系统还包括智能终端，用于通过蓝牙、Wifi等无线通信方式从云端获取室内坐标，并根据时间信息和室内坐标确定可穿戴设备的状态模式，当判定状态模式异常时，发出报警指令。
图2为根据本发明实施方式定位算法示意图。
在一个实施方式中，超声波信号发射单元为三个，超声波信号发射单元之间时间同步且可穿戴设备与超声波信号发射单元时间同步；
可穿戴设备，用于基于下列公式计算可穿戴设备的室内坐标(x、y、z)：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2＝d3；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离。
在这里，每个超声波信号发射单元发送的超声波定位信号分别包含自身的标识及超声波信号发射单元本地的发送时刻。可穿戴设备基于可穿戴设备本地接收超声波定位信号的接收时刻，以及超声波定位信号中包含的发送时刻计算与超声波信号发射单元的距离。
比如，超声波信号发射单元A发出的超声波定位信号包含超声波信号发射单元A的标识(即A)及超声波信号发射单元A本地的发送时刻t1。可穿戴设备本地接收该超声波定位信号的接收时刻为t2。因此，可穿戴设备计算出与超声波信号发射单元A之间的距离为d，而且d＝C*(t2－t1)，其中C为超声波的速度。
可见，在这种实施方式中，需要超声波信号发射单元之间时间同步且可穿戴设备与所述超声波信号发射单元时间同步，但是计算过程简单。
在一个实施方式中，超声波信号发射单元为四个，超声波信号发射单元之间时间同步且可穿戴设备与超声波信号发射单元不时间同步；
可穿戴设备，用于基于下列公式计算室内坐标(x、y、z)及r0：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+r0＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+r0＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+r0＝d3；
[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+r0＝d4；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x4、y4、z4)为第四个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离；d4为可穿戴设备与第四个超声波信号发射单元的计算距离；r0为可穿戴设备与所述超声波信号发射单元不时间同步所导致的距离误差。
在这里，每个超声波信号发射单元发送的超声波定位信号分别包含自身的标识及发送时刻。可穿戴设备基于接收时刻和发送时刻计算与超声波信号发射单元的距离。
可见，在这种实施方式中，需要超声波信号发射单元之间时间同步且可穿戴设备可以与超声波信号发射单元不时间同步，因此适用情形更加广泛。
在一个实施方式中，至少三个超声波信号发射单元中包含一个主设备，所述主设备还用于发送包含室内地图标识的超声波信号；可穿戴设备，还用于将室内地图标识发送到云端；智能终端，还用于从云端获取对应于室内地图标识的室内地图，并将室内坐标映射到室内地图上。
在一个实施方式中，智能终端，还用于预先保存对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常。
在一个实施方式中，智能终端，还用于基于室内坐标历史数据学习对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常。
在一个实施方式中，所述可穿戴设备为手环、项链、脚环、脚链或项圈。
可见，智能终端通过解析坐标信息，并将坐标信息与地图进行匹配，可以结合时间信息判断穿戴设备的运动情况，当运动情况与已设置的运动情况或者通过学习得到运动情况有异常时，启动报警装置，如声、光、信息等方式进行报警，通知监护人员进行检查或者上门查看。
可以预先在智能终端上设置穿戴设备的运动情况。例如，老人平时的生活习惯是晚上9点半至10点上床睡觉，早上五点半至六点起床，那么正常情况下，这个时间段可以定位老人的位置是在床的位置，高度是床的高度。如果监测信息显示早上超过六点已经半个小时了，老人的位置信息还是在床的位置，终端设备给监护人发送报警信息，则监护人可以打电话询问老人的情况，或者上门查看。如果穿戴设备的高度很小，则可能是老人摔倒在地上，终端设备发出报警，监护人员马上上门查看送医。
本发明提出的基于超声波精准定位的监测系统，应用于对老人在房间内位置信息的异常进行监测，并发出警告信息，提醒监护人员电话咨询或者上门进行查看，对老人突发状况有一定的监测作用。穿戴设备可以结合血压、血糖、心电等其他监测功能集成一体。穿戴设备成本低，设计简单，佩戴方便，可以大力推广。超声波精准定位监测系统成本低，安装方便快捷，无需接入互联网，布线简单。该系统可以广泛应用于养老院、社区养老、家庭养老等场所。智能终端可以是智能手机、电脑、掌上电脑等，随时可以查看信息。
