TWI399565B - 感壓式定位追蹤系統 - Google Patents

Description

感壓式定位追蹤系統

本發明係有關於一種定位追蹤系統(包含裝置與方法)，尤指一種感壓式定位追蹤系統(包含裝置與方法)。

在高度資訊化的生活中，許多電子設備皆可以與資訊系統相互連結。如何準確地掌握使用者的相關資訊或狀態，並妥善安排呼應使用者需求的資訊與互動式服務便成為現實生活中之重要課題。在所有使用者的相關資訊中，位置可謂最基本且最重要的資訊之一，因為很多的實際應用跟使用者的位置息息相關，如何獲致準確且可靠的位置資訊變成重要的研究挑戰。

在習知的使用者定位與追蹤裝置中，目前之發展主要透過攝影式與可攜式裝置(如無線射頻識別標識-RFID、紅外線、超音波、行動電話或無線訊號發送裝置等)來得知使用者所在之位置。透過攝影裝置可以得知環境中使用者所在之約略位置，然而架設攝影裝置時需預先進行繁瑣之調校作業，若相關人員之經驗或訓練不足，極易使攝影裝置無法發揮最大功效，甚至造成誤判及失效。此外，在光源變化較大或是昏暗的環境中，攝影裝置亦可能產生嚴重誤差，另外，攝影機可以擷取活動的詳細資料，會有直接侵犯隱私的顧慮。

另一方面，若採用可攜式裝置來進行位置追蹤，雖不需太多之預調作業，惟將造成使用者必須攜帶裝置之不便性，且若使用者沒有攜帶裝置，則將完全喪失使用者追蹤之能力。此外，直 接利用無線訊號來定位使用者(如使用訊號強度或傳輸時間等)，雖佈建的成本相對低廉，因其訊號傳輸時極易受到環境變化之影響，例如環境中移動之物體或是室內家具擺設變化都將影響無線訊號傳輸之穩定性與正確性。再者，供應裝置之能量(如電池)可能會隨著使用時間之增長而逐漸衰減，進而影響系統運作之穩定性。

透過無線感壓模組來進行人員定位或追蹤，將可克服前述裝置預先調校、侵犯隱私與攜帶不便等等缺點，目前國內外有關感壓地板之研究，先前多採用荷重元(load cell)搭配有線的且固定式的佈建方式，常不利於佈建後的調整與維護。國外目前雖有無線的壓力地墊來偵測人員的進出，尚未有本發明相關的產品或設備可以直接購置。換言之，目前尚無地板裝置可以提供多重解析度並結合無線感測網路之技術來提供自然、精確且便利的定位與追蹤服務。

職是之故，本案發明人鑑於習知技術之缺失，乃經悉心試驗與研究並一本鍥而不捨之創作精神，終創作出本發明『感壓式定位追蹤系統』，使用感壓定位與無線傳輸，無須使用隨身裝置即可方便地對使用者做出定位。

本發明的特點是利用複數個稱為感壓模組的定位追蹤裝置來偵測使用者的感測資料，並透過通訊裝置傳送至遠端整合平台，其依據感測資料評估使用者之狀態。根據本發明的主要目的，提供一種定位追蹤系統，包括複數感壓模組，每一該感壓模組中 包含：至少一壓力感測單元，用以偵測一壓力源並產生一訊號；一資料處理單元，與該至少一壓力感測單元連接，用以處理該訊號並產生一模組資訊；一儲存單元，與該處理單元連接，用以儲存該模組資訊；一電源管理裝置，用以管理感壓模組所需電力；以及一通訊單元，與該處理單元連接，用以發射該模組資訊或接收資訊。為了整合所有感壓模組，本發明透過一遠端整合平台，用以接收與處理所有感壓模組之模組資訊，或回傳資訊給特定感壓模組。該平台可依據模組資訊來定位與追蹤使用者(包含人或其他可移動物體)，並依據使用者狀態來驅動一服務提供單元。

