用於確定無線系統中的節點的範圍信息的方法和裝置的製作方法

2023-05-01 06:28:06 3

專利名稱：用於確定無線系統中的節點的範圍信息的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及定位通信系統中的節點，並且具體地涉及用於確定無線通信系統內的節點的範圍信息和定位的方法和裝置。
背景技術：
已經提出了要求使無線傳感器網絡(WSN)確定無線通信系統內的節點的定位的能力的各種系統。例如，在資產控制(asset control)中，期望知道例如辦公樓、製造現場或其他普通或專用空間的邊界內的對象(例如，膝上型計算機、蜂窩電話、具有內置傳感器節點的貨櫃、具有附屬或內置傳感器節點的共享醫院設備等)的定位。不幸的是，用於無線傳感器網絡的很多定位應用的特徵在於其嚴格的資源約束(例如，能量、帶寬、處理功率以及存儲器)，這對定位性能具有相當大的影響。例如，很多WSN應用都要求非常長的壽命， 以避免頻繁的重新充電或電池更換。在設計有效定位技術的困難在於，管理在資源使用和定位性能之間的折衷。最小化資源消耗導致定位準確度的降低，而增加資源消耗導致更準確的定位估計。因此，需要用於確定無線通信系統內的節點的範圍和定位的方法和裝置，該方法和裝置平衡了資源約束與定位準確度。


圖1圖示了在確定多個無線設備的相互定位時所涉及的多個無線設備所位於的辦公樓的典型的樓層平面圖。圖2示出了用於資產標籤讀取器的用戶界面。圖3是資產標籤讀取器的框圖。圖4是示出圖3的讀取器的操作的流程圖。圖5是具有偶極天線的讀取器和標籤的示圖。圖6是最小檢測功率相對於方位角的繪圖。圖7是示出在功率的改變和方位角的改變之間的關係的圖表。圖8是包括方向反饋的最小檢測功率相對方位角的繪圖。圖9是示出真極小值和假極小值的最小檢測功率相對於時間的繪圖。圖10是示出針對不同旋轉速率的在功率的改變和方位角的改變之間的關係的一對圖表。圖11是具有交叉偶極天線的讀取器和標籤的示圖。圖12是示出相位超前特性的對於交叉偶極天線的最小檢測功率相對於時間的曲線的繪圖。圖13是示出相位滯後特性的對於交叉偶極天線的最小檢測功率曲線相對於時間的繪圖。圖14是用於確定旋轉方向的正交編碼方法的狀態改變示圖。圖15是示出旋轉方向的改變的效果的對於交叉偶極天線的最小檢測功率曲線的相對於時間的繪圖。圖16是對於固定頻率和固定距離的檢測率相對於傳輸功率的繪圖。本領域技術人員應當認識到，附圖中的元素出於簡單和清楚的目的進行圖示，並且不必按比例繪製。例如，附圖中的一些元素的尺寸和/或相對定位可以相對於其他元素被放大，以有助於促進對本發明的各種實施例的理解。而且，為了促進本發明的這些各種實施例的不太模糊的查看，在商業上可行的實施例中有用或者必須的常見而公知的元素通常不進行描繪。應當進一步理解，特定動作和/或步驟可以以具體的發生順序來進行描述和描繪，而本領域技術人員應當理解，實際上不需要這樣的對於順序的規定。本領域技術人員應當進一步認識到，對諸如「電路」的特定實現實施例的參考可以等同地經由用通用計算裝置(例如，CPU)或專用處理裝置(例如，DSP)上的軟體指令執行代替來實現。還應當理解， 除了在此以其他方式闡述的不同的特定意義之外，在此使用的術語和表達具有由如上闡述的本技術領域的普通技術人員給予這樣的術語和表達的普通的技術意義和表達。
具體實施例方式為了解決上述需要，在此提供了一種用於能量有效地確定無線通信系統內的範圍的方法和裝置。然後，該範圍信息可以用於定位節點。在操作期間，使得能夠檢測標籤的源收發器(例如，RFDI讀取器)的最小傳輸功率將用於指示距離。由於可變標籤定向、不同環境配置(障礙物、反射體等)、多徑效應以及標籤所附連到的材料的不同吸收特性而導致最小檢測功率與絕對距離的準確相關是不可能的。由此，發射功率的改變將用於指示到特定節點的距離的相對改變。讀取器將被配置為一直以將導致目標收發器(例如，RFID資產標籤)的特定百分比(例如，50%)的檢測率的傳輸功率進行操作。產生該期望檢測率的傳輸功率被定義為最小檢測功率。