JP7320051B2 - 位置認識システム - Google Patents

Description

産業プラントのオペレーターは、施設内の人員および重要な資産の位置認識を維持するための、簡単で費用対効果の高い正確な手段を必要とする。典型的な使用例には、安全招集、マンダウン検出、モバイルワーカーの強化（例えば、位置認識拡張現実）、ジオフェンシング、プラントの保安など多数が含まれる。現在の位置認識ソリューションは、購入とインストールに費用がかかり、ローカル環境の特性に合うよう微調整するのに数ヶ月かかることが多い。調整後であっても、物理的および環境的なプラントの経時変化は、システムの精度を低下させる可能性がある。全地球測位システム（ＧＰＳ）は、屋内の位置監視あるいは屋外の重いインフラストラクチャには適していない。

測位システム（ＰＳ）は、建物内または密集した工業地域内の物体や人の位置をワイヤレスで特定するために使用されるデバイスのネットワークである。全地球測位システム（ＧＰＳ）によるシステムは、４つ以上のＧＰＳ衛星に対して遮られない視線を必要とするため屋内の場所や他の混雑した場所の確立には通常適しておらず、そのため、特別な設計が必要となる。マイクロ波は、屋根、壁、および他の物体によって減衰および散乱され、表面での多重反射により、制御不能なエラーとなるマルチパス伝播が発生する。

測距は、種々の方法のうち１つまたはそれ以上を使用できるが、センサの信頼できる時刻源を維持するのに複雑な同期メカニズムを必要とすることや、屋内の場所や混雑し得る産業環境といった人口密度の高いローカライズ状況で大規模なマルチパス状態を被ることがあり、これは、物体からのＲＦ信号の反射や回折によって引き起こされる。

建設資材によって引き起こされる減衰および反射のために、システムによってカバーされるべき任意の場所で少なくとも３つのアンカーポイントに対して遮られない視線を有することが望ましい。その結果、より多くのアンカーステーションが必要となる。

位置認識システムは、通信ネットワークと、通信ネットワークに結合されたネットワーク操作要素とを含む。少なくとも１つのアンカーネットワークゲートウェイが通信ネットワークに結合され、この少なくとも１つのアンカーネットワークゲートウェイは、ワイヤレスアンカーネットワークを生成するよう構成されている。複数のアンカーは、それぞれのワイヤレスアンカーネットワークを介して少なくとも１つのアンカーネットワークゲートウェイの１つに結合するよう構成されている。複数のタグは、それぞれ、少なくとも１つのアンカーと通信し、システムによってカバーされる領域内のタグの位置を決定するための測距情報を提供するよう構成されている。

システム内の複数のタグの位置特定方法は、第１のネットワークに、第１のネットワークに結合したネットワーク操作要素を提供し、第１のネットワークに結合した、アンカーネットワークを提供する少なくとも１つのアンカーネットワークゲートウェイを提供することを含む。複数の固定位置アンカーのネットワークが形成され、複数のタグとの測距を介して、および少なくとも１つのアンカーネットワークを介して、少なくとも１つのアンカーネットワークゲートウェイに通信するよう構成されている。システムは、ネットワーク化された無線通信プロトコル内で正確なタイミングを使用して操作され、システムのグローバルロケーションネットワークスケジュールを提供する。

システム内の複数のタグを測距する方法は、既存の産業用時分割多元接続方式による無線通信プロトコルの正確なタイミングを使用して、システムのグローバルロケーションネットワークスケジュールを提供することを含む。方法はさらに、複数のアンカーネットワークゲートウェイを介して複数のアンカーネットワークを提供し、複数のアンカーネットワークのうち少なくとも１つに結合した、複数のタグからアンカーへのネットワークを提供する複数の固定位置アンカーを提供することを含む。複数のタグ、複数のアンカー、アンカーネットワーク、およびタグからアンカーへのネットワークは、共通の時間感覚を有する。

位置認識システムは、複数のタグと、複数のアンカーと、タグとアンカーとの間の通信のための複数のアンカーネットワークゲートウェイとを含み、この複数のアンカーネットワークゲートウェイは、複数のアンカーネットワークを提供し、複数のアンカーは、複数のアンカーからタグへのネットワークを提供する。ネットワーク操作要素は、複数のアンカーネットワークゲートウェイに結合され、複数のタグを測距するよう構成されている。複数のタグは、既存の産業用時分割多元接続方式による無線通信プロトコルの正確なタイミングを使用して、システムのグローバルロケーションネットワークスケジュールを提供する方法を用いて測距される。複数のタグ、複数のアンカー、アンカーネットワーク、およびアンカーからタグへのネットワークは共通の時間感覚を有する。

