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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Zuordnung beweglicher Gegenstände zu einem Raum mit mindestens zwei Räumen, einer Sendeeinheit, die mit dem beweglichen Gegenstand verbunden ist und mit dem beweglichen Gegenstand bewegbar ist, einer Empfangseinheit und einer Auswerteeinheit zur Auswertung der von der Empfangseinheit empfangenen Signale.
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Derartige Verfahren und Systeme werden genutzt, um beispielsweise die Position von Betriebsmitteln feststellen und zeitlich erfassen zu können, wenn Serviceaufgaben erledigt werden müssen oder Projektabrechnungen durchgeführt werden müssen. So sind Systeme und Verfahren zur Geräteverwaltung beispielsweise für Prüfstände mit mehreren Prüfräumen bekannt geworden, bei denen die Position bei Bewegung des Werkzeugs oder des jeweiligen Messgerätes von einem Raum in den anderen manuell eingegeben und erfasst werden muss. Diese Verfahren bieten jedoch nicht die Möglichkeit, die Position der Geräte innerhalb der Anlage automatisch und in Echtzeit zu verfolgen.
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Entsprechend wurden in den letzten Jahren einige automatische Systeme entwickelt, die hauptsächlich für Lagerräume und die Bestandsverwaltung eingesetzt werden. Diese Systeme basieren auf drahtlosen Übertragungstechnologien wie RFID, BLE, Wi-Fi, UWB oder ZigBee. Zur Auswertung werden insbesondere Messwerte zur Ankunftszeit, Empfangssignalstärke und Ankunftswinkel verwendet. Die Auswertung der Signalstärke bietet eine mittlere bis niedrige Genauigkeit, ohne dass eine Zeitsynchronisation erforderlich ist, und kann mit verschiedenen drahtlosen Übertragungstechnologien wie beispielsweise Bluetooth durchgeführt werden. Der Hauptvorteil von Bluetooth-Geräten ist die Möglichkeit, Daten zu übertragen.
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So wird in der
EP 3 709 048 A1 ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Senders innerhalb eines Rohbaus offenbart, bei dem der Sender ein Signal aussendet, welches durch einen in einer Wand befestigten Empfänger empfangen wird und mittels einer Auswerteeinheit auf Basis des empfangenen Signals die Position des Senders bestimmt wird. Hierzu wird die Signalstärke und die Signallaufzeit des Signals bestimmt und an eine Basisstation übermittelt.
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Dieses System erfordert einen erhöhten Rechenaufwand zur genauen Positionsbestimmung, da eine sehr genaue Auswertung des Signals durch komplexe Algorithmen erforderlich ist. Zusätzlich sind wiederkehrend Kalibrierungsschritte durchzuführen. Eine automatische Verfolgung der jeweiligen Sender beziehungsweise Betriebsmittel erfolgt nicht.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, ein System und ein Verfahren zur Zuordnung beweglicher Gegenstände zu einem Raum zu schaffen, mit welchen die Position der Geräte innerhalb der Anlage automatisch und in Echtzeit verfolgt werden kann. Dies soll mit geringen Investitionskosten auf effektive und einfache, nicht fehlerbehaftete Weise ermöglicht werden. Die genaue Position des Gegenstandes innerhalb eines Raumes wird häufig nicht benötigt und es soll daher zur Verringerung der benötigten Rechnerleistung darauf verzichtet werden, aufwendige Interpolationsverfahren zur genauen Abstandsbestimmung durchzuführen.
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Diese Aufgabe wird durch ein System zur Zuordnung beweglicher Gegenstände zu einem Raum mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Zuordnung beweglicher Gegenstände zu einem Raum mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Das erfindungsgemäße System zur Zuordnung beweglicher Gegenstände zu einem Raum weist mindestens zwei Räume auf. Hierbei kann es sich um Räume handeln, in denen jeweils ein Prüfstand ausgebildet ist und die beispielsweise in einem Gebäude angeordnet sind. In den Räumen befinden sich bewegliche Gegenstände, wie Messgeräte, Werkzeuge oder andere Betriebsmittel, die mit einer Sendeeinheit ausgestattet beziehungsweise verbunden sind. Bei Bewegung der Gegenstände werden entsprechend auch die Sendeeinheiten mit bewegt. Des Weiteren ist jedem Raum eine Empfangseinheit fest zugeordnet, die üblicherweise in dem entsprechenden Raum angeordnet ist und sich gegebenenfalls dort an einer definierten Position befindet. Diese Empfangseinheiten sind über eine Datenverbindung, die kabelgebunden oder kabellos erfolgen kann, mit einer Auswerteeinheit verbunden, die zur Auswertung der von der Empfangseinheit empfangenen Signale dient.