當讀取器移動得更接近標籤時，最小檢測功率將減小；當讀取器移動得更遠離標籤時，最小檢測功率將增加。顯示該信息以給出在RFID讀取器和資產標籤之間的範圍信息的一般改變(例如，增加的範圍或減小的範圍)。個人能夠通過使用所顯示的信息容易地定位資產標籤。因為與RSSI相比最小讀取器傳輸功率對環境的改變不太敏感，所以使用檢測目標標籤所需要的最小讀取器傳輸功率是比RSSI更好的距離指示。最終，上述技術還具有確保讀取器一直以檢測目標標籤所需要的最小傳輸功率進行操作的附加益處，這應當有助於保持電池壽命的現有功率管理努力。本發明包括一種用於確定通信系統內的定位信息的方法。該方法包括下述步驟 向通信系統內的節點發射多個詢問；監聽來自節點的響應；以及確定檢測率。檢測率基於從節點收到的響應的數目和發射到節點的詢問的數目。確定保持期望檢測率所需要的發射功率，並且調節發射功率以保持期望檢測率。最後，顯示與發射功率相關的信息。本發明另外包括一種用於確定通信系統內的定位信息的裝置。該裝置包括發射器，該發射器向通信系統內的節點發射多個詢問；接收器，該接收器監聽來自節點的響應； 邏輯電路，該邏輯電路基於從節點收到的響應的數目和發射到節點的詢問的數目來確定檢測率，邏輯電路另外確定保持期望檢測率所需要的發射功率，並且調節發射功率以保持期望檢測率。該裝置另外包括顯示器，該顯示器顯示與發射功率相關的信息。現在轉到附圖，其中相同的附圖標記指示相同的組件，圖1是在辦公樓的內部的樓層平面圖上布置的通信系統100的框圖。通信系統100包括在確定特定節點的定位中涉及的無線設備104-105。辦公樓包括包圍多個辦公室103(僅一個被標記)的圍牆102。圓形對象104表示可以如下所述定位的節點或者無線收發器。由於要確定節點 104的定位，所以這些節點104被稱為「蒙眼(blindfolded)」節點或簡稱為「盲」節點。盲節點104可以包括，例如，附連到諸如膝上型計算機的貴重資產的收發器安全標籤、射頻識別(RFID)標籤，或者被嵌入在包括蜂窩電話的無線通信設備中。矩形對象105表示用於定位節點104的無線收發器(優選地是手持式)。在本發明的優選實施例中，收發器105包括資產標籤讀取器，諸如由摩託羅拉公司製造的手持式移動計算機資產標籤讀取器。另外，盲節點104優選地包括RFID資產標籤， 諸如由Avery Dennison製造的AD-222資產標籤。應該注意，雖然圖1示出了在二維空間內存在的節點104-105，但是本領域技術人員應當認識到，節點104-105可以位於包括三位空間的其他環境中。例如，節點104可以包括位於裝配線上的裝配有無線收發器的製造品。以類似方式，節點104可以包括位於多層倉庫內的存貨。不論節點104進行操作的環境如何，單個資產標籤讀取器105用於輔助對節點104的定位。更具體地，應當認識到，基於對於節點104的最小檢測功率的改變，即，保持特定節點的特定百分比檢測率所需要的讀取器的發射功率的改變，讀取器105將確定特定節點是正在接近讀取器105還是從讀取器105撤回。確定範圍信息在讀取器105和資產標籤104之間的通信被設計為使得資產標籤在被輪詢時對讀取器105作出響應。更具體地，讀取器105將發送出用於與特定資產標籤進行通信的無線請求(稱為詢問)。該請求以特定功率水平進行發射，並且包括用於被輪詢的資產標籤的標識信息。當資產標籤接收無線請求時，該資產標籤用指示接收到請求的消息(稱為響應) 來進行響應。在操作期間，讀取器105以使得請求的特定百分比(例如，50% )將不造成被讀取器105檢測到的響應的功率水平來進行操作。(應當注意，沒有響應可能是由於被輪詢的資產標籤沒有接收該請求並且從而不進行響應，或者可能是由於來自資產標籤的響應被錯誤地接收)。實際檢測(響應)的數目除以嘗試(輪詢)的數目將得到測量的檢測率。讀取器 105將基於測量的檢測率與期望檢測率(例如，50%)的偏差來調節傳輸功率。這可以通過使用比例控制器來實現，該比例控制器以一增益來調整期望檢測率和所測量的檢測率之間的偏差，以產生傳輸功率的遞增改變。應當注意，讀取器105可以過濾發射功率的大的變化。執行過濾以平滑化發射功率隨著時間的大的變化。