位置認識システムの図である。 位置とワイヤレスアンカーネットワークのタイムアライメントの例である。 パーソナル位置タグの設計例の背面等角図である。 図３Ａのパーソナル位置タグ設計の背面図である。 図３Ａのパーソナル位置タグ設計の正面等角図である。 図３Ａのパーソナル位置タグ設計の正面図である。 位置アンカーの設計例の背面等角図である。 図４Ａの位置アンカー設計の背面図である。 図４Ａの位置アンカー設計の正面等角図である。 図４Ａの位置アンカー設計の正面図である。 タグアーキテクチャの概略図である。 アンカーアーキテクチャの概略図である。

本開示は、典型的な産業プラント内の資産および／または人員の位置認識を実現するための位置認識システムの実施形態を提供する。産業プラント内の重要な資産の位置を認識することは、プラントの安全かつ効率的な運転において重要な要素である。現在利用可能なシステムは、費用がかかり、複雑で、典型的な産業プラントのオペレーターが必要とする性能を提供しない。本開示は、既存の技術を基礎とし、展開しやすく、比較的低コストで、正確な位置認識システムを提供する。

多くの産業環境では、産業環境内の種々のコンポーネントや要素の通信のために低電力の産業用通信ネットワークが使用される。本開示の実施形態は、そのような既存の低電力産業用通信および測距技術を基礎とし、所有コストを低減して既存のソリューションより良好に機能する位置認識システムを実現する。

一般的な測位システム（ＰＳ）（例えば、以下にさらに説明するシステム１００）は、建物内または密集した工業地域内の物体または人をワイヤレスで位置特定するのに使用されるデバイスのネットワークから成る。全地球測位システム（ＧＰＳ）によるシステムは、４つ以上のＧＰＳ衛星に対して遮られない視線を必要とするため屋内の場所や他の混雑した場所の確立には通常適しておらず、そのため、特別な設計が必要となる。ＧＰＳ信号またはＧＰＳに使用されるＲＦ信号は、屋根、壁、および他の物体によって減衰および散乱され、表面での多重反射により、制御不能なエラーとなるマルチパス伝播が発生する。

本開示の実施形態で使用できる測距方法には、飛行時間（ＴｏＦ）、到着時間差、到着角、信号強度、位相角測定などが含まれる。測距方法の選択は、例えば、条件、所望の精度、および移植しやすさに依存し得る。

図１は、本開示の一実施形態に係る位置認識システム１００の簡略ブロック図である。システム１００は、一実施形態において、システム１００のさらなるコンポーネントが結合されるネットワーク１０２から成る。ネットワーク１０２は、例えば、イーサネット、Ｗｉ－Ｆｉなどのような高帯域幅の有線または無線ネットワークであってもよい。複数のワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４がネットワーク１０２に結合され、各ワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４は、ワイヤレスアンカーネットワーク１０５を提供する。複数のアンカー１０６は、ワイヤレスアンカーネットワーク１０５を介して各ワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４に結合される。パーソナルタグ１０８およびアセットタグ１１０は、それぞれシステムパーソナルおよびシステムアセットと関連付けられているが、さらに詳細に後述するように測距パルスを用いて１つまたはそれ以上のアンカー１０６と無線通信する。

ネットワーク１０２に結合されるワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４に加えて、ワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４をサポートするために使用される追加のソフトウェアおよび／またはハードウェアもまたネットワーク１０２に結合される。一実施形態では、ネットワーク１０２に結合されるコンポーネントは、一実施形態では、時分割多元接続（ＴＤＭＡ）方式のロケーションネットワークマネージャ１１２と、ロケーション計算エンジン１１４と、ロケーションシステムユーザーインターフェース１１６と、時刻源１１８とを含むネットワーク操作要素１１１を含み、これらそれぞれについてさらに詳細に後述する。コンポーネント１１２、１１４、１１６、および１１８は、一実施形態では、アンカー１０６およびワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４を介して受信されるタグ１０８、１１０の測距情報と連動して、システムのタイミング情報と動作を提供するために使用される。