具体地，本发明实施方式提出的室内监测系统包括定位装置、云端数据库、穿戴式设备以及智能终端。室内监测系统可以包括一套及以上的定位装置，每套定位装置包括处理器、存储器、信号放大器，以及至少3个超声波信号发射单元。至少3个超声波信号发射单元中，一个设为主发射单元，其他设为从发射单元。信号发射单元不在同一条直线上，也不在同一个圆周上。
主发射单元以预设频率f0向穿戴式设备发送position_ID信号。position_ID是该定位系统中主发射单元的一个编号是唯一确定的，它用于区别定位系统中其它定位装置。position_ID信号用于智能终端在接受到该信号后向云端下载与position_ID编号相匹配的环境地图。WearableDevice_ID是穿戴设备的编号，用于区别其他穿戴设备；Termination_ID是终端设备的编号，用于区别其他终端设备。
从发射单元和主发射单元以相同的预设频率f1发送定位信号，定位信号用于计算从和主发射单元分别到穿戴式设备的距离。主发射单元发送的信号包含但不限于position_ID信号和定位信号。
云端数据库是系统管理员预先设置好的数据库，其中包含但不限于环境地图、各信号发射单元坐标等系统信息，云端数据库根据定位装置的position_ID向智能终端发送地图信息，并发送老人的坐标信息、时间信息。
穿戴式设备为被定位设备，穿戴式设备包括处理器、存储器、超声波接收器。用于接收超声波信号发射单元设备发送的信号，利用接收到的定位信号计算穿戴式设备到各个超声波信号发射单元之间的距离；并且向云端发送自己坐标信息。穿戴设备可以是手环、胸针、发卡腰环等形式的设备。
智能终端能接收云端发送的包括但不仅限于地图信息、位置信息、时间信息，并根据这些信息和设定值触发报警。智能终端触发报警信息可以以声、光、短信息等方式。智能终端可以是智能手机、电脑、掌上电脑等。
下面对本发明实施方式方案做更详细说明：
管理员对云端数据库进行管理，存储定位装置标识(position_ID)、智能终端标识(termination_ID)及对应的室内地图等信息。一个termination_ID可以对应多个室内地图，一个定位装置的position_ID对应一个室内地图，一个室内地图可以对应多个定位装置position_ID。而且，在房间内装有定位系统中的至少一个定位装置，信号发射单元发送超声波信号(超声波信号包含但不限于定位信号和ID信号)，主信号发射单元发送包含但不仅限于position_ID信号和定位信号，从信号发射单元发送包括但不仅限于定位信号；定位信号和position_ID信号以超声波发射。穿戴式设备接收定位装置发出的超声波信号，包括了定位信号及position_ID信号。穿戴式设备根据接收定位装置的position_ID，然后将该position_ID发送给云端，云端查找position_ID对应的室内地图，并将该室内地图发送给数据库中对应的终端设备。穿戴式设备接收定位装置发送的超声波定位信号，计算出各信号发射单元与穿戴式设备的距离Li，运用三角定位算法计算穿戴设备坐标(x，y，z)。穿戴式设备以频率f1将坐标信息、WearableDevice_ID发送给云端，云端转发这些信息给终端设备。终端设备解析坐标信息、ID信息，并将这些信息与地图进行匹配。结合时间信息判断穿戴设备的运动情况，当运动情况与已设置的运动情况或者通过学习得到运动情况有异常时，启动报警装置，如声、光、信息等方式进行报警，通知监护人员进行检查或者上门查看。
在上述描述中，在可穿戴设备上计算与超声波信号发射单元之间的各自距离。
实际上，也可以在超声波信号发射单元上分别计算与可穿戴设备的距离，而且超声波信号发射单元将计算出的与可穿戴设备的距离发送到可穿戴设备，从而由可穿戴设备基于该距离确定自身在室内的坐标。
图3为根据本发明实施方式的超声波测距的结构示意图。
如图3所示，该测距系统包括：
包含第一超声波发送器11、第一超声波接收器12和计算单元13的超声波信号发射单元1，超声波信号发射单元1保存有一个预设的时间值ΔT(比如，可以在计算单元13中保存该时间值ΔT)；
包含第二超声波接收器21和第二超声波发送器22的可穿戴设备2，可穿戴设备2保存有该预设的时间值ΔT；其中：
第一超声波发送器11，用于发送第一超声波信号；第二超声波接收器21，用于接收该第一超声波信号；第二超声波发送器22，用于在第二超声波接收器21接收第一超声波信号的时刻起，再经过该时间值ΔT的时刻发送第二超声波信号；第一超声波接收器12，用于接收第二超声波信号；计算单元13，用于基于在超声波信号发射单元1记录的、第一超声波发送器11发送第一超声波信号的第一时刻，在超声波信号发射单元1记录的、第一超声波接收器12接收第二超声波信号的第二时刻，以及该时间值ΔT计算超声波信号发射单元1与可穿戴设备2之间的距离。
第一超声波信号中可以携带超声波信号发射单元1的标识信息，第二超声波信号中可以携带可穿戴设备2的标识信息，从而可以区分第一超声波信号和第二超声波信号。
