專利名稱：徑向形狀的無線養(yǎng)狗柵欄系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及動物圈養(yǎng)領域，尤其涉及一種界定圍繞用戶指定區(qū)域的無線養(yǎng)狗柵欄，以及采用此柵欄在用戶指定區(qū)域內(nèi)圈養(yǎng)一只或者多只狗的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
在規(guī)定區(qū)域內(nèi)圈養(yǎng)一只或者多只狗已經(jīng)通過很多方法實現(xiàn)，最傳統(tǒng)的方法是，將柵欄圍欄建造得足夠高，以防止狗翻越圍欄而逃出。由于很多人認為高出地面的柵欄不美觀或者說不理想，“隱形”柵欄產(chǎn)品被研發(fā)出來，其依賴于將電線埋入地下而界定了狗的期望柵欄邊界。當狗接近邊界一定程度時，電線將傳輸一個信號來激活狗身上佩戴的特別設計的項圈。一旦項圈被激活，便可以對狗發(fā)出聲音警告和/或電擊，從而確保狗不會離開柵欄內(nèi)的區(qū)域。安裝埋入電線系統(tǒng)非常耗費人力。另外，由于電線可能被無意地切斷或者其它損壞，比如在維護草坪等時開挖或者耕種，當想找出電線損壞的位置或者排除其他問題時這樣的埋入電線柵欄系統(tǒng)往往也十分耗費人力。最近，無線柵欄產(chǎn)品被研發(fā)出來，其發(fā)射一個低頻信號以充滿一個球狀體積，該球狀體積轉化為地平面上的大致圓形區(qū)域。圓形區(qū)域的半徑可以由用戶設定，根據(jù)PetMft 生產(chǎn)的一種此類產(chǎn)品，通常在約5英尺至約90英尺范圍內(nèi)徑向延伸。佩戴特別設計的項圈的狗位于信號覆蓋區(qū)域以內(nèi)時，項圈接收信號并且不采取動作。然而，當狗漫游至信號區(qū)域以外時，項圈將發(fā)出一個糾正信號。由Perimeter Technologies公司推向市場的另一種無線系統(tǒng)，不是采用創(chuàng)建信號覆蓋區(qū)域，而是采用一種測量項圈和基站單元之間距離的技術來決定狗距離基站單元的范圍。然而，家居環(huán)境內(nèi)通常發(fā)現(xiàn)的一些物體創(chuàng)建的干擾可以導致項圈和基站彼此失去通信， 從而導致衰減或者反射而形成的人為高范圍值，和/或不適時地向狗發(fā)出了糾正，例如，當動物還處于預定的圈養(yǎng)半徑內(nèi)時發(fā)出糾正。基于此，存在著這樣的需求，也就是，改進無線柵欄系統(tǒng)使之便于用戶設置和使用，并克服現(xiàn)有技術中系統(tǒng)所存在的問題。

發(fā)明內(nèi)容
如前所述，本發(fā)明的一個目的是解決這樣的問題，S卩，把狗圈養(yǎng)在無線柵欄邊界內(nèi)，并且不會向動物發(fā)出不希望的糾正命令。本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有雙天線基站單元和雙天線項圈的無線柵欄系統(tǒng)，從而提高成功接收的信號傳輸相對于遺失信號的比率。本發(fā)明的再一個目的在于提供一種根據(jù)前述目的的無線柵欄系統(tǒng)，其中，反復獲得基站單元和項圈之間的距離值，經(jīng)加權平均并濾波以剔除掉那些可能錯誤的距離值，從