ＴＤＭＡは、信号を複数のタイムスロットに分割することによってネットワーク上で周波数チャンネルを共有するための既知の規格である。各ワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４は、例えば、送信のために特定の時間を割り当てられることによって通信信号に使用される周波数を共有することができる。ワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４のタイムスロットは、一実施形態では、ＴＤＭＡ方式のロケーションネットワークマネージャ１１２によって割り当てられる。ＣＤＭＡ技術や他の時間および／または周波数スロッティングまたは共有技術を含む、任意の適切な通信技術を使用してもよい。

一実施形態では、アンカー１０６は、製造設備などの領域の周囲に、一実施形態では監視すべき領域をカバーするグリッドパターンで分散している。一実施形態では、アンカー１０６は、約５０メートル間隔のグリッドパターンで施設の周りに分散している。パーソナルタグ１０８およびアセットタグ１１０は、一実施形態では、アンカーからタグへの通信ネットワーク１０７上で信号強度を使用してアンカーのグリッドまで測距する。タグ１０８および１１０のアンカー１０６のグリッドまでの測距信号の強度に基づいて、タグ１０８および１１０の位置がアンカー１０６によって測距される。アンカーからタグへの通信またはネットワーク１０７は、本明細書に記載されるメッシュネットワークなどのネットワーク上で、または超広帯域ネットワークなどの別のネットワーク上で一連の測距パルスおよび通信を使用することができる。

アンカー１０６が複数のタグ１０８および１１０に対する測距データを有すると、測距データはシステム１００内で複数のワイヤレスアンカーネットワーク１０５を介してそれぞれのゲートウェイ１０４に伝達される。一実施形態では、ゲートウェイ１０４もまた、監視すべき領域をカバーするグリッドパターンで配置される。一実施形態では、ゲートウェイ１０４は、約２００メートル間隔のグリッドパターンで施設の周りに分散される。ゲートウェイ１０４は、アンカー１０６から測距情報を受信し、システム１００内でその測距情報をネットワーク１０２に結合されたコンポーネントに伝達する。

パーソナルタグ１０８およびアセットタグ１１０は、一実施形態では、信号強度を使用して、アンカーのグリッドまで測距する。タグ１０８および１１０のアンカー１０６のグリッドへの測距信号の強度に基づいて、タグ１０８および１１０の位置がアンカー１０６によって測距される。タグ１０８、１１０からの測距データは、各アンカー１０６に対するタグ１０８、１１０の位置を決定するためにロケーション計算エンジン１１４に渡される。そして、アンカー１０６の既知の位置に基づいて位置を決定することができる。

位置認識システムの概要：

上記図示説明したように、システム１００は、施設内の固定点に取り付けられた低電力アンカー１０６のマトリックスを使用する。これらのアンカー１０６は、一実施形態では、電力線および通信線に配線されなければならない他の種類のアンカーの数分の一のコストで展開することができるバッテリ駆動のワイヤレスデバイスである。危険なプラント環境においてワイヤを引くコストは、アンカー自体のコストの何倍もの大きさに容易になり得る。

システム１００内の様々な実施形態のアンカー１０６は、ＩＥＣ ６２５９１（ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ）およびＩＥＣ ６２７３４（ＩＳＡ１００．１１ａ）を含むがこれらに限定されない、いくつかの産業用または商業用無線通信技術のいずれかを使用することができる。ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴプロトコルは、重いインフラストラクチャ、電気ノイズ、混雑したＲＦ帯域、および可燃性および爆発性材料の存在など、ほとんどの工業プラントに存在する困難な環境に対応するようとりわけ設計された。位置認識システム１００は、これらのＴＤＭＡによるプロトコルの正確なタイミングを上手く利用して多数の移動するパーソナルタグ１０８およびアセットタグ１１０に対して単一またはマルチスペクトル測距を行うための直交スケジュールを生成することで、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴなどの自己組織化マルチホップメッシュプロトコルを基礎とする。時分割多元接続は、混雑したＲＦ環境において、多数のタグ１０８、１１０に対して超低電力で時間決定論的な測距を使用する。スケジュールにより、タグ１０８、１１０およびアンカー１０６の両方がそれらの動作（通信および測距）を高効率で同期させることができる。

