TWI699130B - 動態式多節點室內定位系統 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種動態式多節點室內定位系統，包含至少一可攜式無線行動節點、複數個動態節點、至少一動態主機以及一雲端資料處理系統。該至少一可攜式無線行動節點與該複數個動態節點位於一建築的內部，且該動態節點依多路徑動態佈置。各動態節點用以即時動態偵測區域內任一可攜式無線行動節點。該動態主機連接於該複數個動態節點彼此連結所形成的無線通訊區域網路與該雲端資料處理系統，並接收網路內的所有動態節點資訊。該雲端資料處理系統用以處理與分析由該動態主機傳輸的所有的的動態節點資訊，並演算該可攜式無線行動節點的動態位置。

Description

動態式多節點室內定位系統

本發明係使用無線通訊技術，發展出一種動態式多節點室內定位系統，尤指一種可同時動態連結與配合多個動態主機與靜態主機使用的動態式多節點室內定位系統。

近年來，由於人們對於公共安全與生命財產的重視，使得現代建築物在設計其管理系統時，會一併考慮建築物或大樓的管理系統要如何能夠即時有效的監控室內任何的設備資訊或將其定位。此外，由於各式無線通訊技術(例如藍芽、ZigBee、Wi-Fi、Ultra-wideband(UWB)、proprietary radio frequency(RF)、long range(LoRa)等等技術)逐漸成熟，使得此類管理系統得以藉由各式無線通訊裝置提供有關於建築物內外的資訊，尤其是定位資訊。

以往的無線定位系統係透過「預先裝設」的「固定式無線節點(即定址器)」偵測被測物後，再透過彼此間連結形成的無線通訊區域網路傳遞資訊。以消防救災為例，使用者僅可透過已預先裝設的定址警報器，知道災害發生在此警報器(如偵煙探測器、熱探測器…等，即本發明所述之節點)附近1~20公尺處。另外，以博物館導覽為例，參觀者可配戴特定的無線設備進行導覽，當參觀者行走至特定區域時，若該特定區域已預先裝設無線發報節點，參觀者即可 開始透過該位置的廣播來撥放導覽說明。於過往的應用情境中，使用者均須預先裝設無線節點，才能做軟體的應用。

然而，該節點通常為單線路設計以及單向連結至該無線系統的其餘節點。以往的無線通訊傳輸方式常常會因為防火門、地下室與跨樓層的阻隔、節點間的距離較遠以及節點與主機的距離較遠等因素而造成傳輸的訊號微弱；又因為訊號僅能單向傳輸，使得節點之間訊號被隔斷的情況更加嚴重。

另一個技術問題：當此區域內之無線通訊區域網路所需傳遞資訊或訊號量突然增加時，網路速度會因為單線路、單方向傳輸而造成傳輸速度大量降低(俗稱網路塞車)。因此，如何讓資料能夠迅速傳輸，同時降低節點之間訊號被隔斷的問題為本發明欲解決的課題之一。

近年來，以類神經網路為架構的無線通訊區域網路逐漸普及，使得各無線節點可以橫向地連結至周邊節點；意即各節點之間能透過新的無線通訊技術連結於任何位於不同樓層或左右方向的節點，甚至跳過斷開的結點來做橫向的無線通訊傳輸。然而，類神經網路式的各種連結方式(如上述的各式無線通訊技術)具有低位置精準度且高耗電/高成本的缺點。因此，如何以低成本、低功耗的技術提高無線通訊區域網路的定位精準度並透過「自主且無指向性的動態連結」各節點而得知各相對位置及該可攜式無線行動節點的動態為本發明欲解決的另一課題。

本發明提供一種動態式多節點室內定位系統，透過至少一動態式的 無線節點、至少一可攜式無線行動節點、至少一動態主機(或閘道器)、以及由該至少一無線節點形成的無線通訊區域網路，經由快速的訊號更新頻率與演算法演算各單元的相對位置，以進行精準的室內定位與訊號傳輸。同時本發明的定位系統可動態連結並配合多個動態主機與靜態主機(或閘道器)，以解決過往的技術問題。在此同時，本發明以動態性增加主機(或閘道器)及傳輸節點的方式來機動性的舒緩無線網路流量不足的問題，讓資料能夠藉由動態增加的主機(或閘道器)並透過行動通訊網路(如電信商的3.5G/4G/5G或以上之行動通訊網路)迅速地連線並將資料傳輸至雲端資料處理系統。這樣的技術突破，是本發明的一項重要應用方式。

