TW201915515A - 一種協尋定位物體的無線裝置與方法 - Google Patents

一種協尋定位物體的無線裝置與方法 Download PDF

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Abstract

本發明是一種協尋定位物體的無線裝置與方法，可提供不同程度的定位資訊，透過無線網路裝置的分布，散佈裝置本身的定位資料透過間接收集無線射頻裝置的GPS等定位數據計算標的物的座標達到尋跡定位功能。

Description

一種協尋定位物體的無線裝置與方法
本發明是關於一種協尋定位物體的無線裝置與方法，透過網路與物體上的無線射頻收發裝置收集GPS等定位數據間接動態尋跡定位物體，可應用在倉儲物品定位、老人照護與寵物遺失定位等應用。
當前定位物體方法主要分為1.)GPS定位：接收GPS座標訊號定位物體，主要應用在戶外GPS訊號無接收問題的場合，很大的限制是GPS接收器昂貴且以3G/4G門號傳送物體的坐標。2.)無線射頻定位：標的物與周邊固定訊號台以無線射頻訊號通訊主要用於室內定位，根據無線射頻技術的不同分為a)到達時間定位(Time to Arrive,TOA)，b)到達時間差定位(Time-difference to Arrive,TDOA)，c)接收訊號角度定位(Angle of Arrive,AOA)，d)接收訊號強度定位(Receive Signal Strength,RSS)各有各的演算法與技術方法以獲得發射訊號標的物的相對座標，需要配合無線射頻技術與感測元件一起工作，成本高且很大的限制是監測範圍小，目前已有許多beacon信標裝置應用在防丟器與室內定位但都有易被干擾、監測範圍侷限與定位誤差大等問題。
短距離的無線傳輸技術主流包括WIFI與藍芽等，是一種短距離以2.4G公用無線頻譜的傳輸通訊規範，已廣泛應用於各領域與手機上，藍芽與WIFI和許多其他無線射頻網路標準架構是1對1或1對多的應用在測距定位上 已有許多利用RSSI訊號指數估算距離與三點定位的應用，礙於網路架構規範還必須以其他裝置以1對多收集傳遞上TCP/IP網路伺服器再計算其相對位置，傳送訊號距離有限且無法提供多對多的傳輸架構從而限制了佈置方便性與監測範圍，本發明一種協尋定位物體的無線裝置與方法，採取不同的做法為了讓無線射頻裝置彼此間能夠通訊不被使用的無線射頻網路規範所限制，以軟體定義網路方式定義網路應用層協定，網路傳輸層則以多數無線射頻規範都支援的廣播傳送與掃描接收封包資料，在不變動原無線射頻軟硬體的情況下讓無線射頻裝置能夠支援網狀網路達到多對多與遠距通訊。
本發明一種協尋定位物體的無線裝置與方法提供具備網狀網路通訊能力的無線射頻裝置以無線射頻訊號與網路收集相關定位資料如距離、GPS座標與方位間接達到尋跡定位物體的功能且能涵蓋廣闊的範圍，對於無法採用GPS接收器與攜帶複雜裝置的情況提供簡單有效的方法解決佈置點少與範圍小的問題，協助使用者解決擔心家人與寵物遺失難以定位的問題。
本發明提供一種協尋定位物體的無線方法，包含多個可移動的無線射頻裝置其中任一裝置在一時間範圍內經由無線通訊方式收發封包收集自身與其他裝置的GPS/AGPS座標和與標的物的距離。
進一步地，所述GPS/AGPS座標和標的物距離是由接收節點發射的RSSI/LQI/SNR值查表計算對應的距離直接或間接累加得到，如收集到三組數據可經由三點定位方式計算出標的物的定位座標或有一組坐標但和標的物距離在一設定值內也表示定位到標的物的坐標。
進一步地，所述無線通訊封包內容包含應用封包長度欄、表頭欄、指令欄、原發送節點ID欄、目標節點ID欄、可轉傳次數欄與附加資料欄可包含接收節點裝置的移動方位、GPS/AGPS座標和與目標節點的距離、目標節點裝置的移動方位資料和近距離發布欄。
進一步地，所述無線通訊方式是以廣播與掃描方式傳遞與接收封包且對封包中選擇資料加上訊息摘要欄與亂數欄以辨識是否為已接收或傳過的資料且能夠重傳封包。
進一步地，所述無線射頻裝置具有移動方位感測器，在傳送封包中傳送本身移動方位資料。
本發明還提供一種協尋定位物體的無線方法，包含多個無線藍芽裝置形成的網狀網路，經由廣播與掃描方式傳送與接收封包且對封包中選擇資料加上訊息摘要欄與亂數欄以辨識是否為已接收或傳過的資料且能夠重傳封包。