6而更加精確地追蹤狗距離基站單元的范圍。本發(fā)明的更進一步目的在于提供一種根據(jù)前述目的的無線柵欄系統(tǒng)，其中 NAN0L0C 芯片組與電源放大電路配合提供了更強的信號強度，從而提升了在柵欄邊界范圍內(nèi)追蹤狗的可靠性。本發(fā)明的更進一步目的在于提供一種根據(jù)前述目的的無線柵欄系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的追蹤過程包括一個常規(guī)電池節(jié)約模式和一個加速模式，在加速模式期間，響應于狗接近柵欄邊界，，距離值采樣速率提升。本發(fā)明還有一個目的在于提供一種無線的寵物圈養(yǎng)產(chǎn)品，用戶操作友好可靠，并且高效地追蹤基站單元和狗之間的距離，從而降低向狗發(fā)出的不適時糾正的次數(shù)?；谏鲜龌蛘咂渌哪康?，本發(fā)明提出一種徑向環(huán)形(radial-shape)無線柵欄系統(tǒng)，其用于將一只或者多只狗圈養(yǎng)在用戶預定的區(qū)域內(nèi)，并且不需要設置實體的柵欄或者埋入地下的電線。這里使用的徑向環(huán)形指的是由圍繞以基站單元的位置為中心點的邊界而界定的大致圓形區(qū)域。邊界指的是一個大致區(qū)域，當狗位于該區(qū)域中時，項圈將開始對狗發(fā)出糾正。這個邊界標記著觸發(fā)地帶的起始，從該邊界出發(fā)向各個方向朝外延伸一定距離后，項圈便不再能接收到基站單元的輸入。這個距離，也可以說是觸發(fā)地帶的大小的變化將取決于地形以及基站單元和狗之間物體，但是在空曠的鄉(xiāng)村平地上最大可以達到距離基站單元一英里半左右。柵欄半徑由用戶設定，也就是基站單元和邊界之間的距離，從而限定了一個漫游地帶。當狗保持在漫游地帶內(nèi)時，信號在基站單元和項圈之間傳輸，有效地發(fā)送并接收，從而實時地監(jiān)測狗距離基站單元的范圍，不需要向狗發(fā)出糾正。在此情況下，項圈可以配置成進入休眠以節(jié)約電池供電。另外，系統(tǒng)可以配置成濾去錯誤的信號和/或如通訊突然斷開時不采取措施，比如由于基站或者項圈掉電時，或者物理信號阻斷元件進入系統(tǒng)環(huán)境內(nèi)時。此處使用的柵欄是一個同心地環(huán)繞觸發(fā)地帶的邊界的假想線。在沒有干擾和信號衰減的情況下，柵欄將是圓形的，代表由一定半徑限定的圓的圓周。然而，由于現(xiàn)實世界情況，其中環(huán)繞區(qū)域內(nèi)的各種物體對信號產(chǎn)生干擾，或者其他地方物體導致的多路徑效應，大致圓形的漫游區(qū)域將存在某些部分的邊界或者“柵欄”距離基站單元相對于其他部分更近一些，即，某些部分的邊界/柵欄與基站單元的距離小于柵欄半徑。系統(tǒng)包括基站單元和至少一個狗佩戴的項圈，其中也支持附加狗的多個項圈，這些項圈易于設定和使用。基站單元和項圈都分別具有兩根天線，提供分集從而提高了成功接收的信號傳輸相對于遺失信號的比率。基站單元安裝在用戶房屋內(nèi)部，或者其他希望的室內(nèi)位置。通過跟隨顯示屏上的安裝菜單并運用基站單元上的輸入元件，用戶輸入期望的柵欄半徑。之后，通過攜帶項圈從基站單元向外行進，注意到當項圈輸出信號表明接近觸發(fā)地帶時，在該位置處插上一個小旗子或者設置其他記號，用戶驗證想要的柵欄半徑。然后用戶返回到漫游區(qū)域內(nèi)，橫向移動，然后再向外移動直到項圈再次提示接近觸發(fā)地帶，在此處用戶設置另一個旗子或者記號。繼續(xù)此過程，直至用旗子或者記號標記了完整的邊界。采用這些旗子作為“柵欄”位置的可視化提示，并且使用狗身上的項圈，然后用戶可以訓練狗柵欄邊界在哪兒，這樣就可以將狗有效地圈養(yǎng)在柵欄內(nèi)。一旦柵欄設置好了，狗訓練完成，系統(tǒng)就通過不斷地獲取項圈與基站單元之間的距離值而操作，從而實時地追蹤狗與基站的距離。這些距離值經(jīng)過加權平均、濾波，以剔除那些由于不同于之前的測量值和之前計算得到的狗的位置估計而可能是錯誤的距離值。更特別地，基站單元和項圈間的多個連續(xù)獲得的距離測量值通過加權和濾波后，依據(jù)之前測算的狗的位置可以剔除明顯的異常值。這些濾波技術連同改進的信號強度以及基站單元和項圈通訊的天線分集提升了追蹤狗距離基站單元范圍的準確性，從而不會向狗發(fā)出不希望的糾正。以下將在說明書和權利要求中對詳細構造和操作進行詳細的描述，結合附圖，其也是說明書的一部分，這些目的和其它目的和優(yōu)勢將會是明顯的。附圖中，同樣的附圖標記指代相同的部件。