システム１００がユーザーの施設全体をカバーできるように、２つ以上のワイヤレスアンカーネットワーク１０５が、２つ以上のワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４から展開される可能性が高い。施設で複数のワイヤレスアンカーネットワーク１０５が使用される場合、位置認識システム１００は、コンポーネント間で共通の時間感覚を維持する。一実施形態では、ＴＤＭＡ方式のロケーションネットワークマネージャ１１２によって生成されアンカー１０６およびタグ１０８、１１０に送信されるスケジュールと共に、システム－グローバルの時間感覚は、システム１００が自己干渉なしに多くのタグ１０８、１１０と非常に効率的に動作することを可能にする。

ロケーションネットワークタイミングの詳細：

ＴＤＭＡ方式のロケーションネットワークマネージャ１１２は、そのタイミング情報を各アンカー１０６およびタグ１０８、１１０に通信する。例えば、利用可能な高精度時刻源１１８を使用して（例えば、ネットワーク１０２に接続された高精度時間プロトコル－ＰＴＰソースを使用して）、ＴＤＭＡ方式のロケーションネットワークマネージャ１１２はその第１のスケジュールスロットの開始にタイムスタンプを付ける。後続の各スロットは、正確な期間（例えば、１０ミリ秒）であり、順番に番号が付けられる。このタイムスタンプは、ワイヤレスアンカーネットワーク１０５およびアンカーからタグへの通信ネットワーク１０７を介して各アンカー１０６およびタグ１０８、１１０に伝播される。アンカー１０６およびタグ１０８、１１０は、この情報を使用してＴＤＭＡ方式のロケーションネットワークマネージャ１１２によってプログラムされたようにそれらのローカルアンカーからタグへの送信、受信、および測距スロットを時間整合させる。

アンカー１０６は、要求に応じて特定のスケジュールスロットのタイミング情報も提供するワイヤレスアンカーネットワーク１０５を使用して時間感覚を維持する。この継続的に更新された時間は、アンカー１０６およびタグ１０８、１１０の間で共有され、位置認識システム１００の全ての構成要素に対して時間および温度の整合を維持する。

ロケーション計算エンジン１１４は、ＴＤＭＡ方式のロケーションネットワークマネージャと連動して動作し、タグ１０８、１１０からアンカー１０６を介してワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４からネットワーク１０２に沿って受信した測距情報を用いてタグ１０８、１１０の位置を特定する。ロケーションシステムユーザーインターフェース１１６は、ユーザーが施設内で操作などのために測距情報および位置情報を見て使用することを可能にする。

時間は、中央時刻源１１８からネットワーク１０２を通じてワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４に渡される。ゲートウェイ１０４は、その時間をワイヤレスアンカーネットワーク１０５を通じてアンカー１０６に渡す。アンカー１０６は、その時間をネットワーク１０７上のタグ１０８、１１０に渡す。システム１００の全てのコンポーネントが共通の時間感覚を有すると、システムの動作は、時間同期した通信および測距を用いて行われる。

例えば、同期は、マイクロ秒ごとに１回など、非常に高速で時間パルスを送信することで達成できる。しかしながら、そのような高速の時間パルス送信は、電力集約型であり、多くのアンカー１０６が少なくとも部分的なバッテリ電力で動作している状態では、非効率的で無駄である。代わりに、時間パルスは、一実施形態では、より少ない頻度で（例えば、許容可能なタイミング保護帯域を維持するために１分に１回）送信され、マイクロプロセッサクロックを使用してパルス間タイミングを実行する。一実施形態では、目標のバッテリ寿命を達成するために、異なるアンカーネットワーク間で１ミリ秒時間同期を使用することができる。マイクロプロセッサは、アンカー１０６、ワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイなどで使用することができ、一定時間のタイミング信号を提供できる。しかしながら、時間の経過と共に、マイクロプロセッサクロックはドリフトする可能性があり、同期クロックを使用してマイクロプロセッサクロックのタイミングを定期的に更新する。一実施形態では、これは、高精度時刻源１１８からネットワーク１０２と通じてワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４へ、ネットワーク１０５を通じてアンカー１０６へ、ネットワーク１０７を通じてタグ１０８、１１０へタイミング信号の伝播で行われる。

図２は、システム１００内の独立したアンカーネットワーク１０５のロケーションネットワークスケジュールを整合させるためのシステム１００のグローバル高精度時刻源（例えば、１１８）の使用を示す。アンカー１０６のローカル時間感覚は、アンカーネットワーク固有のオフセット値（Ｔ_ＡＮ０、Ｔ_ＡＮ１など）を使用して、ＴＤＭＡ方式のロケーションネットワークマネージャ１１２および高精度時刻源１１８によって提供されるロケーションネットワークスケジュールに修正することができる。

