專利名稱：用于使用接收信號強度指示與信號傳播時間來確定需要幫助的消防員所在的樓層號的系 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于使用接收信號強度指示與信號傳播時間來精確地確定移動無線設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)(特別是ad-hoc無線移動通信網(wǎng)絡(luò))中的位置的系統(tǒng)與方法。特別地，本發(fā)明涉及在實際應(yīng)用(例如火災(zāi)與營救場景)中實施這樣的系統(tǒng)與方法，以快速地、精確地確定需要幫助的消防員所在的樓層號。
背景技術(shù)：
無線通信網(wǎng)絡(luò)，例如移動無線電話網(wǎng)絡(luò)，在上一十年中已變得越來越流行。這些無線通信網(wǎng)絡(luò)一般稱為“蜂窩網(wǎng)絡(luò)”，因為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)被安排為將服務(wù)區(qū)劃分為多個稱為“小區(qū)”的區(qū)域。陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)包括多個互連的基站，即基節(jié)點，其在地理上分布于遍及服務(wù)區(qū)的指定位置。每一基節(jié)點包括一或多個收發(fā)器，其能夠向和從位于覆蓋區(qū)之內(nèi)的移動用戶節(jié)點(例如無線電話)發(fā)送和接收電磁信號(例如射頻(RF)通信信號)。通信信號包括，比如說，話音數(shù)據(jù)，其遵照合意的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行調(diào)制并作為數(shù)據(jù)分組發(fā)送。如本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠意識到的那樣，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以復(fù)用格式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)分組通信，例如時分多址(TDMA)格式、碼分多址(CDMA)格式、或頻分多址(FDMA)格式，其允許基節(jié)點處的單個收發(fā)器同時與其覆蓋域內(nèi)的多個移動節(jié)點通信。
近年來，稱為“ad-hoc多跳”(ad-hoc multi-hopping)網(wǎng)絡(luò)的一種類型的移動通信網(wǎng)絡(luò)得到發(fā)展。在此類型的網(wǎng)絡(luò)中，每一移動節(jié)點能夠作為其它移動節(jié)點的路由器操作，提供基站的大多數(shù)功能，從而以非常低的成本擴(kuò)展覆蓋區(qū)。ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)闡明在Mayor的美國專利No.5,943,322中，其全部內(nèi)容通過引用集成于此。
更復(fù)雜的ad-hoc網(wǎng)絡(luò)也得到開發(fā)，除了允許移動節(jié)點像在傳統(tǒng)ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中那樣彼此通信之外，其進(jìn)一步允許移動節(jié)點接入固定網(wǎng)絡(luò)，從而與其它固定或移動節(jié)點(例如公共交換電話網(wǎng)(PSTN)上、以及例如因特網(wǎng)等其它網(wǎng)絡(luò)上者)通信。這些先進(jìn)類型的ad-hoc多跳網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)描述在序列號為09/897,790、題為“Ad Hoc Peer-to-PeerMobile Radio Access System Interfaced to the PSTN and CellularNetworks”、提交于2001年6月29日的美國專利申請中，序列號為09/815,157、題為“Time Division Protocol for an Ad-Hoc，Peer-to-PeerRadio Network Having Coordinating Channel Access to Shared ParallelData Channels with Separate Reservation Channel”、提交于2001年3月22日的美國專利申請中，以及序列號為09/815,164、題為“Prioritized-Routing for an Ad-Hoc，Peer-to-Peer，Mobile Radio AccessSystem”、提交于2001年3月22日的美國專利申請中，每一申請的全部內(nèi)容通過引用集成于此。
在傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，或者在ad-hoc無線通信網(wǎng)絡(luò)中，可能需要或想要移動節(jié)點能夠知曉或確定相對或絕對地理位置或地點。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，這可通過使用若干技術(shù)來實現(xiàn)。這些技術(shù)要求小區(qū)標(biāo)識，連同往返時間(RTT)、定時提前(TA)與測量的信號水平(RX水平)、到達(dá)時差(TDOA)與到達(dá)角度(AOA)技術(shù)，其細(xì)節(jié)可由本領(lǐng)域技術(shù)人員理解。另一可用的技術(shù)使用基于蜂窩信號定時的方法來用于碼分多址(CDMA)和寬帶碼分多址(WCDMA)。還有一技術(shù)使用全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)，其一般被視為比所列的所有其它方法更精確。
盡管GPS技術(shù)已使用了相當(dāng)?shù)臅r間，并且大部分世界的導(dǎo)航依賴于它，GPS技術(shù)在某些特定條件中易于發(fā)生大的測量誤差。僅在進(jìn)行相對大數(shù)量的、涉及大數(shù)量的衛(wèi)星的測量以去除傳播與方法誤差之后，它才能提供具有非常高的精確度的位置確定結(jié)果。GPS的缺點的描述闡明在數(shù)學(xué)及其應(yīng)用研究所(IMA)的題為“MathematicalChallenges in Global Positioning Systems(GPS)”的文檔中，其全部內(nèi)容通過引用集成于此。特定其它測試也說明GPS技術(shù)不適宜于基于陸地的、操作于可見衛(wèi)星數(shù)目過小兒不足以提供好的精確度的環(huán)境以及地下通道、建筑物內(nèi)部、茂盛的植被下或者城市“峽谷”中的網(wǎng)絡(luò)。
為克服上面的確定位置信息的問題，正在開發(fā)新技術(shù)，其不要求使用衛(wèi)星或集中式計算設(shè)備來確定位置信息。用于計算移動終端在ad-hoc多跳網(wǎng)絡(luò)中的位置的新技術(shù)的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)描述在題為“Systemand Method for Computing the Location of a Mobile Terminal in aWireless Communications Network”的美國專利No.6,728,545中，其全部內(nèi)容通過引用集成于此。另外，可利用非固定的、即可移動的基礎(chǔ)架構(gòu)組件來開發(fā)ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。使用可移動接入點與轉(zhuǎn)發(fā)器來優(yōu)化覆蓋與容量限制的網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)描述在序列號為09/929,030、題為“Movable Access Points and Repeaters for Minimizing Coverage andCapacity Constraints in a Wireless Communications Network and aMethod for Using the Same”、提交于2001年8月15日的美國專利申請中，其全部內(nèi)容通過引用集成于此。
上面討論的專利與專利申請一般涉及連接到永久固定網(wǎng)絡(luò)的移動網(wǎng)絡(luò)，其中位置信息表示為絕對位置。然而，如可從上面引用的專利申請看出來的那樣，臨時的ad-hoc多跳網(wǎng)絡(luò)不一定具有同樣的要求。因此，存在對便攜的、易于部署的、自包含的ad-hoc多跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需要，其中想要相對位置檢測，例如操作在緊急狀況中的人員的位置至關(guān)重要的場合。相對位置可作為絕對地理位置的補充或替代來提供，并且應(yīng)該易于在這樣的位置中典型地存在的各種傳輸障礙之間通信。
因此，存在對改善的系統(tǒng)與方法的需要，其用于容易地確定和傳輸部署的無線通信網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點的絕對和/或相對位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種系統(tǒng)與方法，其用于部署無線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，特別是移動無線ad-hoc peer-to-peer網(wǎng)絡(luò)，其在三維部署結(jié)構(gòu)(例如建筑物)之內(nèi)，包括移動終端、無線路由器以及至少一個控制器，使得可實現(xiàn)通信、標(biāo)識與位置計算，而無論建筑物結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的是在實際應(yīng)用(例如火災(zāi)與營救場景)中實施這樣的系統(tǒng)，以快速地、精確地確定需要幫助的消防員所在的樓層號。