本發明揭露一種動態式多節點室內定位系統，包含至少一可攜式無線行動節點、複數個動態節點、至少一動態主機(或閘道器)，以及一雲端資料處理系統。其中該至少一可攜式無線行動節點位於一建築的內部，該複數個動態節點依一路徑或多路徑佈置於該建築的內部並形成一無線通訊區域網路。各動態節點以即時動態的方式偵測區域內該至少一可攜式無線行動節點，以產生一即時動態節點資訊。該至少一動態主機(或閘道器)連接於該複數個動態節點所形成的無線通訊區域網路以接收該無線通訊區域網路內的所有即時動態節點資訊。其中該至少一動態主機(或閘道器)經由行動通訊網路(如電信商的3.5G/4G/5G或以上之行動通訊網路)將各該即時動態節點資訊上傳至該雲端資料處理系統，而該雲端資料處理系統根據各該即時動態節點資訊演算並回饋使用者該至少一可攜式無線行動節點的一動態位置。

根據本發明其中之一實施方式，該複數個動態節點的其中之一可跳過/繞過故障的節點而正常傳輸各即時動態節點資訊至該至少一動態主機(或閘 道器)，以演算各節點的相對位置，並動態的建構新的無線通訊區域網路。同時該複數個動態節點彼此以藍芽、ZigBee、Wifi、Ultra-wideband(UWB),proprietary radio frequency(RF)、long range(LoRa)等無線通訊技術傳輸該即時動態節點資訊。

根據本發明其中之一實施方式，該動態式多節點室內定位系統援用前述單一或複合式無線通訊技術做演算法的技術支持，以達到高精準度的室內定位。

根據本發明其中之一實施方式，各該即時動態節點資訊包含各該可攜式無線行動節點所發出的訊號強度或延遲時間或電波波長，且該雲端資料處理系統另根據接收到各該即時動態節點資訊的訊號強度或延遲時間或電波波長，演算各該可攜式無線行動節點的該動態位置。本發明另透過雲端資料處理系統上的演算法，以不同動態節點對同一可攜式無線行動節點做位置的交叉演算，來取得最精準的動態位置，有效解決過去節點位於「同位置但不同樓層」時，定位判斷錯誤的問題；以及場域環境複雜、訊號遮蔽物多、地下室訊號衰減及訊號隔斷嚴重…等問題。

根據本發明其中之一實施方式，該動態式多節點室內定位系統另包含至少一靜態節點連接於該複數個動態節點的至少其中之一。該至少一靜態節點用以即時動態偵測各該可攜式無線行動節點，以產生至少一靜態節點資訊；其中該至少一動態主機(或閘道器)將各該靜態節點資訊透過行動通訊網路上傳至該雲端資料處理系統，而該雲端資料處理系統根據該至少一靜態節點資訊演算各該可攜式無線行動節點的該動態位置。

根據本發明其中之一實施方式，該動態式多節點室內定位系統另包含一靜態主機(或閘道器)連接於該至少一靜態節點及/或該複數個動態節點的至少其中之一。其中該至少一靜態節點另連接於該至少一動態主機(或閘道器)，且該至少一靜態節點資訊另選擇性地經由該至少一靜態主機(或閘道器)或該至少一動態主機(或閘道器)上傳至該雲端資料處理系統。

綜上所述，本發明所述之動態式多節點室內定位系統包含至少一可攜式無線行動節點、複數個動態節點、至少一動態主機(或閘道器)以及一雲端資料處理系統。各該動態節點用以即時動態偵測該至少一可攜式無線行動節點，並將一即時動態節點資訊傳輸至該至少一動態主機(或閘道器)與該雲端資料處理系統，以供該雲端資料處理系統演算該至少一可攜式無線行動節點的一動態位置。該動態式多節點室內定位系統另包含複數個靜態節點以及至少一靜態主機，各該靜態節點同時用以即時動態偵測該至少一可攜式無線行動節點，並將一靜態節點資訊傳輸至該至少一動態主機(或閘道器)及/或該至少一靜態主機與該雲端資料處理系統，以供該雲端資料處理系統演算該至少一可攜式無線行動節點的該動態位置。藉由該複數個動態節點、該至少一靜態節點、該至少一動態主機(或閘道器)以及該靜態主機的搭配，使用者可機動性的分析動態節點與靜態節點資訊，並由該雲端資料處理系統更精準地演算該至少一可攜式無線行動節點的該動態位置。有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

1:動態式多節點室內定位系統

10:可攜式無線行動節點

11a,11b,11c,11d:動態節點

12a,12b,12c:靜態節點

21,22:動態主機(或閘道器)