圖1展示了按照本發(fā)明的徑向形狀無線柵欄系統(tǒng)的部件；圖2顯示了圖1中的基站單元安裝于房屋內(nèi)，并限定出了漫游地帶和觸發(fā)地帶；圖3顯示了圖2中系統(tǒng)設定的柵欄邊界及外部的觸發(fā)地帶；圖4是一個流程圖，顯示了圖1中所示的系統(tǒng)的柵欄設定模式期間采取的步驟；圖5A是圖1中所示的組裝的項圈的分離視圖；圖5B是圖5A所示中的項圈的部件的分解視圖；圖5C是圖5A和5B中所示的項圈條帶的第一條帶部件的圖片，以及要插入到條帶部件內(nèi)部尾端的孔內(nèi)的天線；圖5D是圖5C中所示的天線插入到條帶的孔內(nèi)后的部件圖片；圖5E是圖5B中所顯示的印刷電路板的圖片，安裝在殼體底部內(nèi)，項圈條帶連接至殼體上；圖5F是圖5B中所示的項圈部件的圖片，未圖示電池，上部殼體對準下部殼體；圖5G是圖5F中所示的項圈部件的圖片，上部殼體與下部殼體接合以密封糾正單元隔間；圖5H是圖5F和5G中所示的項圈部件的圖片，其糾正單元隔間定位以在超聲波焊接機密封；圖6是一個流程圖，顯示了圖1中所示系統(tǒng)的項圈設定模式期間采取的步驟；圖7是一個流程圖，顯示了圖1中所示系統(tǒng)測距過程期間采取的步驟；圖8是一個流程圖，顯示了圖1中所示系統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)測模式期間采取的步驟；圖9是一個流程圖，顯示了圖1中所示系統(tǒng)的追蹤過程期間采取的步驟；圖10是一個流程圖，顯示了圖1中所示系統(tǒng)的糾正過程期間采取的步驟。
具體實施例方式為了說明附圖中顯示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例，需要借助于一些特定的術語以確保清楚說明。然而，并不是意圖將本發(fā)明限制于所選擇的術語的范圍內(nèi)，應當?shù)玫嚼斫獾氖牵?每個特定術語都包括能夠以類似的方式達到類似的技術目的的等同技術特征。如圖1所示，本發(fā)明采用附圖標記10整體指代徑向環(huán)形無線柵欄系統(tǒng)，其包括基站控制器單元12和遙控單元，通常具體來說是項圈14。為了訓練狗的目的，以及為了給用戶和狗提供通常對應于柵欄邊界的可視化標記，優(yōu)選地系統(tǒng)還包括一組旗子16。旗子的數(shù)量可以隨著要界定的圈養(yǎng)或漫游區(qū)域漫游32的半徑而變化，但是優(yōu)選地，具有約25 約 100面旗子。如圖2所示，基站單元12預計位于用戶的房屋18、車庫內(nèi)部、或者其他的環(huán)境可控的室內(nèi)區(qū)域內(nèi)部，優(yōu)選地配置為安裝在墻壁上。雖然采用電池為基站單元供電是可能的，但是優(yōu)選地，基站單元可以插入到良好接地的120VAC電源端口?；締卧哂袃筛炀€20、 21以實現(xiàn)和項圈14通訊時分集，具有顯示屏M (優(yōu)選為LCD顯示屏)以及輸入元件或者按鈕，為其整體指定一個附圖標記26，用于輸入信息來設置并控制系統(tǒng)。根據(jù)一個優(yōu)選實施例，輸入元件包括上、下箭頭鍵沘、四和輸入鍵30?；締卧晚椚Φ耐ㄓ嵅捎靡粋€設置在基站單元內(nèi)部的集成電路(IC)芯片。