這些以及其它目的基本上通過提供一種無線ad-hoc peer-to-peer對等通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，該網(wǎng)絡(luò)具有多個移動終端、多個移動路由器、以及至少一個控制控制臺終端。移動終端作為標(biāo)準(zhǔn)裝備的一部分發(fā)給消防員。無線路由器預(yù)先作為安全程序的一部分(例如連接到每一層上的“出口”標(biāo)志)或者在緊急事件期間到達(dá)建筑物后立即以基本上豎直的方式部署在感興趣的建筑物的樓梯與電梯軸中。這里描述的遵照本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)與方法使用移動終端與無線路由器之間的飛行時間(TOF)與接收信號強度指示(RSSI)，以確定消防員所在的樓層并追蹤消防員的運動。在使用從所有路由器接收的RSSI與TOF值以評估樓層號之前對其進(jìn)行過濾。盡管RSSI與TOF數(shù)據(jù)不一定顯示到消防員的正確距離，考慮到最近的路由器應(yīng)同時提供最小的TOF與最佳的RSSI，可比較過濾的數(shù)據(jù)，以尋找消防員所在的最可能的樓層。


根據(jù)下面的具體實施方式
，與所附繪圖聯(lián)系起來閱讀，本發(fā)明的這些與其它目標(biāo)、優(yōu)點與新特性將更容易理解，其中圖1是其中部署了遵照本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)的無線路由器的建筑物的概念圖；圖2是闡釋圖1中所示的系統(tǒng)中部署的無線路由器的組件的示例的框圖；圖3是闡釋可由圖1中所示的建筑物中的消防員使用的移動終端的組件的示例的框圖；圖4是顯示初始化操作的示例的流程圖，其被執(zhí)行以確定圖1中所示的系統(tǒng)中的移動終端的位置，其遵照本發(fā)明的實施例；圖5是顯示數(shù)據(jù)采集操作的示例的流程圖，其被執(zhí)行以確定圖1中所示的系統(tǒng)中的移動終端的位置，其遵照本發(fā)明的實施例；圖6是顯示樓層號計算操作的示例的流程圖，其被執(zhí)行以確定圖1中所示的系統(tǒng)中的移動終端的位置，其遵照本發(fā)明的實施例；圖7是顯示樓層評分操作的示例的流程圖，其被執(zhí)行以確定圖1中所示的系統(tǒng)中的移動終端的位置，其遵照本發(fā)明的實施例；和圖8-19闡釋由事故指揮控制臺(ICC)生成的顯示屏幕的示例，其基于遵照圖1-7中所闡釋的本發(fā)明的實施例來確定的消防員的位置。
具體實施例方式
如上面所標(biāo)注的那樣，出于許多原因，工作在緊急狀況中的人員的位置是非常重要的。已有這樣的案例，其中，人員(例如消防員)在煙中迷路而弄不清楚他們自己或其他人在當(dāng)前樓層或他們工作過的先前樓層上的真實位置。下面描述的系統(tǒng)與方法作為一個實施例呈現(xiàn)，其被配置以確保消防員的安全。在本發(fā)明的又一實施例中，系統(tǒng)與方法可被配置以支持任何數(shù)目的其它緊急狀況或特殊部隊部署的活動。
這里描述的遵照本發(fā)明的實施例的事故與人員管理系統(tǒng)被設(shè)計為提供追蹤事故區(qū)域(例如燃燒的建筑物)之內(nèi)的緊急人員的方法。人員位置按建筑物樓層和/或扇區(qū)(sector)區(qū)域報告。此系統(tǒng)也提供對實時人員位置信息與警報狀態(tài)指示符的訪問。系統(tǒng)管理的輔助人員數(shù)據(jù)包括單位號、姓名、任務(wù)、與射頻的屬性。
通過使用MEATM無線技術(shù)，使得此類型的系統(tǒng)成為可能。此技術(shù)采用多個無線收發(fā)器，例如MeshNetworksTMWMC6300無線收發(fā)器，以及無線ad-hoc可擴(kuò)展路由技術(shù)。此示例中的收發(fā)器利用調(diào)制解調(diào)器，例如MeshNetworksTMQDMA調(diào)制解調(diào)器，來便利魯棒的空中下載(over-the-air)數(shù)據(jù)傳輸，甚至在惡劣的RF環(huán)境中。此收發(fā)器連接到MeshNetworksTM可擴(kuò)展路由(MSR)協(xié)議與地理位置解決方案，允許用戶立即部署密集的、可擴(kuò)展的、ad-hoc多跳網(wǎng)絡(luò)，而沒有單點故障。總之，系統(tǒng)包括ad-hoc無線多跳網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，其能夠承載話音、視頻與數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步能夠計算駐留于網(wǎng)絡(luò)邊界之內(nèi)的特定組件的相對位置。此系統(tǒng)的ad-hoc特點是使得此系統(tǒng)易于部署，并能夠在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間提供完全的連接性，以確保關(guān)鍵信息向事故指揮控制臺的及時遞送(甚至在糟糕的或持續(xù)變化的物理狀況下)的多個屬性之一。