依據上述構想之感壓模組更可外加一下板，鋪設在地板上，用以承載該感壓模組；以及一上板，可覆蓋在該感壓模組之上，用以保護該感壓模組，並將壓力傳達至該壓力感測單元。

依據上述構想之感壓模組，其中該電源管理裝置是管理一電池或一交/直流電源之供電。

依據上述構想之感壓模組，其中該訊號包含該壓力源之一重量資訊。

依據上述構想之感壓模組，其中該感壓模組資訊包括該至少一壓力感測單元之一感測資訊、一使用者資訊或一辨識碼(ID)。

依據上述構想之感壓模組，其中該處理單元藉由辨識該感壓資訊以確定該壓力源之一位置。

依據上述構想之感壓模組，其中該使用者資訊包括一使用者重量。

依據上述構想之感壓模組，其中該處理單元可藉由比對該 重量資訊與該使用者重量以確定該使用者之一身份。

依據上述構想之感壓模組，其中該通訊單元係選自一無線通訊裝置及一有線通訊裝置其中之一。

依據上述構想之定位追蹤系統，其中該服務提供單元係選自一致動器、顯示器、照明設備或家電設備。

根據本發明的另一主要目的，提供一種定位追蹤方法，其步驟包括佈建複數感壓模組；每個感測模組可感測一壓力源並產生與該壓力源相關之一感壓資訊；比對該一感壓資訊可確定一使用者之身份及區域座標(local coordinates)；以及將該訊號發射至一或複數個遠端整合平台，並由整合平台上所執行之定位追蹤演算法(例如將感壓資訊的直接作位置對應，並透過歷史位置進行使用者追縱；或將各模組之感壓資訊作為習知定位追蹤演算法之輸入)來定位使用者之全域座標或實體位置(global coordinates)並可建立歷史移動路徑。

依據上述構想之定位追蹤方法，其中包括複數感壓模組，每一該感壓模組包含至少一壓力感測單元。

依據上述構想之定位追蹤方法，其中該感壓模組資訊包括該至少一壓力感測單元之一感測資訊、使用者資訊或一辨識碼(ID)。

根據本發明的又一主要目的，提供一種定位追蹤系統，包括複數感壓模組，每一該感壓模組包含一下板，鋪設在地板上，用以承載該感壓模組；每一該感壓模組中包含至少一壓力感測單元，用以偵測一壓力源並產生一訊號；一資料處理單元，與該至少一壓力感測單元連接，用以處理該訊號並產生一模組資訊；一 儲存單元，與該處理單元連接，用以儲存該模組資訊，可提供歷史模組資訊與該模組資訊給該處理單元做處理或比對；以及一通訊單元，與該處理單元連接，用以發射該模組資訊或接收遠端資訊。為了整合所有感壓模組，本發明透過一遠端整合平台，用以接收與處理所有感壓模組之模組資訊，或回傳資訊給特定感壓模組。該平台可依據模組資訊配合習知之定位追蹤演算法來定位與追蹤使用者，並依據使用者狀態來驅動一服務提供單元。

依據上述構想之感壓模組，其中該通訊單元係選自一無線通訊裝置及一有線通訊裝置其中之一。

依據上述構想之感壓模組，其中該電源管理裝置是管理一電池或一交/直流電源之供電。

依據上述構想之感壓模組，其中該訊號包含該壓力源之一重量資訊。

依據上述構想之感壓模組，其中該感壓模組資訊包括該至少一壓力感測單元之一感測資訊、使用者資訊或一辨識碼(ID)。

依據上述構想之感壓模組，其中該處理單元藉由辨識該感壓資訊以確定該壓力源之一位置。

依據上述構想之感壓模組，其中該使用者資訊包括一使用者重量。

依據上述構想之感壓模組，其中該處理單元可藉由比對該重量資訊與該使用者重量以確定該使用者之一身份。

依據上述構想之感壓裝置，其中該通訊單元係選自一無線通訊裝置及一有線通訊裝置其中之一。

依據上述構想之感壓裝置，其中該服務提供單元係選自一 致動器、顯示器、照明設備或家電設備。

本發明將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本創作之實施並非可由下列實例而被限制其實施型態。