具体地，超声波信号发射单元1和可穿戴设备2分别保存相同的时间值ΔT。超声波信号发射单元1基于本地时钟记录第一超声波发生器11发送第一超声波信号的时刻T1。第一超声波信号经过时间T由可穿戴设备2的第二超声波接收器21接收。然后，可穿戴设备2的第二超声波发送器22在第二超声波接收器21接收到第一超声波信号的时刻起，经过时间ΔT后再发送第二超声波信号。在超声波信号发射单元1和可穿戴设备2之间，超声波在空气中传播经历的路径相同，因此第二超声波信号经过时间T由超声波信号发射单元1的第一超声波接收器12接收。超声波信号发射单元1基于本地时钟记录第一超声波接收器12接收第二超声波信号的时刻T2。那么，T+ΔT+T＝(T2-T1)；
因此，超声波在在超声波信号发射单元1和可穿戴设备2之间的空气中传播的时间T为：T＝(T2-T1-ΔT)/2；因此，超声波信号发射单元1与可穿戴设备2之间的距离L为：L＝C*T，其中C为超声波在空气中传播的速度，为常数。ΔT为预设值，其取值范围可以为1毫秒到50秒之间。
例如：超声波信号发射单元1发出测距超声波M，从发出测距超声波M到再次接收到可穿戴设备2回复的超声波N的时间差为0.25s，即T2-T1为0.25s，已知可穿戴设备2处理测距超声波M的预设时间ΔT为0.05s，则测距超声波M和回复超声波N在超声波信号发射单元1到可穿戴设备2之间单程传播的时间为0.1s，超声波在空气中传播的速度为350m/s，则可以计算出超声波信号发射单元1与可穿戴设备2之间的距离为350*0.1＝35米。
在一个实施方式中，超声波信号发射单元1，还用于将计算单元13计算出的超声波信号发射单元1与可穿戴设备2之间的距离发送到可穿戴设备2。比如，超声波信号发射单元1可以经由第一超声波发送器11，将包含该距离的超声波信号发送到可穿戴设备2的第二超声波接收器21。可穿戴设备2通过解析该超声波信号，可以获知可穿戴设备2与超声波信号发射单元1之间的距离。
在一个实施方式中，超声波信号发射单元1还包括报警单元14；计算单元13，还用于当超声波信号发射单元1与可穿戴设备2之间的距离超过预先设定的门限值时，向报警单元14发送报警命令；报警单元14，用于根据报警命令发出报警信号。比如，报警信号可以为光报警、声音报警，振动报警，等等。
在一个实施方式中，可穿戴设备2还包括报警单元23。报警单元23，用于当超声波信号发射单元1与可穿戴设备2之间的距离超过预先设定的门限值时，发出报警信号。比如，报警信号可以为光报警、声音报警，振动报警，等等。
可见，本发明无需在超声波信号发射单元1和可穿戴设备2之间发送同步时间即可实现超声波信号发射单元1和可穿戴设备2之间的测距，因此本发明实施方式实现了免同步时钟的超声波测距。
超声波信号发射单元1的计算单元13计算出与穿戴式设备之间的距离后，可以将该距离承载在超声波信号中发送到穿戴式设备，从而穿戴式设备可以获取该距离。
基于图3所示结构，当超声波信号发射单元的数目为三个或三个以上时，超声波信号发射单元之间无需时间同步，而且超声波信号发射单元与可穿戴设备之间也无需时间同步，即可实现针对可穿戴设备的定位计算。
可以将图3所示的超声波发射单元和穿戴式设备应用到图1所示结构。当将图3所示的超声波发射单元和穿戴式设备应用到图1所示系统结构时，具体地：
一种基于室内精确定位的位置监控系统，包括：
至少三个超声波信号发射单元，分别布置在室内各自固定位置处，分别用于发送超声波定位信号，所述至少三个超声波信号发射单元不在同一条直线上，也不在同一个圆周上；至少三个超声波信号发射单元，分别计算与可穿戴设备的距离，并将各自计算出的距离承载在超声波通知信号中发送到可穿戴设备；其中，每个超声波信号发射单元具有图3中超声波信号发射单元1的相同结构，而且可穿戴设备具有图3中可穿戴设备2的相同结构。超声波信号发射单元计算与可穿戴设备的距离的具体方式参照图3的描述；
可穿戴设备，用于分别解析超声波通知信号以获取与至少三个超声波信号发射单元的各自距离，并基于与至少三个超声波信号发射单元的各自距离确定所述可穿戴设备的室内坐标，将所述室内坐标发送到云端；
智能终端，用于从云端获取所述室内坐标，并根据时间信息和所述室内坐标确定可穿戴设备的状态模式，当判定所述状态模式异常时，发出报警指令。
可见，本发明实施方式还提出了一种彻底的免同步时钟的超声波定位方法，基本原理是三点定位方法。首先，布置三台(或更多)位置固定且均带有至少一个超声波发生器和至少一个超声波接收器的固定设备(即超声波信号发射单元)。被定位设备为可穿戴设备，被定位设备具有至少一个超声波发生器和至少一个超声波接收器。固定设备和可穿戴设备，均有唯一ID。固定设备发送带有自身ID的超声波信号，可穿戴设备接收来自固定设备的超声波信号，经过预定的时间后将该带有固定设备ID的超声波信号发射回去。根据上述免时钟同步的超声波测距方法，可以得到移动设备与固定设备的距离，同理可以测得可穿戴设备与其他两台固定设备的距离。因此，固定设备之间无需时间同步，而且固定设备与可穿戴设备之间也无需时间同步。
本发明实施方式还提出了一种室内精确定位的位置监控方法。
图4为根据本发明实施方式的室内精确定位的位置监控方法流程图。
如图4所示，该方法包括：
步骤401：分别布置在室内各自固定位置处的至少三个超声波信号发射单元，分别发送超声波定位信号，其中所述至少三个超声波信号发射单元不在同一条直线上，也不在同一个圆周上；