如下面更詳細(xì)地描述的那樣，除其它東西之外，系統(tǒng)進(jìn)一步包括MEATM事故指揮控制臺(ICC)、多個樓層指示路由器(FIR)、以及至少一個MeshTrackerTM(MT)設(shè)備。MEATM事故指揮控制臺包括基于Windows的PC，其集成觸摸屏顯示器，從而提供簡單的用戶界面。事故管理應(yīng)用在此PC上執(zhí)行，并經(jīng)由MEATM無線網(wǎng)卡連接到MEATM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。命令控制臺完全是獨立自給的，并意欲由管理事故場景的人員(例如快速干涉隊(RIC)的領(lǐng)導(dǎo))監(jiān)控。事故管理應(yīng)用意欲提供實時人員位置與標(biāo)識信息的圖形表示。特別地，由事故指揮控制臺報告的數(shù)據(jù)包括事故區(qū)之內(nèi)所有人員的位置；單位號、姓名、射頻的分配；最近的FIR(典型地為入口/出口點)和到每一個人的距離；(經(jīng)由隊長/班長)按班表示或單個地表示人員的能力；每一個人的告警狀態(tài)以及與個人失去網(wǎng)絡(luò)通信或與FIR失去通信。
樓層指示路由器(FIR)是小型便攜設(shè)備，其使用FCC/UL認(rèn)證的MEATM無線收發(fā)器卡，如上面所討論的那樣。這些設(shè)備作為環(huán)繞事故區(qū)的靜態(tài)參考點部署。這些設(shè)備典型地由現(xiàn)場(on-site)人員(例如RIC)在到達(dá)事故現(xiàn)場后部署。FIR在樓梯井之內(nèi)和靠近電梯軸按列部署，即，處于入口與出口點?？砂葱枰渴鸲鄠€FIR列，以增加無線覆蓋區(qū)和系統(tǒng)的可靠性。在此示例中的FIR設(shè)備是便攜的，重量小于12盎司，并具有5小時電池壽命。設(shè)備操作在第二ISM頻帶(2.40-2.48GHZ范圍)，并具有+25dbm的發(fā)射功率。
MeshTrackerTM(MT)設(shè)備在形狀因素上類似于FIR，但其意欲作為由現(xiàn)場(on-scene)人士攜帶的移動設(shè)備(即，移動終端)部署，以用于位置追蹤與責(zé)任(accountability)。MeshTracker利用MEATM位置技術(shù)來計算事故現(xiàn)場之內(nèi)的相對位置，其通過與已部署在事故區(qū)之內(nèi)的FIR設(shè)備的無線交互來實現(xiàn)，如下面詳細(xì)地描述的那樣。MT利用部署的FIR與其它MT作為ad-hoc無線通信結(jié)構(gòu)來將至關(guān)重要的信息中繼到命令控制臺。
如上面討論的那樣，作為此系統(tǒng)中的主干網(wǎng)與數(shù)據(jù)遞送機制的基礎(chǔ)技術(shù)是MEATM，其為MeshNetworksTM的ad-hoc多跳網(wǎng)絡(luò)解決方案，其允許使用簡單的部署指導(dǎo)快速地進(jìn)行部署，而沒有關(guān)鍵的依賴。使用兩種方法之一來部署網(wǎng)絡(luò)，即，可將網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)組件(FIR)作為建筑物管理與安全系統(tǒng)的一部分預(yù)先部署(例如，連接到每一樓層上的“出口”標(biāo)志)，或者可在事故發(fā)生時部署。無論何時部署網(wǎng)絡(luò)，部署指導(dǎo)是相同的，如現(xiàn)在將討論的那樣。
首先，建立命令站(post)，其為部署命令站和經(jīng)由事故指揮控制臺(ICC)管理事故的位置。此位置應(yīng)允許到事故區(qū)之內(nèi)的至少兩個FIR的無線連接性。命令控制臺與FIR網(wǎng)絡(luò)之間的連接性可在幾百英尺到幾千英尺的范圍內(nèi)獲得。
在入口與出口點(典型地接近或在樓梯井和/或電梯軸之內(nèi))之外按列部署FIR。將FIR放置在這樣的樓層與區(qū)域之上及周圍，其資源將受到追蹤，其典型地為防火層(fire floor)與集結(jié)地。每一FIR邏輯地聯(lián)系到樓層與列。事故指揮者可經(jīng)由GUI將每一FIR的樓層與列信息預(yù)先裝載到指揮控制臺或者實時配置。盡管系統(tǒng)可在僅部署一個FIR列時提供位置信息，部署較大數(shù)目的FIR列改善了位置精確度，增加了監(jiān)控的區(qū)域并確保了任一設(shè)備因熱或落下的殘骸而損失的情形下所需的冗余。在典型的高層結(jié)構(gòu)中，單個FIR列將典型地提供大約每樓層200,000平方英尺的覆蓋，或提供250英尺的覆蓋半徑，同時在超過95％的情形中提供精確的位置。覆蓋區(qū)域的大小與定位的位置的精確度受到每一樓層上使用的分隔方法與材料的強烈影響。在部署FIR的網(wǎng)絡(luò)之后，事故區(qū)之內(nèi)的使用MeshTrackerTM的人員的位置更新自動地報告給事故指揮控制臺。