本發明還提供一種協尋定位物體的無線方法，包含多個無線WIFI裝置形成的網狀網路，經由廣播與掃描方式傳送與接收封包且對封包中選擇資料加上訊息摘要欄與亂數欄以辨識是否為已接收或傳過的資料且能夠重傳封包。
本發明還提供一種協尋定位物體的無線方法，包含一無線網狀網路以廣播與掃描方式傳遞與接收封包，加上訊息摘要欄將封包部分資料計算摘要以辨識是否為已接收或傳過的封包。
進一步地，所述封包中定義亂數欄包含在訊息摘要的計算資料中，當重送相同指令時可讓此亂數不同而視為不同的封包。
進一步地，所述封包中定義可轉傳次數欄若為255就轉傳否則可轉傳次數若為0就不再轉傳否則就將值減1並解析封包後轉傳。
本發明一種協尋定位物體的無線裝置與方法，利用佈置支援網狀網路的無線射頻裝置與現有眾多能接收GPS/AGPS坐標和移動方位訊息如手機等無線射頻裝置一起協尋快速地定位追蹤發出無線射頻訊號的監測物，因手機上具備支援WIFI/Bluetooth/4G等無線射頻元件，不僅能支援多種規範的無線射頻裝置同時具備GPS或AGPS接收器能夠提供本身定位座標透過APP的設計將這些資料在網路傳遞或當閘道器轉傳到其他協定的網路，在手機APP上根據收集到的定位資料可以精準地計算出監測訊號源的定位座標並發布到雲端伺服器， 在擴大監測範圍與提高定位準確度上提供了方便的解決方案。
第一圖：
100~131‧‧‧不同功能的無線射頻裝置分布
20‧‧‧無線射頻訊號範圍
第二圖：
200‧‧‧按鍵
201‧‧‧RF天線收發器
202‧‧‧單晶片無線射頻控制器
203‧‧‧移動方位感測器
204‧‧‧無線射頻模組
第一圖為本發明實施範例示意圖。
第二圖為本發明可使用的無線模組示意圖。
有關本發明為達上述目的、特徵所採用的技術手段及其功效，茲例舉實施例並配合圖式說明如下：第二圖是本發明範例中裝置可能使用的無線射頻模組204由加速度計與電子羅盤構成的移動方位感測器203提供模組在空間的移動方位資料、單晶片SoC無線射頻控制器202、天線收發射器201與一按鍵200組成，單晶片SoC無線射頻控制器202支援網狀網路架構能與附近相同無線射頻協定的裝置通訊。
首先定義本發明使用的應用封包格式與意義，包含應用封包長度欄、表頭欄以確認為此應用的封包、指令欄、原發送節點ID欄、目標節點ID欄，亂數欄，封包摘要欄，目前發送節點ID欄、目前接收節點ID欄、可轉傳次數欄，附加資料欄是根據指令欄的意義須提供的資料，目標節點ID欄是指定由特定節點執行此指令動作，定義一保留的ID例如0表示任意節點，另外封包摘要欄是為讓網路節點辨識是否之前已接收傳送過的封包以避免重複傳送，將原始封包選擇性內容例如在其之前的資料計算數位摘要(digital digest)作為封包的印記，計算數位摘要方法可用CRC/MD5/SHA等編碼 方法，藉由紀錄收發的封包摘要與後續接收的封包比較用以辨識是否是接收傳送過的封包，亂數欄的設計是讓節點裝置能重送相同的指令，讓封包摘要雖然指令相同但因為亂數值不同而不同，此外為避免太多封包轉傳而擁擠，每轉傳一次可轉傳次數欄就減1為0時就不再轉傳，但保留若此欄值為255時則轉傳且不變動此欄的值。無線射頻裝置間通訊可以選擇以原無線傳輸標準定義的通訊方式通訊或是以多數無線傳輸標準都支援的廣播傳送和掃瞄接收方式通訊，根據指令的定義決定是否要轉傳在處理完指令後將準備的封包傳送出去達到多跳(multi-hop)傳送到遠距離的目的，此外為避免指令若只傳送一次其他無線射頻裝置可能掃瞄不到，可定義重複傳送次數和增加掃瞄頻率以增加被接收到的機會。對於定位上的應用定義停止定位指令A0用來停止傳送收集定位指令封包與啟動請求定位指令A1用來開啟傳送收集定位資訊指令A2封包，其附加資料欄包含定位標的物節點的狀態資訊例如移動方位、近距離發布欄和提供3組定位資料每組包含提供資料節點的ID、與標的物節點距離值，接收節點移動方位、接收節點GPS/AGPS座標值，此處距離值是根據RSSI(接收訊號強度指標)、LQI(802.15.4連結品質指標)和SNR(802.11訊燥比)等值判斷查表轉換後得到與標的物的距離，RSSI在無線射頻通訊規範裡都有定義但是LQI就只有某些無線射頻通訊規範裡有定義例如802.15.4而SNR值在WIFI規範有定義，如標的物上的無線射頻裝置上包含有加速計和電子羅盤之類的移動方向感測器也可以傳送移動方位資料讓其他無線裝置可以知道標的物移動的方向，各節點解析收到的定位訊息除提供本身的定位訊息當可轉傳數不為0而轉傳外，在一時間範圍內累積收集三組含GPS/AGPS定位座標數據，由三點定位方法計算出原發送節點的 GPS座標。