請參閱第一圖，其係本發明之使用者定位追蹤系統中的感壓模組結構之示意圖，該感壓模組包括複數個功能單元，各單元功能簡述如下：上板L010：目的為保護本發明裝置而設計，並直接接受使用者(可為人或其他可移動物體)的施力並將壓力傳達至下層的壓力感測單元，同時，上板可兼具本裝置外觀美化之功能。壓力感測單元L020：本單元將上板傳送的壓力加以數據化，該數據會傳送至資料處理單元L040進行處理。壓力感測器之大小、密度與佈建方式可隨實際之需求以及成本考量等進行彈性的搭配。一般而言，感測的範圍與佈建面積成正比，且佈建密度越高，定位使用者的反應時間越短。建議壓力感測器應具備沒外在施壓時為電路開路狀態且隨壓力之增加會降低其阻抗的反應特性，各個壓力感測器採並聯互接後連接到資料處理單元來接收與處理反應數據。通訊單元L030：本階層之通訊單元負責與遠端整合平台建立網路連結(底下實施例採用802.15.4之通訊協定)。本單元配合資料處理單元之事件驅動方式來傳送封包以進一步減低電源消耗與其所佔用之頻寬，如此亦可增加整體佈建的可擴充性(scalability)。資料處理單元L040：本階層之資料處理單元會負責壓力感測單元L020及通訊單元L030所需資訊之處 理等工作，詳細流程將搭配第二圖一併說明。為了進一步節省成本，可以多個壓力感測單元共用資料處理單元以及通訊單元。也就是說，某些感壓模組上只有上板、壓力感測單元以及下板(統稱為感測功能版)，並連線到與位於其他模組上的資料處理單元。另外，為考量成本之節省，部分無線感壓模組可採用空間預留版，即其內部無任何感壓與處理裝置(亦即不部署任何的感測單元L020、通訊單元L030與資料處理單元L040，但保留其對應之佈建空間以利未來替換與擴充之需)，此設計可使該空間預留版之外觀與其他模版相容。下板L050：配合上板將感測、通訊及資料處理等單元安裝其中，上板與下板可視實際狀況採用不同材質的設計。電源管理單元L060：負責管理感壓模組內各個單元之電源供給，其可以是傳統的電池或是固定交/直流電源。外部的遠端整合平台L070主要負責彙整所有佈建的無線感壓模組之資訊，並藉由執行習知的定位追蹤演算法來判讀使用者的位置或歷史路徑以形成一完整定位與追蹤系統。因為地面會佈建複數個感壓模組，每個模版可擁有不同數量的壓力感測器，可選擇之資料處理器或通訊單元，並透過所連結之通訊元件建立連網，此整合平台便是可以統整所有感壓模組之資訊，並可視情況驅動其他的服務提供單元(例如智慧家電等)，或是經由此平台廣播必要的控制訊息至特定的感壓模組。

請參閱第二圖，其係本發明感壓式定位追蹤系統的較佳實施例示意圖。該感壓模組之內部包括一壓力感應器111、112與113，可選擇之資訊處理單元(其包括一訊號收集單元120，一處理單元130，一儲存單元140)以及一通訊單元160。各單元 之資訊處理流程簡述如下：首先，壓力感應器111、112與113等可量測實施於其上之壓力程度或大小，以產生感測資料。訊號收集單元120耦接至所有的感應器，且由其接收感測資料。訊號收集單元120可對感測資料進行電流與電壓變化量進行取樣且作數位化數值轉換(可透過類比/數位轉換通道ADC channel)，並將轉換之後的感測資料傳送至處理單元130進行比對與處理，該單元亦可提供誤差校正與初始之雜訊過濾等作業。以現行微控制器而言，訊號收集單元120、儲存單元140可與處理單元130甚至通訊單元160整合為單一晶片。處理單元130處理後之感測資訊便儲存至儲存單元140中，可依據接收之資訊與儲存單元140中之歷史感測資訊，初步計算使用者之目前狀態，使用者之狀態可以包括其本身的區域位置與移動速度等等。當計算出使用者之目前狀態後，處理單元130亦可將此狀態立即儲存至儲存單元140中供下次估算狀態使用。藉此，處理單元130可以依據使用者之狀態(如使用者是否在特定模版上)決定是否透過通訊單元來傳送(即事件驅動)資訊給遠端整合平台L070，該平台可以估算更進一步執行定位追蹤演算法(例如將感壓資訊的直接作位置對應，並透過歷史位置進行使用者追縱；或將各模組之感壓資訊作為習知定位追蹤演算法之輸入)來估測使用者在所處環境中最有可能的位置或建立歷史移動路徑。並藉此決定是否啟動哪些服務提供單元151、152與153(可以包括致動器、顯示器等裝置，例如多媒體、音響與燈光等設備)。