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Beim entsprechenden Verfahren empfängt somit jede Empfangseinheit die Signale jeder Sendeeinheit. Die Signale werden an die Auswerteeinheit übertragen, in der die Signale gesammelt und zur Identifikation des jeweiligen Raumes in der die jeweilige Sendeeinheit steht, ausgewertet werden, indem ein Vergleich der Signale der verschiedenen Empfangseinheiten vorgenommen wird. Entsprechend erfolgt die Auswertung immer unter Einbeziehung mehrerer Signale, die von den verschiedenen Empfangseinheiten empfangen werden, was es ermöglicht, eine Zuordnung der jeweiligen Sendeeinheit zu einem bestimmten Raum durchzuführen, ohne eine vollständige quantitative und qualitative Auswertung der Signale vornehmen zu müssen. Dies verringert den Rechenaufwand erheblich, so dass Investitionskosten und laufende Kosten erheblich gesenkt werden können. Des Weiteren wird die Anzahl von Fehlern durch Fehlmessungen oder falsche Auswertungen minimiert.
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Vorzugsweise dient die Datenverbindung zur Übermittlung der Signalstärke jeder Empfangseinheit zur Auswerteeinheit. Diese reicht aufgrund der in jedem Raum vorhandenen Empfangseinheiten aus, um zuverlässig den jeweiligen Gegenstand beziehungsweise die jeweilige Sendeeinheit einem bestimmten Raum zuzuordnen, in dem sich die Sendeeinheit befinden muss.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn mehrere Sendeeinheiten in den Räumen angeordnet sind, wobei jede Sendeeinheit einen Identifikationsdatensatz an die Empfangseinheiten sendet. Über diesen Identifikationsdatensatz kann jeder bewegliche Gegenstand entsprechend einer Sendeeinheit zugeordnet werden, so dass eine Vielzahl an Geräten separat den vorhandenen Räumen zugeordnet werden können.
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In einer hierzu weiterführenden Ausführung dient die Datenverbindung auch zur Übermittlung der Identifikationsdatensätze zur Auswerteeinheit, so dass die Auswerteeinheit bei Verwendung mehrerer aufzufindender Gegenstände diese identifizieren und den jeweiligen Signalstärken zuordnen und damit auch einem Raum, in dem sich der jeweilige Gegenstand befindet, zuordnen kann.
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Die Sendeeinheiten senden vorzugsweise ein Bluetooth-Low Energy Signal, welches den Vorteil eines besonders geringen Energieverbrauchs hat, so dass eine Vielzahl von Signalen über die Sendeeinheiten gesendet werden können, ohne dass ein zusätzliches Aufladen oder ein Austausch von Batterien notwendig wären. Des Weiteren können über Bluetooth auch problemlos Daten, wie die Identifikationsdatensätze übertragen werden.
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Um Verluste bei der Übertragung der Signale zwischen den Empfangseinheiten und der Auswerteeinheit zu vermeiden, ist die Auswerteeinheit mit den Empfangseinheiten vorzugsweise über Datenübertragungskabel verbunden.
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Die Empfangseinheiten sind vorzugsweise fest im jeweiligen Raum angeordnet, so dass eine Verbindung über Kabel erleichtert wird und bei gleicher Position der Sendeeinheiten auch ein immer ein gleiches Signal zu den Empfangseinheiten gelangt.
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In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Anwesenheit einer Sendeeinheit in einem bestimmten Raum geschlossen, wenn das durch die Empfangseinheit in diesem Raum empfangene und der jeweiligen Sendeeinheit zuzuordnende Signal stärker ist als die durch die anderen Empfangseinheiten empfangenen und dieser Sendeeinheit zuzuordnenden Signale sind. Somit kann durch einfache Identifikation und Vergleichsbildung, ohne aufwendige Rechenoperationen eine eindeutige Zuordnung des jeweiligen Gegenstandes zu einem bestimmten Raum erfolgen.
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Um Fehler aufgrund mangelnder Spannung der Batterie oder extremer Temperaturschwankungen zu vermeiden, wird die Signalstärke in Abhängigkeit der übermittelten Temperatur und der vorliegenden Batteriespannung der Sendeeinheit korrigiert.
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Vorzugsweise werden die Signale in definierten Zeitabständen übertragen und über einen definierten Zeitraum zur Auswertung gespeichert. Durch diese Vorgehensweise kann das Rauschen der übermittelten Daten einfach herausgefiltert werden.
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Die Zeitabstände zur Übertragung der Signale betragen zwischen einer Sekunde und 30 Sekunden. Diese Zeitspanne hat sich einerseits als ausreichend kurz herausgestellt, um sichergehen zu können, dass der jeweils korrekte Raum angezeigt wird und andererseits als energetisch sinnvoll herausgestellt, da durch die größeren Zeitspannen weniger Energie der Batterien der Sendeeinheiten benötigt wird.