測距スペクトル：

システム１００の一実施形態では、アンカー１０６およびタグ１０８、１１０は、ワイヤレスアンカーネットワーク１０５とは無線周波数（ＲＦ）スペクトルの異なる部分を利用して通信および測距するため、タグ位置通信またはネットワーク１０７は、ワイヤレスアンカーネットワーク１０５のスケジュールに関する知識を使用しない。例えば、ワイヤレスアンカーネットワーク１０５は、ＲＦスペクトルの２．４ＧＨｚの産業科学医療（ＩＳＭ）部分を使用することができる。この構成では、アンカー１０６とタグ１０８、１１０との間の通信および測距は、無許可の９００ＭＨｚ（米国）または８６０ＭＨｚ（ＥＵ）帯域などＲＦスペクトルの別の部分で行われる。別の実施形態では、アンカー１０６およびタグ１０８、１１０は、広帯域、超広帯域、または超音波スペクトル通信を使用して測距および通信する。アンカー１０６とタグ１０８、１１０と間で測距および通信するために完全に異なるスペクトルを使用することは、干渉のない高効率な動作を依然として達成しつつも、ワイヤレスアンカーネットワークスケジュールおよびロケーションネットワークスケジュールを完全に独立して重複させることを可能にする。

別の実施形態では、システム１００は、アンカー１０６およびタグ１０８、１１０、ならびに同じスペクトル（一実施形態では、２．４ＧＨｚ帯域）を共有するワイヤレスアンカーネットワーク１０５を有する。このような実施形態は、グローバル展開を簡単にする。２．４ＧＨｚ帯域は世界的に統一されているが、サブＧＨｚ帯域はそうではない。スペクトルが重複する場合、例えば、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴのブラックリスト機能を使用することで、より効果的な共有を実現できる。

図２に示すように、高精度時刻源１１８は、システム１００の同期に使用される高精度な時間を保持する。高精度時刻源１１８からの高精度時間信号の伝播は、ある所定の期間のスロット２０４を有するロケーションネットワークスケジュール２０２上で提供される。ワイヤレスアンカーネットワーク１０５_１、１０５_２、…、１０５_ｎは、全てのワイヤレスアンカーネットワークが同じ時間スケジュールで動作することを可能にするアンカーネットワーク固有のオフセット値Ｔ_ＡＮ０、Ｔ_ＡＮ１、…、Ｔ_ＡＮｎを有する。例えば、上述したように各ワイヤレスアンカーネットワーク１０５のタイミングが同期した状態で、ワイヤレスアンカーネットワーク１０５_１は、スロット２０６で動作し、ワイヤレスアンカーネットワーク１０５_２は、スロット２０８で動作し、ワイヤレスアンカーネットワーク１０５_ｎは、スロット２１０で動作する。共有された既知のタイミングは、同期が行われる時に、ワイヤレスアンカーネットワーク１０５からアンカー１０６に渡され、次にタグ１０８、１１０に渡される。

システム１００のコンポーネントの詳細：

タグ（パーソナル１０８またはアセット１１０）：

タグ１０８、１１０は、一実施形態では、プラントまたは施設内の人員（タグ１０８）および重要な資産（タグ１１０）に取り付けられる低電力電子デバイスである。代表的なパーソナルタグ１０８の設計の背面等角図、背面図、正面等角図、および正面図がそれぞれ図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、および図３Ｄに示されている。タグ１０８、１１０の１つのアーキテクチャ実施形態のブロック図が図５に示されている。図５は、加速度計５０２と、測距要素または測距システム５０４と、アンカーからタグへの通信要素５０６とを含むタグ１０８、１１０を示している。タグ１０８、１１０の動作は既知であり、本明細書ではこれ以上説明しない。

タグ１０８、１１０の電力は、一実施形態では、一次または二次電池によって提供される。二次電池を使用する場合、プラグインおよび誘導結合による近接充電を含むがそれらに限定されない種々の方法で再充電することができる。バッテリ寿命を延ばすために、一実施形態では、タグ１０８、１１０は、特定の期間静止している時にタグが低電力スリープ状態に入ることを可能にするための加速度計５０２または他のコンポーネントを含む。低電力静止状態にある時、タグ１０８、１１０は、大幅に低減された速度でその位置を報告することができる。