根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，芯片組是德國柏林Nanotron "Technologies出售的NAN0L0C TRX 2. 4GHz的收發(fā)器芯片組。NAN0L0C TRX 2. 4GHz的收發(fā)器芯組是IEEE 802. 15. 4a啁啾 (chirp)擴頻無線電模塊，并具有室內(nèi)外測距功能。也可以采用其他使用IEEE 802. 15. 4a 啁啾(chirping)技術用于無線電頻率測距的芯片組?；締卧?2配置成能夠使用戶設定約40 約400英尺范的自定義的柵欄半徑。 正如前面所注意到的那樣，半徑確定了到“柵欄” 31的距離，柵欄封閉了內(nèi)部的漫游地帶 32，并確定了觸發(fā)地帶34開始的邊界。如圖3所示，雖然觸發(fā)地帶看起來是一個環(huán)狀區(qū)域或者環(huán)形33，環(huán)形33實際上代表以下事實，相比較于用戶設定的柵欄半徑，邊界31的精確位置往往存在一些偏差或緩沖，其原因是正如前面所述的那樣由現(xiàn)實世界情況導致的信號的干擾和衰減。因此，糾正實際發(fā)出的位置點可以在環(huán)形區(qū)域33的內(nèi)部或者在它的內(nèi)邊或外邊上。如圖4概述的那樣，在柵欄設置模式期間，基站單元放置于要設定的期望的環(huán)狀區(qū)域的中心，即步驟40。在步驟40中，跟隨顯示屏上顯示的設定菜單，并使用輸入元件或者按鈕沈來選擇期望的參數(shù)，用戶向基站單元輸入期望的柵欄半徑。一旦半徑值輸入完成， 用戶便攜帶項圈走到邊界處，通過記錄下來項圈反應并指示接近觸發(fā)地帶；34的位置點，并在該位置點設置訓練旗從而界定柵欄31，來驗證已經(jīng)設定了期望的半徑，即步驟42。如步驟44的描述，邊界或者柵欄31的剩余部分被用戶標識出來。關于用戶輸入柵欄半徑并驗證柵欄31的位置的步驟在本申請所附的作為附錄A的文件“Radial-Shape Wireless Dog Fence Instruction Manual"中具有詳細闡述，其被認為是即時公開的一部分，如同在此詳細闡述其全部內(nèi)容。如圖5A和5B所示，項圈14包括一個條帶，整體采用附圖標記50表示，其適于圍繞在狗的脖子上，還包括安裝在條帶50上的糾正單元52。條帶50包括其中具有孔的第一部分49，其連接到糾正單元52的一側，還包括第二部分51，其連接到糾正單元52的另一側，第二部分51還具有扣環(huán)組件53，扣環(huán)組件53可以與孔接合以于將項圈14固定在狗脖子上。糾正單元52包括一個隔間四，其具有底部殼體66和帶有殼55的上部殼體M，例如，CR123A電池56可以通過此蓋55插入到隔間四內(nèi)用以向單元52供電。糾正單元還優(yōu)選的包括指示燈58，優(yōu)選地為用防水膠粘結到上部殼體M上的LED發(fā)光管59，可以從糾正單元的外部看見LED發(fā)光管，并且與基站單元類似的是，項圈也具有兩根天線60、61以提供與基站單元通信時的分集。如圖5C和5D所示，優(yōu)選地，在項圈最后組裝之前，天線61通過開口 46插入到項圈條帶部分49內(nèi)的封閉通道47內(nèi)，并在條帶的天線插入口處采用硅有機樹脂或者類似材料固定。天線60也采用類似的方式插入條帶部分51的相應孔或者通道內(nèi)。如圖5B及5E-5G所示，項圈糾正單元52的隔間四內(nèi)封裝的是印刷電路板(PCB) 組件65。與基體控制器內(nèi)的芯片組類似的NAN0L0C TRX 2. 4GHz的收發(fā)器芯片組與PCB組件65集成，位于RF保護板39的下方(參見圖5E)。