步骤402：可穿戴设备从所述至少三个超声波信号发射单元分别接收超声波定位信号，计算与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离，并基于与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离确定所述可穿戴设备的室内坐标，将所述室内坐标发送到云端；
步骤403：智能终端从云端获取所述室内坐标，并根据时间信息和所述室内坐标确定可穿戴设备的状态模式，当判定所述状态模式异常时，发出报警指令。
在一个实施方式中，
所述超声波信号发射单元为三个，所述超声波信号发射单元之间时间同步且所述可穿戴设备与所述超声波信号发射单元时间同步；
可穿戴设备基于下列公式计算所述可穿戴设备的室内坐标(x、y、z)：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2＝d3；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离；或
所述超声波信号发射单元为四个，所述超声波信号发射单元之间时间同步且所述可穿戴设备与所述超声波信号发射单元不时间同步；
可穿戴设备基于下列公式计算室内坐标(x、y、z)及r0：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+r0＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+r0＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+r0＝d3；
[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+r0＝d4；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x4、y4、z4)为第四个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离；d4为可穿戴设备与第四个超声波信号发射单元的计算距离；r0为可穿戴设备与所述超声波信号发射单元不时间同步所导致的距离误差。
在一个实施方式中，
该方法还包括：
智能终端中预先保存对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常；或
智能终端基于室内坐标历史数据学习对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常。
综上所述，在本发明实施方式中提出一种基于超声波精准定位的监测系统，应用于对被监护人在房间内位置信息的异常进行监测，并发出警告信息，提醒监护人员电话咨询或者上门进行查看，对被监护人突发状况有一定的监测作用。
而且，本发明实施方式还提出了免时钟同步的监测方法，提高了使用便利性。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于室内精确定位的位置监控系统，其特征在于，包括：
至少三个超声波信号发射单元，分别布置在室内各自固定位置处，分别用于发送超声波定位信号，所述至少三个超声波信号发射单元不在同一条直线上，也不在同一个圆周上；
可穿戴设备，用于从所述至少三个超声波信号发射单元分别接收超声波定位信号，计算与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离，并基于与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离确定所述可穿戴设备的室内坐标，将所述室内坐标发送到云端；
智能终端，用于从云端获取所述室内坐标，并根据时间信息和所述室内坐标确定可穿戴设备的状态模式，当判定所述状态模式异常时，发出报警指令。
2.根据权利要求1所述的基于室内精确定位的位置监控系统，其特征在于，
所述超声波信号发射单元为三个，所述超声波信号发射单元之间时间同步且所述可穿戴设备与所述超声波信号发射单元时间同步；
可穿戴设备，用于基于下列公式计算所述可穿戴设备的室内坐标(x、y、z)：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2＝d3；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离。
3.根据权利要求1所述的基于室内精确定位的位置监控系统，其特征在于，
所述超声波信号发射单元为四个，所述超声波信号发射单元之间时间同步且所述可穿戴设备与所述超声波信号发射单元不时间同步；
可穿戴设备，用于基于下列公式计算室内坐标(x、y、z)及r0：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+r0＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+r0＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+r0＝d3；