23:靜態主機

31:雲端資料處理系統

40:建築

第1圖為本發明第一實施例動態式多節點室內定位系統中，各節點連結於至少一動態主機(或閘道器)與一雲端資料處理系統的示意圖。

第2圖為本發明第二實施例動態式多節點室內定位系統中，各節點連結於該至少一動態主機(或閘道器)、至少一靜態主機(或閘道器)以及該雲端資料處理系統的示意圖。

以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。請參閱第1圖與第2圖，第1圖為本發明第一實施例動態式多節點室內定位系統中，各動態節點連結於至少一動態主機(或閘道器)與一雲端資料處理系統的示意圖。第2圖為本發明第二實施例動態式多節點室內定位系統中，各動態節點與各靜態節點連接於該至少一動態主機(或閘道器)、至少一靜態主機(或閘道器)以及該雲端資料處理系統的示意圖。

在本發明第一實施例中，該動態式多節點室內定位系統1包含至少一可攜式無線行動節點(如一可攜式無線行動節點10，於此實施例中可為一手持式無線電子裝置，例如一手機)、複數個動態節點(即第一動態節點11a、第二動態節點11b、第三動態節點11c、第四動態節點11d)、至少一動態主機(或閘道器，於此表示為第一動態主機21、第二動態主機22)，以及一雲端資料處理系統31。於本發明之實施例中，該至少一動態主機亦可為一閘道器，但實施上不在此限。其中該可攜式無線行動節點10位於一建築40的內部，而該複數個動態節點11a、11b、11c、11d依一路徑佈置於該建築40的內部。該路徑以第1圖中指向各動態節點11a、11b、11c、11d的黑色箭頭表示。於此實施例中，該複數個動態個點11a、 11b、11c、11d以一路徑動態佈置於該建築40的內部，然而實施上不在此限。該複數個動態個點11a、11b、11c、11d亦可以多路徑動態佈置於該建築40的內部。各動態節點11a、11b、11c、11d以及該可攜式無線行動節點10可彼此建立連線形成一無線通訊區域網路(如第1圖的虛線所示)並用以即時動態偵測該可攜式無線行動節點10，以產生一即時動態節點資訊。於此實施例中，各動態節點11a、11b、11c、11d可個別產生一即時動態節點資訊。該至少一動態主機(或閘道器)21、22連接於該複數個動態節點11a、11b、11c、11d的至少其中之一，並透過其餘動態節點傳輸並接收各該即時動態節點資訊。該雲端資料處理系統31透過一行動通訊網路(如電信商的3.5G/4G/5G或以上之行動通訊網路，實施上不在此限)連接於該至少一動態主機(或閘道器)21、22，用以處理與分析該無線通訊區域網路的所有該即時動態節點資訊。其中該至少一動態主機(或閘道器)21、22將各該即時動態節點資訊上傳至該雲端資料處理系統31，而該雲端資料處理系統31根據各該即時動態節點資訊演算該可攜式無線行動節點10的一動態位置，或該動態節點11a、11b、11c、11d的該位置。

以第1圖為例，使用者在佈置各動態節點時可由建築40的左側進入該建築40，再沿指向各動態節點11a、11b、11c、11d的黑色箭頭的路徑以任意順序佈置各動態節點11a、11b、11c、11d。於此實施例中，該可攜式無線行動節點10可於使用者佈置各動態節點11a、11b、11c、11d前或後分布於該建築40內。第1圖以該可攜式無線行動節點10分布於建築40內為例，然而實施上不在此限，各動態節點11a、11b、11c、11d與該可攜式無線行動節點10僅需分布於彼此可連接並傳輸資訊範圍內即可。一般來說，各動態節點11a、11b、11c、11d與該可攜式無線行動節點10彼此可以藍芽、ZigBee、Wifi、Ultra-wideband(UWB)、proprietary radio frequency(RF)、long range(LoRa)等任何無線通訊技術傳輸該即時動態節 點資訊，且各動態節點11a、11b、11c、11d之間的間距或該可攜式無線行動節點10與各動態節點11a、11b、11c、11d的間距為0~50公尺，但實施上不在此限。