在一些實施例中，使用者的體重的差異可以被感壓模組分辨出來，因此儲存單元140中可以事先儲存相應不同使用者的相 關體重資訊。所以，處理單元130可以依據接收之感測資料計算使用者的重量，並依據計算出之重量與事先儲存的資料辨識使用者的身分(此任務亦可選擇在遠端整合平台上執行)。如此，遠端整合平台L070在此條件之下可更準確追蹤多人的位置，並可依據使用者的身分、先前所紀錄的喜好以及相應之位置來啟動特定之服務提供單元，以啟動該服務。

請參閱第三圖，其係本發明感壓式定位追蹤系統之多重解析度佈建之實施例示意圖。在本例中，共有三十五塊大小不一的感壓模組，共分成七大塊，從510到570。例如，第一大塊510共有六個感壓模組，上面一排的三塊感壓模組之大小為30x60cm並各採用四個方形之壓力感測器，下面一排的三塊感壓模組之大小為60x60cm並個別採用四個長條形之壓力感測器。此六塊共用一個資料處理、儲存、電源管理與通訊等單元以節省佈建成本(位於下排中央的模組)。換句話說，第一大塊510共有一個全功能版以及五個感測功能版，而第二大塊520也是以相同的方式設計，因此，資料處理單元所支援的ADC通道越多，能共用的感壓模組也相對增加，如此可以進一步節省佈建成本。另外，第三大塊530最上方壓力模組因為確定不會有使用者踩踏，則可採用空間預留版的佈建方式(內部不安裝任何電子設備)以解省成本。第四與第五大塊540、550則都是由六塊60x60cm的感壓模組所構成，個別配置四個長條形之壓力感測器並共用一個資料處理、儲存、電源管理與通訊等單元。第六大塊560則因應所佈建的空間而採用三塊感壓模組之大小為60x60cm配上四個長條形之壓力感測器與一個資料處理、儲存、電源管理與通訊等單元。 值的注意的是第七大塊模版570，共含三塊感壓模組，但最右邊的模組的表面大小雖然也是60x60cm，但其內部採用十六個方形感測器，其內部又區分成四個感測功能子版，並個別透過四個相異的ADC通道連接到共同的資料處理單元，如此，該版的解析度可細緻到15公分(當踩在兩個子版中央時)。因此，本佈建方式所構建的感壓模組的定位解析度範圍為15至60公分不等以符合不同定位準確度之需求。

第一大塊510上的每個感壓模組內的壓力感測器建議採並聯方式連結使其並聯後僅佔用資料處理單元的一個類比/數位轉換通道(ADC)，如此可因應需求彈性增減壓力感測器密度(或模版的大小)卻不用相對增加ADC的通道數。換句話說，一個單獨的通道可以連接不同解析度與不同密度之感壓模組。以上設計概念可以此類推至其他六大塊的感壓模組。

上述實施例中的資料處理單元共有七個，其運作方式建議採事件驅動模式，也就是說，每個資料處理單元只有在偵測到使用者在其感壓範圍內時才會透過通訊單元將使用者資訊傳送出去，藉此傳訊模式可以降低無線通訊的相互干擾，並增加整體佈建數量增加時的整體可擴充性(scalability)。

請參閱第四圖，其係本發明感壓式定位追蹤系統於一室內環境中佈建之實施例示意圖。在本例中，無線感壓模組210採方形矩陣方式佈設於指定環境中，如本圖在客廳地板上共佈建25塊感壓模組。另外，在此環境中，外在的服務提供單元包括電視220與閱讀燈230，個別可提供多媒體影音與照明服務。同時，環境中的家具包括桌子240以及沙發250與260。因此，當系統 觀察一段期間之後，發現使用者在沙發上260喜歡看電視，在沙發250喜歡閱讀書籍。本定位追蹤系統便可根據上述之使用者偏好，在使用者坐在沙發260上時自動提供電視的服務，或是在沙發250上時自動提供閱讀照明的服務。在此實施利中，雖然共有25塊感壓模組，但是其定位解析度不盡相同。本例中客廳中央使用者活動比較頻繁的區域即採用較高解析度之模版270(在此其解析度可達原210模組之四分之一)。此外，某些模組因為被家具掩蓋，故可採用空間預留版280之方式佈建以節省成本。