各タグは、展開されたアンカー１０６における１つまたは複数の測距モジュールと互換性のある測距モジュール５０４を含む。測距機能は、次の１つまたは複数を含むことができる。
ａ． 狭帯域ＲＦ信号強度
ｂ． 狭帯域ＲＦ飛行時間（一方向および双方向）
ｃ． 狭帯域ＲＦビーコン
ｄ． 広帯域ＲＦ信号強度
ｅ． 広帯域ＲＦ飛行時間（一方向、双方向、および三方向）
ｆ． 広帯域ＲＦビーコン
ｇ． ＧＰＳ
ｈ． 超音波飛行時間（一方向および双方向）
ｉ． 狭帯域ＲＦパルスをタグとおよびアンカーとの間の時間同期に使用する場合、狭帯域ＲＦおよび超音波の混合
ｊ． 上記技術の組み合わせ

タグ１０８、１１０は、ジャイロスコープ、磁力計、および加速度計（５０２）などであるがそれらに限定されない推測航法による位置認識をサポートするためのコンポーネントをさらに含むことができる。タグ１０８、１１０はまた、ＲＦＩＤタグなどの近接検出ハードウェア、または施設または施設のセクションの門または出入口に配置される固定励磁器への誘導結合を含むことができる。これらのコンポーネントからのデータは、アンカーからタグへの通信ネットワーク１０７を通じて送信される前にタグ１０８、１１０でフィルタリングされても、されなくても良い。測距および推測航法データは、１つまたは複数のワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ１０４に送信され、次に、他の測距情報と共に処理してタグ１０８、１１０の信頼性の高い位置を確立するために、ネットワーク１０２を通じてロケーション計算エンジン１１４に送信される。

一実施形態では、タグは、位置認識システム１００に確実に参加するために（非操作手段を使用して）帯域外に備えられる。タグには、特定の資産または人員に関連付けられた固有のＩＤが付されている。動作に入る時、タグ１０８、１１０は、その存在を安全なロケーション結合キーを用いてＴＤＭＡ方式のロケーションネットワークマネージャ（ＴＬＮＭ）１１２に報告する。

タグ１０８、１１０は、危険な場所に配置される可能性があるため、一実施形態では、自己完結型でバッテリ駆動の本質的に安全なデバイスとして設計されている。タグ１０８、１１０はまた、電気機器の衝撃および火災の危険要件、ならびに電磁場適合性（ＥＭＣ）およびスペクトル使用要件に準拠し得る。

追加の実施形態では、タグは、タグ１０８、１１０の健康状態、ならびにその内部バッテリの状態を示す状態インジケーター（例えば、ＬＥＤ）などの他の機能を組み込むことができる。また、タグは、温度、湿度、およびガス濃度などの環境パラメータを検出するための測定機能を組み込んでもよい。また、パーソナルタグ１０８は、心拍数、呼吸数、皮膚温度、体位などの生体測定を組み込んでもよい。また、タグは、ユーザーが支援を求めるために起動できる非常ボタンを組み込んでもよい。上述した全てのパラメータは、アンカーからタグへのネットワーク１０７およびワイヤレスアンカーネットワーク１０５を使用してホストシステムに通信により戻される。そして、ホストシステムは、プラントの緊急対応および安全担当者に通知するなどの行動を取ることができる。

代表的なアンカー１０６の設計の背面等角図、背面図、正面等角図、および正面図がそれぞれ図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、および図４Ｄに示されている。アンカー１０６の１つのアーキテクチャ実施形態のブロック図が図６に示されている。図６は、ワイヤレスアンカーネットワーク無線装置６０２、測距要素または測距システム６０４、およびアンカーからタグへの通信要素６０６を含むアンカー１０６を示している。

アンカー１０６は、一実施形態では、固定された既知の位置を有するバッテリ駆動または回線給電式のデバイスである。アンカー１０６は、範囲内でタグ１０８、１１０と確実に通信し、単一またはマルチスペクトル手段を使用してアンカー１０６から追跡された各タグ１０８、１１０までの距離を決定する。一実施形態では、アンカー１０６は、タグの測距および健康状態情報をロケーション計算エンジン１１４に中継するために使用される業界標準メッシュネットワークの要素である。