各動態節點11a、11b、11c、11d與該可攜式無線行動節點10彼此連接後即形成該無線通訊區域網路(如第1圖的虛線構成之無線通訊區域網路所示)，而各即時動態節點資訊可透過該無線通訊區域網路的其餘動態節點傳輸至該至少一動態主機(或閘道器)21、22(如第1圖中指向該動態主機(或閘道器)21、22的黑色虛線箭頭所示)，該至少一動態主機(或閘道器)21、22則將該即時動態節點資訊透過該行動通訊網路上傳至該雲端資料處理系統31(該行動通訊網路如第1圖中黑色鍊線箭頭所示)。其中各該即時動態節點資訊包含該可攜式無線行動節點10與各動態節點11a、11b、11c、11d所發出的訊號強度以及該訊號的延遲時間或電波波長，且該雲端資料處理系統31可透過演算法以不同之動態節點11a、11b、11c、11d，對同一可攜式無線行動節點(如該可攜式無線行動節點10)做位置的交叉演算，來取得最精準的動態位置。當動態節點與可攜式無線行動節點的數量越多，該雲端資料處理系統31所能演算各動態節點與可攜式無線行動節點的相對位置即因為資料量增加而使得相對位置的演算越精準。

此外，當該至少一動態節點11a、11b、11c、11d的其中之一因不明原因故障(如沒電或損壞…等因素)而無法傳輸各即時動態節點資訊時，其餘動態節點可跳過/繞過故障的節點而正常傳輸各即時動態節點資訊至該至少一動態主機(或閘道器)21、22。意即在動態節點最大感測範圍內，其餘動態節點可經由快速的訊號更新頻率與演算法，重新去演算各節點的相對位置，並動態的重新建構新的無線通訊區域網路。該雲端資料處理系統31仍可藉由正常傳輸的各即時動態節點資訊演算其餘未故障動態節點的位置或演算故障節點的位置。於此實施 例中，當無線通訊區域網路的使用人數突然大量增加，導致傳遞資訊或訊號量突然增加時，網路速度不會因為單線路、單方向傳輸而造成傳輸速度大量降低(俗稱網路塞車)。動態主機(或閘道器)以及動態節點的數量亦可隨無線網路流量的需求而臨時增減，以機動性的舒緩無線網路流量不足的問題，讓資料能夠迅速地透過動態增加的主機(或閘道器)以該行動通訊網路迅速上傳至雲端資料處理系統，端視實際需求而定。

請參閱第2圖。本發明的第二實施例與第一實施例最大的不同在於第二實施例另包含至少一靜態節點(如靜態節點12a、12b、12c)與至少一靜態主機(或閘道器，如靜態主機23)。該至少一靜態節點12a、12b、12c與該靜態主機(或閘道器)23可固定設置於建築物內或外。該靜態節點12a、12b、12c以及該靜態主機(或閘道器)23與第1圖所示之該動態節點11a、11b、11c、11d以及該至少一動態主機(或閘道器)21、22最大的不同在於該靜態節點12a、12b、12c與該靜態主機(或閘道器)23無法變更其數量或位置，但其能夠快速的透過上述的無線通訊技術融入該動態式多節點室內定位系統中。其中各該靜態節點資訊所包含之內容與該即時動態節點資訊所包含之內容相同。

如第2圖所示，各靜態節點12a、12b、12c與各動態節點11a、11b以及該可攜式無線行動節點10僅需分布於彼此可連接並傳輸資訊範圍內即可。各靜態節點12a、12b、12c可加入由第2圖所示之該至少一動態節點11a、11b所構成之該無線通訊區域網路(如第2圖的虛線構成之無線通訊區域網路所示，其實質上相同於第一實施例所示之無線通訊區域網路)以使各靜態節點12a、12b、12c藉由該無線通訊區域網路與其餘動態節點11a、11b以及該可攜式無線行動節點10連接。該至少一靜態主機(或閘道器)23亦可連接於該至少一動態主機(或閘道器)21、 22。各靜態節點12a、12b、12c、各動態節點11a、11b與該可攜式無線行動節點10彼此可藉由上述之無線通訊技術傳輸該即時動態節點資訊或該靜態節點資訊。而各靜態節點所包含之靜態節點資訊可透過該無線通訊區域網路的其餘靜態節點及/或動態節點傳輸至該至少一動態主機(或閘道器)21、22及/或該靜態主機(或閘道器)23(如第2圖中指向該動態主機(或閘道器)21、22與指向該靜態主機(或閘道器)23的黑色虛線箭頭所示)，該至少一動態主機(或閘道器)21、22或該靜態主機23則將該靜態節點資訊上傳至該雲端資料處理系統31(如第2圖中黑色鍊線箭頭所示)，並由該雲端資料處理系統31演算該靜態節點12a、12b、12c或該動態節點11a、11b或該可攜式無線行動節點10的動態位置。當靜態節點與動態節點以及可攜式無線行動節點的數量越多，該雲端資料處理系統31所能演算各動態節點、靜態節點與可攜式無線行動節點的相對位置即越精準。