[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+r0＝d4；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x4、y4、z4)为第四个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离；d4为可穿戴设备与第四个超声波信号发射单元的计算距离；r0为可穿戴设备与所述超声波信号发射单元不时间同步所导致的距离误差。
4.根据权利要求1所述的基于室内精确定位的位置监控系统，其特征在于，所述至少三个超声波信号发射单元中包含一个主设备，所述主设备还用于发送包含室内地图标识的超声波信号；
可穿戴设备，还用于将所述室内地图标识发送到云端；
智能终端，还用于从云端获取对应于所述室内地图标识的室内地图，并将所述室内坐标映射到所述室内地图上。
5.根据权利要求1所述的基于室内精确定位的位置监控系统，其特征在于，
智能终端，还用于预先保存对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常。
6.根据权利要求1所述的基于室内精确定位的位置监控系统，其特征在于，
智能终端，还用于基于室内坐标历史数据学习对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常。
7.根据权利要求1所述的基于室内精确定位的位置监控系统，其特征在于，
所述可穿戴设备为手环、项链、脚环、脚链或项圈。
8.一种基于室内精确定位的位置监控方法，其特征在于，包括：
分别布置在室内各自固定位置处的至少三个超声波信号发射单元，分别发送超声波定位信号，其中所述至少三个超声波信号发射单元不在同一条直线上，也不在同一个圆周上；
可穿戴设备从所述至少三个超声波信号发射单元分别接收超声波定位信号，计算与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离，并基于与所述至少三个超声波信号发射单元的各自距离确定所述可穿戴设备的室内坐标，将所述室内坐标发送到云端；
智能终端从云端获取所述室内坐标，并根据时间信息和所述室内坐标确定可穿戴设备的状态模式，当判定所述状态模式异常时，发出报警指令。
9.根据权利要求8所述的基于室内精确定位的位置监控方法，其特征在于，
所述超声波信号发射单元为三个，所述超声波信号发射单元之间时间同步且所述可穿戴设备与所述超声波信号发射单元时间同步；
可穿戴设备基于下列公式计算所述可穿戴设备的室内坐标(x、y、z)：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2＝d3；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离；或
所述超声波信号发射单元为四个，所述超声波信号发射单元之间时间同步且所述可穿戴设备与所述超声波信号发射单元不时间同步；
可穿戴设备基于下列公式计算室内坐标(x、y、z)及r0：
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+r0＝d1；
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+r0＝d2；
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+r0＝d3；
[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+r0＝d4；
其中：
(x、y、z)为可穿戴设备的室内坐标；(x1、y1、z1)为第一个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x2、y2、z2)为第二个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x3、y3、z3)为第三个超声波信号发射单元在室内的坐标；(x4、y4、z4)为第四个超声波信号发射单元在室内的坐标；d1为可穿戴设备与第一个超声波信号发射单元的计算距离；d2为可穿戴设备与第二个超声波信号发射单元的计算距离；d3为可穿戴设备与第三个超声波信号发射单元的计算距离；d4为可穿戴设备与第四个超声波信号发射单元的计算距离；r0为可穿戴设备与所述超声波信号发射单元不时间同步所导致的距离误差。
10.根据权利要求8所述的基于室内精确定位的位置监控方法，其特征在于，该方法还包括：
智能终端中预先保存对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常；或
智能终端基于室内坐标历史数据学习对应于该时间信息的默认状态模式，当所述可穿戴设备的状态模式与所述对应于该时间信息的默认状态模式不匹配时，判定所述状态模式异常。
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