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Bei der Auswertung des Signals wird in einem ersten Schritt der Identifikationsdatensatz aus dem Signal gefiltert, wodurch einerseits eine Identifikation der jeweiligen Sendeeinheit vorliegt und andererseits die reine Signalstärke aufgrund des Abstandes zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit bei der Auswertung berücksichtigt wird.
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In einem folgenden Schritt wird vorteilhafterweise ein Durchschnittswert der Signalstärke über den definierten Zeitraum in der Auswerteeinheit berechnet. Auf diese Weise werden Signalfehler minimiert beziehungsweise kurze Signalspitzen geglättet.
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Eine Verifikation der Zuordnung wird vorzugsweise durch Vergleich der verschiedenen Signalstärken der Empfangseinheiten durchgeführt und auf eine korrekte Zuordnung geschlossen, wenn eine vordefinierte Differenz zwischen den Signalstärken überschritten wird. Diese kann beispielsweise 10 dBm betragen. Fehlmeldungen können so zuverlässig vermieden werden.
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Das erfindungsgemäße System und Verfahren zur Zuordnung beweglicher Gegenstände zu einem Raum arbeitet energiesparend und gibt dem Nutzer die Möglichkeit, zuverlässig und in Echtzeit den Raum zu bestimmen, in welchem der jeweils benötigte Gegenstand positioniert ist. Hierzu sind lediglich geringe Investitionskosten notwendig, da beispielsweise bei Prüfständen mit mehreren Räumen einige der benötigten Geräte bereits vorhanden sind beziehungsweise kostengünstig angeschafft werden können. Die mit den Sendeeinheiten ausgestatteten Gegenstände werden entsprechend automatisch und in Echtzeit verfolgt.
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Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und des Systems zur Zuordnung beweglicher Gegenstände zu einem Raum wird im Folgenden anhand der Figuren beschrieben.
- 1 zeigt schematisch ein Gebäude mit verschiedenen Prüfständen, in denen verschiedene Gegenstände beziehungsweise Betriebsmittel angeordnet sind.
- 2 zeigt beispielhaft Messwerte einer Empfangseinheit anhand derer eine Auswertung vorgenommen wird.
- 3 zeigt beispielhaft die Messwerte zweier Empfangseinheiten bei Raumwechsel einer der Sendeeinheiten.
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In der 1 ist ein Gebäude 10 mit drei Räumen 12, 14, 16 dargestellt, in denen beispielsweise verschiedene Prüfstände ausgebildet sind. In jedem dieser Räume 12, 14, 16 ist jeweils eine Empfangseinheit 18, 20, 22 fest installiert, welche geeignet ist, insbesondere ein Bluetooth-Low-Energy-Signal zu empfangen. Jeder Gegenstand 24, 26, 28, 30 im Gebäude 10, von dem der jeweilige Standort kontinuierlich verfolgt werden soll, ist mit einer Sendeeinheit 32, 34, 36, 38 ausgestattet, die insbesondere ein Bluetooth-Low-Energy-Signal aussenden kann und die am entsprechenden Gegenstand 24, 26, 28, 30, der beispielsweise ein beliebiges Messgerät sein kann, befestigt ist, so dass der entsprechende Gegenstand 24, 26, 28, 30 immer mit der Sendeeinheit 32, 34, 36, 38 gemeinsam bewegt werden muss.
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Die Empfangseinheiten 18, 20, 22 weisen eine Datenverbindung 40 in Form eines Datenübertragungskabels 42 mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit 44 auf, die als Personal Computer ausgeführt sein kann.
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Die von der jeweiligen Empfangseinheit 18, 20, 22 von einer Sendeeinheit 32, 34, 36, 38 empfangenen Signale variieren in ihrer Signalstärke mit den Entfernungen zwischen der jeweiligen Sendeeinheit 32, 34, 36, 38 und der jeweiligen Empfangseinheit 18, 20, 22. Je größer der Abstand ist und desto mehr Wände, insbesondere Stahlträgerwände, zwischen der jeweiligen Sendeeinheit 32, 34, 36, 38 und der jeweiligen Empfangseinheit 18, 20, 22 ausgebildet sind, desto schwächer ist die Signalstärke des Bluetooth-Signals. Entsprechend wird die Signalstärke genutzt, um näherungsweise die Position und damit den Raum 12, 14, 16, in dem sich die jeweilige Sendeeinheit 32, 34, 36, 38 befindet, abzuschätzen.
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Um diese Abschätzung vorzunehmen werden die Signalstärken aller drei Empfangseinheiten 18, 20, 22 verglichen, um zu berechnen, wo sich die jeweilige Sendeeinheit 32, 34, 36, 38 und damit der gesuchte Gegenstand 24, 26, 28, 30 befindet.