項圈和基站單元的NAN0L0C 芯片組像雙向無線電一樣彼此發(fā)送并接接收無線電傳輸。NAN0L0C 芯片組優(yōu)選地操作時具有電源放大電路而被增強，提供強度更大的信號。當無線電信號通過項圈或者基站單元中的一個的天線向兩個部件中的另一個發(fā)送時，這些信號全方位地或者以球狀的方式傳播。通過這些信號，加強版NAN0L0C 芯片組通過與其相關聯(lián)的天線對執(zhí)行不斷地捕獲、濾波并提練數(shù)據(jù)的測距過程，以得到給定時間基站單元和項圈之間的距離，下面還將進一步說明。在隔間四的下部殼體66朝著狗脖子的方向橫向地伸出兩個探針64，通過電極索環(huán)63與殼體66絕緣。短探針67可以替換而安裝在下部殼體66上，以更加適合于毛發(fā)較短的狗?；陧椚Φ脑O置，當狗抵達觸發(fā)地帶時，探針64、67提供針對狗的物理糾正信號。 作為替代，項圈可以設置為針對狗僅提供聲音糾正信號。物理糾正信號最好在多個級別中可以調(diào)節(jié)，從而適應狗的體型、年齡和性情。在一個優(yōu)選實施例中，項圈默認地產(chǎn)生只有聲音的糾正信號。組裝項圈時，從封閉通道47延伸出來的天線60、61的端部耦接到PCB組件上的接線端，最好是一個搭鎖或者推壓配合。如圖5E所示，PCB組件容納在下部殼體66內(nèi)，而條帶部件49、51分別連接到下部殼體的兩側。如圖5F所示，上部殼體M對準下部殼體，之后使上部殼體如圖5G所示緊密地與下部殼體接合。一旦上部和下部殼體部兩者相互接合最終閉合隔間四，那么糾正單元52就被密封起來，優(yōu)選地采用圖5H所示的超聲波焊接機81。 如圖5A那樣組裝并焊接完畢后，項圈和糾正單元52能夠有效地防水，以使可以淹沒在水里大約1分鐘時間段，并且此后以75%以上的項圈的性能的可接受規(guī)格工作。與使用基站單元12的本發(fā)明的柵欄系統(tǒng)一起使用的項圈14的設置概述在圖6 中。在步驟70中，用戶能夠使用基站單元增加、刪除或者更改項圈的設定。在步驟72中， 為了增加另一只狗的另一個項圈，用戶按下基站單元上的輸入按鈕26中的一個，將基站單元置于搜尋模式。項圈接通電源后，編程為聽聽并響應于適合的啟用裝置發(fā)出的信號，比如基站單元?；締卧邮盏巾椚Φ捻憫盘柡螅R別出與該項圈相關聯(lián)的唯一媒體存取控制(MAC)地址并儲存其標識。在步驟74中，項圈的項圈糾正級別以及開/關狀態(tài)也可以使用基站單元改變。另外，在步驟76中，也可以使用基站單元刪除項圈。關于設置、激活或者刪除一個或者多個項圈的步驟的更細節(jié)的說明，在附錄A中有詳細的說明，也就是前述說明書引用附帶的文件。項圈被設定并激活以后，NAN0L0C 芯片組便開始運行其測距功能，在任意給定時間均可確定基站單元和項圈之間的距離。測距過程恰如NAN0L0C 網(wǎng)站上關于NAN0L0C 芯片組的介紹一樣，總結在圖7中。除非項圈處于睡眠狀態(tài)，否則測距過程便持續(xù)不斷地進行。項圈不漫游時，便處于睡眠狀態(tài)，而當項圈內(nèi)集成的運動傳感器，比如加速度計，檢測到運動時，項圈便蘇醒。
簡要的說，基站單元的第一天線確定它自身和項圈上的第一天線之間的第一距離值，之后，確定它自身和項圈上的第二天線之間的第二距離值?；締卧牡诙炀€然后確定它自身和項圈上的第一天線之間的第三距離值，之后再確定它自身和項圈上的第二天線之間的第四距離值。如果這四個距離值都成功確定，用于獲得狗的當前位置估計的距離值是四個測量值中最小的一個。測距過程在2010年2月11日公開的申請?zhí)枮镹o. 12/539404、
發(fā)明者C·T·里奇, J·S·古勒, S·科拉德, W·C·帕特森, J·J·懷特 小 申請人:伍德斯特里姆公司