在一些實施例中，每個感壓模組內之資料處理單元可以於一預設時間點或是無任何壓力感測之時機(如於凌晨兩點或無人在此特定環境中)，可將此時間點接收之感測資料設為環境之淨感測資料。即於此時間點所蒐集之資料，系統可以將其視為環境中無使用者存在，此時之感測資料可對其他時間點之感測資訊進行比對或校正動作，如此可用於作動事件驅動機制，並以此因應後來環境中可能之改變，如家具之移動或家電之增減等狀況。在一些存在多人環境之實施例中，整合平台上的定位與追蹤機制可利用所收集的感壓資訊，直接進行位置對應或是透過習知的定位追蹤演算法(如感壓模組資訊直接與一對應表比對以取得一實體位置)或過濾器(如Kalman Filter及Particle Filter等)配合資料聯結(data association)等機制以便在不確定的環境變因下進行多使用者追蹤，並隨時間連續更新各個使用者之狀態。

此外，本發明之感壓式定位追蹤系統還可以將其應用在防盜的偵測與警示系統中，在特定時間藉由偵測到在儲存資訊中不存在的使用者時，將偵測資料傳送至警報系統，在第一時間內提 供警示及報警處理。

本發明所使用之處理邏輯、演算法，或特定資料型別，可以利用程式碼的型態包含於實體媒體中，如軟碟、光碟片、硬碟、或是任何其他機器可讀取(如電腦可讀取)儲存媒體，其中，當程式碼被機器載入執行時，此機器即變為用以搭配本發明運作之裝置。本發明之運作方法與裝置處理流程亦可以程式碼型態透過不同傳送媒體，如電線或電纜、光纖、無線通訊或是任何傳輸包括網路型態進行傳送。

綜上所述，本發明之設計可以利用不同密度的感壓模組佈建達到多重解析的感測以自然地偵測不同解析度且可靠的定位追蹤資訊，同時其設計的結構更有利於佈建後的升級以及維護工作，更進一步達到比習知技術更佳的應用效能。實屬難能之創新設計，深具產業價值，爰依法提出申請。

本創作得由熟悉技藝之人任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

L010‧‧‧上板

L020‧‧‧壓力感測單元

L030‧‧‧通訊單元

L040‧‧‧資料處理單元

L050‧‧‧下板

L060‧‧‧電源管理單元

L070‧‧‧遠端整合平台

111、112、113‧‧‧壓力感應器

120‧‧‧訊號收集單元

130‧‧‧處理單元

140‧‧‧儲存單元

151、152、153‧‧‧服務提供單元

160‧‧‧通訊單元

210、510~570‧‧‧感壓模組

220‧‧‧電視

230‧‧‧閱讀燈

240‧‧‧桌子

250、260‧‧‧沙發

270‧‧‧較高解析度之感壓模組

280‧‧‧空間預留版

第一圖為本發明之感壓式定位與追蹤系統中的感壓模組結構之示意圖。

第二圖為本發明感壓式定位追蹤系統的較佳實施例示意圖。

第三圖為本發明感壓式定位追蹤系統之多重解析度佈建之實施例示意圖。

第四圖為本發明感壓式定位追蹤系統於一室內環境中佈建 之實施例示意圖。

L020‧‧‧壓力感測單元

L040‧‧‧資料處理單元

L070‧‧‧遠端整合平台

111、112、113‧‧‧壓力感應器

120‧‧‧訊號收集單元

130‧‧‧處理單元

140‧‧‧儲存單元

151、152、153‧‧‧服務提供單元

160‧‧‧通訊單元

Claims (23)