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Die Signalstärke der Sendeeinheiten 32, 34, 36, 38 werden für alle Empfangseinheiten 18, 20, 22 im Gebäude 10 in definierten Zeitabständen von beispielsweise einer Sekunde gesendet und empfangen und an die Auswerteeinheit 44 weitergeleitet, so dass auch ein zeitlicher Verlauf nachvollziehbar ist, der zur Verifikation der Daten genutzt werden kann.
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Neben der reinen Signalstärke wird von den Empfangseinheiten 18, 20, 22 auch ein Identifikationssignal empfangen, welches jede Sendeeinheit 32, 34, 36, 38 mit jedem Signal aussendet und welches individuell ist, so dass die jeweilige Sendeeinheit 32, 34, 36, 38 hierüber identifizierbar ist.
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In der Auswerteeinheit 44 wird zunächst das Identifikationssignal aus dem gesendeten Signal herausgefiltert, um die reine Signalstärke auswerten zu können. Als zweiten Schritt wird in der Auswerteeinheit 44 ein gleitender Durchschnittswert der übermittelten Signalpegel, wie sie beispielhaft in 2 dargestellt sind, während eines definierten Zeitraums von beispielsweise 10 Sekunden berechnet, wodurch die Batterielaufzeiten deutlich erhöht werden können, denn durch die Verwendung dieser Signalpegeldurchschnittswerte kann das Signal-Rauschen durch Filtern reduziert werden, welches zustande kommt, wenn zur Energieeinsparung mit einer geringen Sendeleistung gesendet wird, wodurch die Signalstabilität jedoch sinkt. Durch diese Methode entfallen die deutlich nach unten oder oben abweichenden Messergebnisse.
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Im letzten Schritt berechnet die Auswerteeinheit 44, welche Empfangseinheit 18, 20, 22 für die jeweilige Sendeeinheit 32, 34, 36, 38 die größte Signalstärke aufweist, was durch einfache Differenzbildung erfolgen kann. In der 3 sind beispielhaft die Messdaten der drei Empfangseinheiten 18, 20, 22 für eine Sendeeinheit 32 dargestellt, welche während der Aufzeichnungszeit vom ersten Raum 12 in den zweiten Raum 14 verfahren wird. So wird die Anwesenheit des Gegenstandes 24 mit der Sendeeinheit 32 zunächst dem Raum 12 dann dem Raum 14 zugewiesen, in dem die zugehörige Empfangseinheit 18, 20 den größten im gleitenden Durchschnitt berechneten Signalpegel der jeweiligen Sendeeinheit 32, 34, 36, 38 empfangen hat.
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Schließlich können die ermittelten Signale noch verifiziert werden, indem eine Differenz der gemessenen Signalstärke jeder Empfangseinheit 18, 20 22 gebildet wird. Dies lässt Rückschlüsse auf die Qualität der Messergebnisse zu, da diese Differenz üblicherweise ein gewisses Niveau übersteigen sollte, um mit maximaler Wahrscheinlichkeit auf eine korrekte Raumzuordnung schließen zu können. So kann man beispielsweise vorgeben, dass sich die Signalstärken im Leistungspegel um mindestens 10 dBm unterscheiden sollten, um als korrektes Signal gewertet zu werden. Die Qualität des Ergebnisses hängt somit auch von der Anzahl der verwendeten Empfangseinheiten 18, 20, 22 und dem Abdeckungsgrad der Empfangseinheiten 18, 20, 22 in den Räumen 12, 14, 16 ab.
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Die so berechneten Endergebnisse werden auf einem Ausgabebildschirm der Auswerteeinheit 44 visualisiert. Auf diesem Bildschirm kann der Benutzer den Standort des gesuchten Gegenstandes 24, 26, 28, 30 finden und aufgrund der Speicherung der Signaldaten auch, beispielsweise zu Abrechnungszwecken berechnen, wie lange der Gegenstand 24, 26, 28, 30 in einem bestimmten Raum 12, 14, 16 platziert war. Des Weiteren können auch weitere und zusätzliche physikalische Daten gespeichert werden, wie die Umgebungstemperatur oder die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des jeweiligen Gegenstandes 24, 26, 28, 30.
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Das beschriebene System und Verfahren zur Zuordnung beweglicher Gegenstände zu einem Raum bietet somit die Möglichkeit, die Position von Gegenständen, wie beispielsweise Werkzeugen und Messgeräten, zu erfassen, aufzuzeichnen und in Echtzeit automatisch zu verfolgen. Das System mit dem beschriebenen Verfahren ermöglicht dies mit sehr geringen Investitions- und Betriebskosten. Die Komplexität und die notwendige menschliche Interaktion für die Projektabrechnung und den Servicebetrieb werden drastisch reduziert.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Insbesondere können verschiedene Mengen an Gegenständen und Räumen vorhanden sein oder unterschiedliche Datenübertragungstechnologien genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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