在讀取器初始地集中於最小檢測功率時，由於移動的讀取器和/或標籤，或者如果控制器增益過大，發射功率可能發生跳變。 在讀取器105操作期間，提供用戶界面以指示保持期望檢測率所需要的功率水平的任何改變。例如，如果期望檢測率所需要的功率水平增加，則可以推斷讀取器從所輪詢的資產標籤撤回。替代地，如果期望檢測率所需要的功率水平減小，則可以推斷出讀取器正接近所輪詢的資產標籤。使用範圍信息來定位節點圖2圖示了設計為向用戶提供與用戶正在接近輪詢的資產標籤還是從輪詢的資產標籤撤回相關的信息的包括屏幕201和屏幕202的簡單用戶界面。屏幕201示出了讀取器初始地確定哪些標籤203在範圍內並且使得用戶能夠選擇用於測距(range-finding)的一個。屏幕202示出了可視範圍指示204:條形圖越高，離標籤就越近。條形圖的高度與發射功率逆向相關；當發射功率為最小值時，條形圖處於其最高處；當發射功率最大時，條形圖處於其最低處。還可以存在與可視範圍指示相關聯的可聽指示(例如，蜂鳴聲)，類似於蓋革計數器，其中，隨著距離減小，蜂鳴聲速率增加。在操作期間，用戶使用屏幕201來選擇用於測距的特定標籤203。然後，用戶在環境中移動的同時視覺地觀測屏幕202(並且監聽可聽輸出)。用戶的移動影響可視和可聽指示符；如果用戶正接近標籤，則可視指示符條形圖將增長並且蜂鳴聲速率將增加，向用戶提供他正在朝標籤移動的反饋。圖3是資產標籤讀取器105的框圖。在本發明的優選實施例中，讀取器105包括由摩託羅拉公司製造的MC9090-G手持式移動計算機資產標籤讀取器。如示，讀取器105包括耦合到發射器304和接收器305的邏輯電路302。發射器304和接收器305進而連接到天線303。邏輯電路302優選地包括微處理器控制器，諸如但不限於Intel XScaleTMBulverde PXA270微處理器。在本發明的優選實施例中，邏輯電路302用作用於確定保持對於資產標籤的期望檢測率所必須的功率水平並且在用戶界面202上顯示範圍估計的裝置。為了利用公知通信協議(諸如用於在860MHz-960MHz處的通信的EPC 射頻識別協議類-1第二代UHF RFID協議，版本1. 0. 9)來進行通信，接收和發射電路是本領域中公知的常見電路。接收和發射電路用作用於發射和接收消息的裝置。例如，發射器304使用天線303和空中通信信號309來將通信請求消息發射到資產標籤104，而接收器305經由空中通信信號309接收對這些請求的響應。在操作期間，邏輯電路302接收來自用戶界面201的指令，以定位特定資產標籤 104。作為響應，邏輯電路302指示發射器304向特定資產標籤周期性地發射詢問(例如， 每25毫秒一個詢問)。另外，邏輯電路302指示接收器305監聽來自特定資產標籤的響應。如果收到對於特定詢問的響應，則邏輯電路302推斷出檢測到資產標籤。然而，如果接收器305沒有接收到響應，則邏輯電路302推斷出沒有檢測到資產標籤。邏輯電路302根據所發出的詢問的數目和特定資產標籤的檢測的數目來確定a%的檢測率，並且調節發射器304的功率水平以保持期望檢測率。例如，假設期望檢測率為50%，如果檢測率被確定為 50%，則將減小發射器304的發射功率。範圍估計始終將被輸出到用戶界面202以進行顯示。然後，設備 105的用戶能夠簡單地通過在功率不斷減小的方向上移動來定位特定資產標籤。圖4是圖3的讀取器的操作的流程圖。邏輯流程開始於步驟401，其中邏輯電路 302接收來自用戶界面201的指令，以定位特定節點(例如，資產標籤104)。作為響應，邏輯電路302指示發射器304向特定資產標籤周期性地發射多個詢問(例如，每25毫秒一個詢問)(步驟40；3)。另外，邏輯電路302指示接收器305監聽來自特定資產標籤(節點)的響應(步驟405)。如上所述，作為收到由發射器發射的多個詢問中的一個的結果，通信系統內的資產標籤發射響應。在步驟407處，邏輯電路302確定對於特定資產標籤的檢測的比率。檢測的比率 (檢測率)基於從節點收到的響應的數目和發射到節點的詢問的數目。在優選實施例中， 檢測率包括所收到的響應的數目除以所發送的輪詢的數目。