在無線射頻裝置上以軟體程式實現上述的網狀網路協議與定義的應用指令，在手機/平板/筆電上就是以應用程式APP實現基於多種無線射頻規範(藍芽、WIFI)的上述網狀網路應用，其他無線射頻勘入式裝置可以韌體開發更新實現，無論經由原無線射頻裝置上的網路規範協定或是以上述定義實現的網狀網路，透過定義應用封包的內容，將多個無線射頻裝置以網狀網路連結在一起以達到定位標的物目的，實際的實施範例以第一圖為例說明，節點100是配戴在小狗頸圈上的無線射頻裝置有移動方位感測資料為網路上的節點且作為定位的標的物，啟動請求定位標的物指令的方式可由A)：標的物無線射頻裝置上的按鍵200啟動或B)：其他無線射頻裝置節點啟動例如由節點130手機輸入傳送啟動請求定位的指令A1封包目標節點ID為節點100的ID與可轉傳欄次數為15次且各節點以檢測摘要欄防止重複轉傳，指令經由間接傳送到節點100，節點100收到確認其中目標接收節點ID欄符合其ID確認請求，確認啟動後在一時間範圍內例如5分鐘週期性地以多跳方式傳送收集定位資訊指令A2封包和自身狀態資訊如移動的方位、近距離發布欄設為15米，目標節點ID欄設為0表示任意接收到的節點都需反應此指令與可轉傳欄次數為18次，依據網路節點接收條件分為1)：直接收到原發送節點100傳送的封包如虛線圓圈20標示的範圍內，將收到訊號的RSSI或是LQI或是SNR查表轉換為與節點100的距離，2)：節點是間接收到收集定位資訊指令A2封包，將收到訊號的RSSI或是LQI或是SNR查表轉換為與傳送節點的距離，其與節點100的距離以累加傳送節點與節電100的距離方式計算距離；任一節點收集封包內提供的定位資訊並根據裝置能提供本身定位資訊 不同例如節點110,111,112,120,121,130是手機裝置能提供自己的GPS/AGPS座標與移動方位資訊，例如節點113,131是手環裝置能提供自己的移動方位資訊，節點114,122是標籤裝置只有距離資訊，依指令意義根據提供所能提供的定位資料選擇未填或能提供距離與GPS/AGPS坐標資料且封包內有一組有資料但沒有GPS/AGPS座標的一組填入，手機裝置若在一時間內有收集三組GPS/AGPS座標值與距離可以由三點定位方法計算出原發送節點的GPS座標或者距離在15米內且有GPSAGPS坐標，可以儲存結果在裝置內和發布到雲端伺服器後轉傳數設為0並標示在電子地圖上，如轉傳數為0則不轉傳否則將值減一後轉傳。若無GPS/AGPS坐標的協助則根據接收原發送者節點100的RSSI/LQI值轉換後的距離變動結合其移動方向資訊判斷是在接近或遠離原發送者節點100。同樣啟動停止收集定位資訊的方法也是類似做法只是指令改為停止傳送收集定位指令A0沒有附加資料，各節點收到後停止收集定位資料，以檢視封包摘要欄決定是否轉傳新的指令，節點100收到要求後或超過5分鐘後停止發送收集定位資訊指令A2。
經由上述的範例說明在無線射頻裝置間以其本身支援的網路規範搭配此定義的應用封包內容或是以本發明實現的網狀網路架構與協定以達到收集各無線射頻裝置上的定位資訊，對於沒有GPS接收器的無線射頻標的物，也可以經由其他無線射頻裝置的GPS定位資訊間接得到標的物的GPS定位座標，不僅因網狀網路能提供較大範圍的覆蓋區域也因為某些裝置同時擁有多種長短廣域的網路通訊能力能將資料上傳雲端伺服器，不僅能夠遠端監控定位結果也能遠端發起協尋定位請求，以較少的資源經由共同協助的方式達到預期的目標。此範例是以協尋定位為目的，相似做法也可 應用在其他方面例如協同監控、協同求救、協同開關無線射頻電子裝置的功能等。
本發明實施例之一種協尋定位物體的無線裝置與方法：所揭示之圖式及方法說明僅為本發明之實施例而已，非為限定本發明實施的唯一實例；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇與原則，所作之其他等效變化或修飾，皆應涵蓋在以下本案之申請專利範圍內。