費用対効果を大きくするために、アンカー１０６は、５～１０年の範囲のバッテリ寿命を有する自己完結型でバッテリ駆動のワイヤレスデバイスであってもよい。そのようなアンカー１０６の開発および使用は、既存のシステムの主要なコストの欠点を克服するのに役立つ。多くの既存のシステムは、工業用グレードのＷｉ－Ｆｉアクセスポイントといった、購入およびインストールに費用がかかる有線機器に依存している。また、アンカー１０６は、信頼できる直流電源が利用できる場合、回線で電力を供給され得る。例えば、アンカー１０６は、産業用照明システムに統合することができる。

一実施形態では、アンカー１０６は、狭帯域および広帯域ＲＦを含む種々の方法を利用して、１つまたは複数のネットワーク１０７を通じてタグ１０８、１１０と通信する。アンカー１０６は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００、またはＢＬＥメッシュといった既存のワイヤレスセンサフィールドプロトコルを使用して互いにネットワークを形成することができる。一実施形態では、この通信は、タグ１０８、１１０とアンカー１０６との間の通信および測距に使用されるものとは異なる周波数帯域を使用する。これにより、システム１００のこれらの２つの部分間のあらゆる共存問題が回避される。

アンカー１０６は、システムにおけるタグ１０８、１１０の測距技術に適合する測距技術を使用する。さらに、アンカー１０６は、定期的に互いに測距して、局所領域で測距測定に影響を与える重要な特性を継続的に評価することができる。例えば、アンカーは、それらの間のＲＦ信号強度測定を使用して、伝播、反射、および吸収係数を含むＲＦ環境の変化を継続的に評価することができる。各アンカーの固定位置はロケーション計算エンジン１１４に知られているため、アンカー間の測距情報を使用して、タグとアンカーとの間の測距測定を継続的に改善することができる。また、アンカー１０６は、設置者が固定位置情報を入力する必要なしにそれらの位置を決定するのを助けるために、ＧＰＳ機能を組み込むことができる。

各アンカー１０６は、一実施形態では、それが使用するワイヤレスセンサネットワークプロトコル（例えば、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴやＩＳＡ１００）の規定を使用して、ワイヤレスアンカーネットワーク１０５に確実に結合される。動作中、ＴＬＮＭ１１２は、アンカー１０６のスケジュールを確立して、アンカー１０６の近傍で選択されたタグ１０８、１１０との測距および通信を行う。アンカーメッシュネットワーク内でのアンカーの参加は、通常、アンカーネットワークマネージャゲートウェイにおいて、またはリモートアプリケーションとして動作するアンカーネットワークマネージャによって独立して管理される。

アンカー１０６は、危険な場所に配置される可能性があるため、自己完結型でバッテリ駆動の本質的に安全なデバイスとして設計されている。また、アンカー１０６は、電気機器の衝撃および火災の危険要件、ならびにＥＭＣおよびスペクトル使用要件に準拠し得る。

本開示の実施形態は、人員および重要な資産の位置を正確に追跡することができる産業用位置認識システムを提供する。産業用ＴＤＭＡ方式による無線通信プロトコル（例えば、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａ、ＢＬＥなど）を使用して固定位置アンカーのネットワークを形成する方法もまた提供される。この方法は、Ｗｉ－Ｆｉを用いたシステム、ブルートゥース（登録商標）ビーコンシステム、ＧＰＳシステム、および推測航法システムといった既存のシステムに対して性能面およびコスト面での優位性を提供する。

別の実施形態では、産業用ＴＤＭＡ方式による無線通信プロトコル内で正確なタイミングを使用する方法は、グローバルロケーションネットワークスケジュールを提供し、それにより、システム（例えば、システム１００）は、より高い電力および帯域幅効率を有し、システムが自己干渉の可能性なしに単一の施設で何千ものタグの位置を追跡することを可能にする。

別の実施形態では、アンカー通信ネットワークとは異なる周波数スペクトルを使用してアンカーとタグとの間の通信および測距を行う方法が提供される。そのような構成では、アンカーネットワークおよびロケーションネットワークスケジュールは、通信および測距の両方の帯域幅を増加させながらシステムの複雑さを低減することで独立して動作する。

別の実施形態では、既存の産業用ＴＤＭＡ方式による無線通信プロトコルの正確なタイミングを使用して、共有の時間感覚を伝播するグローバルロケーションネットワークスケジュールを複数のワイヤレスアンカーネットワークおよび複数のアンカーからタグへのネットワークに提供する方法において、ワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイと、アンカーと、タグとを含むシステムのコンポーネントは、共有の時間感覚とロケーションネットワークマネージャによって生成されるスケジュールとを有する。