如果收到對於特定詢問的響應，則邏輯電路302推斷出詢問由特定資產標籤成功接收。然而，如果接收器305沒有接收到響應，則邏輯電路302推測出特定資產標籤沒有接收到詢問。接下來，在步驟409處，邏輯電路302確定保持期望檢測率(例如，50% )所需要的發射功率，並且將調節發射器304的功率水平以保持對於特定資產標籤的期望檢測率。 例如，假設期望檢測率為50%，如果檢測率被確定為 50%，則將減小發射器304的發射功率。最終，在步驟 411處，邏輯電路302將功率/範圍信息輸出到用戶界面202以進行顯示。如上所述，顯示與發射功率相關的信息的步驟包括下述步驟顯示條形圖，其中條形圖的高度指示發射功率的。另外，發射功率的可聽指示可以由操作揚聲器的邏輯電路來輸出。然後，因為移動將影響所顯示的信息，所以設備105的用戶能夠簡單地通過在功率不斷減小的方向上移動來定位特定資產標籤。所顯示的條形圖增長或收縮，以向用戶提供用戶正在朝向或遠離節點移動的反饋。向用戶提供角信息以上論述描述了最小檢測功率如何隨著讀取器和標籤之間的徑向距離的改變而改變。下文描述了補充性效果對於固定距離，最小檢測功率如何隨著方位角而改變。該信息可以由邏輯電路302利用，以輸出對期望的標籤的角信息。這在圖2中被示為顯示器 205。顯然，顯示器205包括箭頭206，該箭頭206將發光以提供對特定標籤的方位方向。這樣，邏輯電路302將考慮由於天線增益在90°和270°處最大所以最小檢測功率在90°和270°處最低(參見圖5)的事實。由於天線增益在0°和180°處最小，所以最小檢測功率在0°和180°處最高。應該注意不要混淆檢測率和最小檢測功率。讀取器一直嘗試以預定義的檢測率 (例如，50% )進行操作，而當這樣做時，功率能夠並且將隨著讀取器和/標籤移動而改變。 為了避免混淆，最小檢測功率(MDP)是對於給定距離和定向讀取器一直嘗試以其進行操作以獲得期望檢測率的功率水平。如果固定距離而改變定向，則MDP本身將改變(始終保持 50%的檢測率)。傾向於以下論述解決的跨過方位角的MDP。當通過不同的方位角掃視時， 尋找最小MDP(即，對於方位角的範圍的最小檢測功率的最小值)，這是因為最小MDP對應於與標籤在一條線上的讀取器(直接指向其，或者180°相反)。不論指向的方向和當前最小檢測功率如何，讀取器將處於50%檢測率。應當注意，讀取器的定向影響到標籤的視線方向，這進而確定有效天線增益(或衰減)，並且因此確定最小檢測功率。圖5限定了包括RFID讀取器和RFID標籤的相對位置和定向以及坐標框架的工作空間配置。假設天線(ANT)是簡單的偶極，在附圖中，在χ-y平面中的天線圖案的橫截面疊加在天線上。通過觀察，可以看到，當讀取器直接指向標籤(θ = 90° )時，最大增益(或最小衰減)將發生。這與針對讀取器和標籤之間的給定距離的所有方向角上的最低的最小檢測功率相對應。通過對稱性，最小檢測功率中的類似最小值將發生在θ = 270°處。最小增益(或最大衰減)將發生在θ =0°和θ = 180°處。因此，對於在讀取器和標籤之間的給定距離，這些角度與在所有方位角上的最大的最小檢測功率相對應。圖6示出了最小檢測功率如何隨著方位角而改變。根據圖6，清楚的是，在通過水平(x-y)面中的角的範圍中使讀取器掃視的同時，通過尋找最小檢測功率曲線中的最小值可以找到對標籤的方位方向，即，
權利要求
1.一種用於確定通信系統內的定位信息的方法，所述方法包括下述步驟 通過發射器向所述通信系統內的節點發射多個詢問；監聽來自所述節點的響應；確定檢測率，其中，所述檢測率基於從所述節點收到的響應的數目和發射到所述節點的詢問的數目；確定保持期望檢測率所需要的發射功率； 調節所述發射功率以保持所述期望檢測率；以及顯示與所述發射功率相關的信息。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述檢測率包括從所述節點收到的所述響應的數目除以發射到所述節點的所述詢問的數目。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述期望檢測率包括50%的檢測率。