Claims (10)

  1. 一種協尋定位物體的無線方法，包含：多個可移動的無線射頻裝置其中任一裝置在一時間範圍內經由無線通訊方式收發封包，收集自身與其他裝置的GPS/AGPS座標和與標的物的距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，包含：GPS/AGPS座標和標的物距離是由接收節點發射的RSSI/LQI/SNR值查表計算對應的距離直接或間接累加得到，如收集到三組數據可經由三點定位方式計算出標的物的定位座標或有一組坐標但和標的物距離在一設定值內也表示定位到標的物的坐標。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，包含：無線通訊封包內容包含應用封包長度欄、表頭欄、指令欄、原發送節點ID欄、目標節點ID欄、可轉傳次數欄與附加資料欄可包含接收節點裝置的移動方位、GPS/AGPS座標和與目標節點的距離、目標節點裝置的移動方位資料和近距離發布欄。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，包含：無線通訊方式是以廣播與掃描方式傳遞與接收封包且對封包中選擇資料加上訊息摘要欄與亂數欄以辨識是否為已接收或傳過的資料且能夠重傳封包。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，包含：無線射頻裝置可具有移動方位感測器，在傳送封包中傳送本身移動方位資料。
  6. 一種協尋定位物體的無線方法，包含：多個無線藍芽裝置形成的網狀網路，經由廣播與掃描方式傳送與接 收封包且對封包中選擇資料加上訊息摘要欄與亂數欄以辨識是否為已接收或傳過的資料且能夠重傳封包。
  7. 一種協尋定位物體的無線方法，包含：多個無線WIFI裝置形成的網狀網路，經由廣播與掃描方式傳送與接收封包且對封包中選擇資料加上訊息摘要欄與亂數欄以辨識是否為已接收或傳過的資料且能夠重傳封包。
  8. 一種協尋定位物體的無線方法，包含：一無線網狀網路以廣播與掃描方式傳遞與接收封包，加上訊息摘要欄將封包部分資料計算摘要以辨識是否為已接收或傳過的封包。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，包含：封包中定義亂數欄包含在訊息摘要的計算資料中，當重送相同指令時可讓此亂數不同而視為不同的封包。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，包含：封包中定義可轉傳次數欄若為255就轉傳否則可轉傳次數若為0就不再轉傳否則就將值減1並解析封包後轉傳。
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