綜上所述，本發明所述之動態式多節點室內定位系統可藉由使用者所佈置的複數個動態節點與至少一動態主機(或閘道器)以及該雲端資料處理系統演算該可攜式無線行動節點的動態位置。同時使用者可藉由各動態節點與該可攜式無線行動節點形成的無線通訊區域網路更精準地得知各動態節點與該可攜式無線行動節點的動態位置。該動態式多節點室內定位系統亦可連結周圍已預先裝設、無法變更數量或位置的靜態節點(如靜態節點12a、12b、12c)與靜態主機(或閘道器，於此表示為靜態主機23)，以增加該動態式多節點室內定位系統能夠處理的資料量，並精準的演算該未知可攜式無線行動節點的位置，使得該動態式多節點室內定位系統於應用上更多元化與更具機動性。也就是說，透過動態節點、靜態節點、可攜式無線行動節點、動態主機(或閘道器)、靜態主機(或閘道器)的組合，與快速的訊號傳輸速度以及更新頻率，本發明可以利用演算法演算各單元的相對位置與傳輸訊號，並進行精準的室內定位。此外，該動態式 多節點室內定位系統若有任一動態或靜態節點因不可控之因素(如沒電、損壞…等)由該無線通訊區域網路斷開，則其餘功能正常之動態或靜態節點，在其最大感應範圍內，可經由快速的訊號更新頻率與演算法重新演算各動態或靜態節點的相對位置，並動態的重新建構新的無線通訊區域網路，同時透過該至少一動態主機或靜態主機(或閘道器)將該位置資訊上傳至該雲端資料處理系統，讓整個動態式多節點室內定位系統不致於因為某個節點的斷開而崩潰，同時解決過去無線節點位於同位置但分別位於上下樓層所造成訊號錯亂與定位判斷錯誤的問題，以及因場域環境複雜、訊號遮蔽物多、地下室訊號衰減…等等因素所造成的訊號問題。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

1:動態式多節點室內定位系統

10:可攜式無線行動節點

11a,11b,11c,11d:動態節點

21,22:動態主機(或閘道器)

31:雲端資料處理系統

40:建築

Claims (7)

1. 一種動態式多節點室內定位系統，包含：至少一可攜式無線行動節點，位於一建築的內部；複數個動態節點，該複數個動態節點間彼此連線且依一路徑或多路徑動態佈置於該建築的內部，各動態節點以即時動態的方式偵測該至少一可攜式無線行動節點，以產生一即時動態節點資訊；至少一動態主機，連接於該複數個動態節點的至少其中之一，該至少一動態主機用以接收各該即時動態節點資訊；以及一雲端資料處理系統，連接於該至少一動態主機，用以處理與分析該即時動態節點資訊；其中該至少一動態主機將各該即時動態節點資訊上傳至該雲端資料處理系統，該雲端資料處理系統根據各該即時動態節點資訊演算該至少一可攜式無線行動節點的一動態位置。
2. 如請求項1所述之動態式多節點室內定位系統，其中該複數個動態節點的其中之一動態節點可跳過/繞過故障的節點而正常傳輸各即時動態節點資訊至該至少一動態主機。
3. 如請求項1所述之動態式多節點室內定位系統，其中該複數個動態節點彼此以藍芽、ZigBee、Wifi、Ultra-wideband(UWB)、proprietary radio frequency(RF)、long range(LoRa)等單一或複合式無線通訊技術傳輸該即時動態節點資訊。
4. 如請求項1所述之動態式多節點室內定位系統，其中各該即時動態節 點資訊包含該至少一可攜式無線行動節點所發出的訊號強度或延遲時間或電波波長。
5. 如請求項1所述之動態式多節點室內定位系統，另包含：至少一靜態節點，連接於該複數個動態節點的至少其中之一，該至少一靜態節點用以即時動態偵測該至少一可攜式無線行動節點，以產生至少一靜態節點資訊；其中該至少一動態主機將各該靜態節點資訊上傳至該雲端資料處理系統，該雲端資料處理系統根據該至少一靜態節點資訊演算該至少一可攜式無線行動節點的該動態位置。
6. 如請求項5所述之動態式多節點室內定位系統，另包含：一靜態主機，連接於該至少一靜態節點及/或該複數個動態節點的至少其中之一，該靜態主機用以將該至少一靜態節點資訊上傳至該雲端資料處理系統。
7. 如請求項5或6所述之動態式多節點室內定位系統，其中該至少一靜態節點另連接於該至少一動態主機，該至少一靜態節點資訊另選擇性地經由該至少一動態主機上傳至該雲端資料處理系統。

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