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述節點包括資產標籤。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述發射器包括RFID讀取器。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，調節所述發射功率的步驟包括利用多個不同增益值中的一個來調節所述發射功率的步驟。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，顯示與所述發射功率相關的信息的步驟包括下述步驟顯示條形圖，其中該條形圖的高度指示所述發射功率。
8.根據權利要求1所述的方法，進一步包括下述步驟 輸出所述發射功率的可聽指示。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，作為收到由所述發射器所發射的所述多個詢問中的一個的結果，所述通信系統內的所述節點發射響應。
10.根據權利要求1所述的方法，進一步包括下述步驟 移動所述發射器，其中，移動將影響所顯示的信息。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，顯示與所述發射功率相關的信息的步驟包括下述步驟顯示條形圖，其中所述條形圖的高度指示所述發射功率；並且所述條形圖將增長或收縮以向用戶提供用戶朝向或遠離所述節點移動的反饋。
12.根據權利要求1所述的方法，進一步包括下述步驟 確定方位角。
13.根據權利要求12所述的方法，進一步包括下述步驟 向接收器輸出角信息。
14.一種用於確定通信系統內的定位信息的裝置，所述裝置包括 發射器，所述發射器向所述通信系統內的節點發射多個詢問； 接收器，所述接收器監聽來自所述節點的響應；邏輯電路，所述邏輯電路確定檢測率，其中，所述檢測率基於從所述節點收到的響應的數目和發射到所述節點的詢問的數目，所述邏輯電路另外確定保持期望檢測率所需的發射功率，並且調節所述發射功率以保持所述期望檢測率；以及顯示器，所述顯示器顯示與所述發射功率相關的信息。
15.根據權利要求14所述的裝置，其中，所述檢測率包括從所述節點收到的響應的數目除以發射到所述節點的詢問的數目。
16.根據權利要求14所述的裝置，其中，所述期望檢測率包括50%的檢測率。
17.根據權利要求14所述的裝置，其中，所述節點包括資產標籤。
18.根據權利要求14所述的裝置，其中，所述發射器包括RFID讀取器。
19.根據權利要求14所述的裝置，其中，調節所述發射功率的步驟包括下述步驟利用多個不同增益值中的一個來調節所述發射功率。
20.根據權利要求14所述的裝置，其中，顯示與所述發射功率相關的信息的步驟包括下述步驟顯示條形圖，其中所述條形圖的高度指示所述發射功率。
全文摘要
在此提供了一種用於確定無線通信系統內的範圍的方法和裝置。然後，該範圍信息可以用於定位節點(例如，資產標籤)。在操作期間，使得標籤能夠被檢測的源收發器(例如，RFID讀取器)的最小傳輸功率將被用於指示距離。發射功率的改變將用於指示到特定節點的距離的相對改變。讀取器被配置成一直以將導致用於目標收發器(例如，RFID資產標籤)的特定百分比(例如，50％)檢測率的傳輸功率進行操作。當讀取器更接近標籤移動時，最小檢測功率將減小；當其遠離標籤移動時，最小檢測功率將增加。顯示該信息以給出在RFID讀取器和資產標籤之間的範圍信息的一般改變(例如，增加的範圍或減小的範圍)。個人能夠通過使用所顯示的信息來容易地定位資產標籤。
文檔編號H04B17/00GK102577189SQ201080045833
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月23日 優先權日2009年10月12日
發明者斯威·M·莫克, 班傑明·J·別克裡茨基, 朱利葉斯·S·吉奧菲, 湯姆·馬修, 蒂莫西·J·科林斯 申請人:摩託羅拉解決方案公司