1. 一種感壓模組，包括：至少一壓力感測單元，用以偵測應用於一連續或不連續表面上之壓力源並產生一訊號，該壓力感測單元透過此一訊號即可產生一位置資訊；一資料處理單元，與該至少一組彈性並聯之壓力感測單元連接，用以處理該訊號並產生一模組資訊；一儲存單元，與該資料處理單元連接，用以儲存該模組資訊；以及一通訊單元，與該資料處理單元連接，用以發射該模組資訊或接收一外來資訊。
2. 如申請專利範圍第1項之感壓模組，更包括：一下板，鋪設在地板上，用以承載該感壓模組；一電源管理裝置，用以管理該感壓模組所需電力；以及一上板，覆蓋在該感壓模組之上，用以保護該感壓模組，並將壓力傳達至該壓力感測單元。
3. 如申請專利範圍第2項之感壓模組，其中該電源管理裝置是管理一電池或一交/直流電源之供電。
4. 如申請專利範圍第1項之感壓模組，其中該感壓模組資訊包括該至少一壓力感測單元之一感測資訊、一使用者資訊或一辨識碼(ID)。
5. 如申請專利範圍第4項之感壓模組，其中該訊號包含該壓力源之一重量資訊。
6. 如申請專利範圍第4項之感壓模組，其中該資料處理單元藉由 辨識該感測資訊以確定該壓力源之一位置。
7. 如申請專利範圍第4項之感壓模組，其中該使用者資訊包括一使用者重量。
8. 如申請專利範圍第7項之感壓模組，其中該處理單元藉由比對該重量資訊與該使用者重量以確定該使用者之一身份。
9. 如申請專利範圍第1項之感壓模組，其中該通訊單元係選自一無線通訊裝置及一有線通訊裝置其中之一。
10. 如申請專利範圍第6項之感壓模組，其中該使用者可包含在該模組上移動的人或物體。
11. 一種定位追蹤方法，其步驟包括：提供複數感壓模組；感測應用於一連續或不連續表面之壓力源並產生與該壓力源相關之一訊號；比對該訊號以確定一使用者之一身份及一座標；以及將該訊號發射至一遠端整合平台。
12. 如申請專利範圍第11項之定位追蹤方法，其中每一該感壓模組包含至少一壓力感測單元、一資料處理單元、一儲存單元及一通訊單元。
13. 如申請專利範圍第11項之定位追蹤方法，其中該遠端整合平台依據一模組資訊來定位與追蹤該使用者，並依據該使用者之一狀態來驅動一服務提供單元。
14. 如申請專利範圍第11項之定位追蹤方法，其中該訊號包含該壓力源之一重量資訊。
15. 一種定位追蹤系統，包括： 複數感壓模組，每一該感壓模組包含：一下板，鋪設在地板上，用以承載該感壓模組；至少一壓力感測單元，用以偵測應用於一連續或不連續表面一壓力源並產生一位置訊號，該壓力感測單元透過此一訊號即可產生一位置資訊；一資料處理單元，與至少一組彈性並聯之壓力感測單元連接，用以處理該訊號並產生一模組資訊；一儲存單元，與該資料處理單元連接，用以儲存該模組資訊；一無線通訊單元，與該資料處理單元連接，用以發射該模組資訊或接收一外來資訊；一電源管理裝置，用以管理該感壓模組所需之電力；以及一上板，覆蓋在該感壓模組之上，可保護該感壓模組，並將壓力傳達至該壓力感測單元。
16. 如申請專利範圍第15項之定位追蹤系統，其中該電源管理裝置是管理一電池或一交/直流電源之供電。
17. 如申請專利範圍第15項之定位追蹤系統，其中該模組資訊包括該至少一壓力感測單元之一感測資訊、一使用者資訊或一辨識碼(ID)。
18. 如申請專利範圍第17項之定位追蹤系統，其中該感測資訊包含該壓力源之一重量資訊。
19. 如申請專利範圍第18項之定位追蹤系統，其中該資料處理單元藉由辨識該感測資訊以確定該壓力源之一位置。
20. 如申請專利範圍第17項之定位追蹤系統，其中該使用者資訊 包括一使用者重量。
21. 如申請專利範圍第20項之定位追蹤系統，其中該資料處理單元藉由比對該重量資訊與該使用者重量來確定該使用者之一身份。
22. 如申請專利範圍第15項之定位追蹤系統，更包括一遠端整合平台，依據該模組資訊來定位與追蹤該使用者，並依據該使用者之一狀態來驅動一服務提供單元。
23. 如申請專利範圍第22項之定位追蹤系統，其中該服務提供單元係選自一致動器、一顯示器、一照明設備及一家電設備其中之一。