本開示を好適な実施形態を参照して説明してきたが、当該技術分野における当業者は、本開示の主旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細において変更がなされ得ることを認識するであろう。

１００ 位置認識システム
１０２ ネットワーク
１０４ ワイヤレスアンカーネットワークゲートウェイ
１０５ ワイヤレスアンカーネットワーク
１０６ アンカー
１０７ ネットワーク
１０８ パーソナルタグ
１１０ アセットタグ
１１１ ネットワーク操作要素
１１２ ロケーションネットワークマネージャ
１１４ ロケーション計算エンジン
１１６ ロケーションシステムユーザーインターフェース
１１８ 時刻源

Claims (17)

1. 通信ネットワークと、
   前記通信ネットワークに結合されたネットワーク操作要素と、
   前記通信ネットワークに結合され、ワイヤレスアンカーネットワークを生成するよう構成された少なくとも１つのアンカーネットワークゲートウェイと、
   それぞれのワイヤレスアンカーネットワークを介して前記少なくとも１つのアンカーネットワークゲートウェイの１つに結合されるよう構成された複数のアンカーと、
   それぞれが少なくとも１つのアンカーと通信して、位置認識システムによってカバーされる領域内で前記タグの位置を決定するための測距情報を提供するよう構成された複数のタグと、を備えた位置認識システムであって、
   前記少なくとも１つのワイヤレスアンカーネットワークおよび前記タグからアンカーへの通信は、異なる非干渉周波数範囲内で行われる一方、
   前記ネットワーク操作要素は、
   前記複数のアンカーおよび前記少なくとも１つのアンカーネットワークゲートウェイを介して受信された前記複数のタグからの前記測距情報と連動して、前記位置認識システムにタイミング情報および動作を提供するよう構成された時刻源を含み、
   前記タグから前記アンカーへの通信は、前記ワイヤレスアンカーネットワークの動作のタイムスケジュールとは独立したタイムスケジュールで動作することを特徴とするシステム。
2. 前記タイミング情報は、前記通信ネットワークを介して前記時刻源から前記アンカーネットワークゲートウェイに渡され、該アンカーネットワークゲートウェイは、前記ワイヤレスアンカーネットワークを介してアンカーに渡すことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記ネットワーク操作要素は、
   前記システムを操作するよう構成された時分割多元接続方式のロケーションネットワークマネージャ（ＴＬＮＭ）と、
   前記測距情報および前記複数のアンカーのうち少なくとも１つの既知の位置から前記複数のタグの位置を決定するよう構成されたロケーション計算エンジンと、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記ＴＬＮＭは、前記複数のアンカーが前記タグとの測距および通信を行うスケジュールを確立するよう構成されていることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記ＴＬＮＭは、前記スケジュールの第１のスケジュールスロットの開始にタイムスタンプを付けるよう構成されていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記ＴＬＮＭは、前記ワイヤレスアンカーネットワークおよび前記タグからアンカーへの通信を介して前記タイムスタンプを各アンカーおよび各タグに伝播するよう構成されていることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記通信ネットワークに接続され、前記ネットワーク操作要素および前記時刻源を使用して動作する追加のアンカーネットワークをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記ネットワーク操作要素および前記時刻源を使用して動作する追加のアンカーネットワークゲートウェイをさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 前記アンカーは、低電力アンカーであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
10. 前記アンカーは、バッテリ駆動であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 前記複数のタグは、自己完結型でバッテリ駆動の本質的に安全なタグから成ることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
12. 前記複数のタグのうち少なくとも１つは、前記タグの健康状態および前記自己完結型バッテリのバッテリ状態を示す状態インジケータを含むことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記複数のタグのうち少なくとも１つは、温度、湿度、およびガス濃度のうち少なくとも１つを検出するための測定要素を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
14. 前記複数のタグのうち少なくとも１つは、ユーザーの生体情報を測定するよう構成されたパーソナルタグであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
15. 前記アンカーは、産業用照明システムに統合されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
16. 前記複数のタグの各タグは、タグ通信および測距コンポーネントを含むハウジングを備えたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
17. 前記複数のアンカーの各アンカーは、アンカー通信および測距コンポーネントを含むハウジングを備えたことを特徴とする請求項１のシステム。

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