圖1是闡釋建筑物100的概念性框圖，建筑物100具有樓梯102與電梯軸104，其中已經(jīng)以上面描述的方式部署了FIR 106。圖1中的圖例指示消防員108、位置參考FIR106、數(shù)據(jù)鏈路、與事故指揮者(調(diào)度者)110(上面描述的事故指揮控制臺(ICC)111即位于此處)的符號。除提供位置參考之外，F(xiàn)IR 106確保樓層之內(nèi)與之間的網(wǎng)絡(luò)連接性。如果事故指揮者的位置離事故區(qū)過遠(yuǎn)，必須部署補充的無線路由器(此圖中未顯示)，以將所有無線組件連接到一個網(wǎng)絡(luò)。因為它們提供雙特性，F(xiàn)IR常常被稱作無線路由器(WR)。
圖2是闡釋FIR 106中的組件的示例的框圖。如所指示的那樣，每一FIR 106包括至少一個調(diào)制解調(diào)器112與控制器114，控制器114用于控制調(diào)制解調(diào)器112的接收與發(fā)送操作，以及到和從存儲器的數(shù)據(jù)存儲與獲取。此示例中的調(diào)制解調(diào)器112為MeshNetworksTMQDMA調(diào)制解調(diào)器，其采用MeshNetworksTMWMC6300無線收發(fā)器。FIR 106操作為ad-hoc無線通信網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點，如比如說上面引用的專利申請中所描述的那樣。每一FIR 106，或選擇的FIR 106，包括傳感器，例如熱傳感器、CO傳感器等等，以向指揮控制臺提供屬于FIR 106所部署的環(huán)境的信息。相應(yīng)地，可建議消防員避免由于(比如說)特別熱而為FIR 106的傳感器指示為特別危險的區(qū)域，或者特別小心這些區(qū)域。
圖3是闡釋MeshTrackerTM移動終端(MT)116的示例的框圖，該終端可發(fā)給每一消防員108，使得每一消防員108可使用其移動終端116來與該移動終端116的廣播范圍之內(nèi)的其它消防員108通信，并且使得可追蹤所有消防員的運動，如下面更詳細(xì)地討論的那樣。移動終端116可包括帶麥克風(fēng)與耳機的頭上設(shè)備(headset)，以確保無手操作。還可包括數(shù)字羅盤以提供方向，而運動傳感器可報告該消防員是否變成一動不動?？蓪⑺羞@些設(shè)備連接到電池，該電池為典型的操作者裝備的一部分。
可將移動終端116的麥克風(fēng)與耳機連接到小型收發(fā)機，該收發(fā)機具有三個主要組件，包括調(diào)制解調(diào)器118、控制器120與話音處理器122。作為程序代碼與操作參數(shù)而存儲在控制器存儲器中的軟件控制移動終端的所有組件的活動。
調(diào)制解調(diào)器118使用發(fā)送器與接收器提供與網(wǎng)絡(luò)的其它組件的無線通信。通過在組織為一組寄存器的存儲器中存儲適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)與代碼，來控制發(fā)送器與接收器的操作。接收器與發(fā)送器使用存儲器寄存器來提供關(guān)于調(diào)制解調(diào)器狀態(tài)與執(zhí)行的函數(shù)的結(jié)果的反饋。控制器120經(jīng)由存儲器總線連接到調(diào)制解調(diào)器118?？刂破?20包括CPU與存儲器，該存儲器用于存儲數(shù)據(jù)與控制調(diào)制解調(diào)器功能的程序的代碼。這通過經(jīng)由存儲器總線在調(diào)制解調(diào)器寄存器中寫數(shù)據(jù)，以及讀調(diào)制解調(diào)器寄存器以尋找調(diào)制解調(diào)器狀態(tài)，來控制調(diào)制解調(diào)器118活動。此示例中的調(diào)制解調(diào)器118為MeshNetworksTMQDMA調(diào)制解調(diào)器，其采用MeshNetworksTMWMC6300無線收發(fā)器。移動終端116操作為ad-hoc無線通信網(wǎng)絡(luò)中的移動無線節(jié)點，如比如說上面引用的專利申請中所描述的那樣。
另外，移動終端116的話音處理器122連接到控制器120，并包括至少兩個獨立組件，即，編碼器與解碼器。編碼器將麥克風(fēng)接收的聲音轉(zhuǎn)換為數(shù)字串，而解碼器將數(shù)字串轉(zhuǎn)換回聲音，該聲音被送到揚聲器或耳機。在圖3中所示的實施例中，話音處理器122進(jìn)一步包括經(jīng)由存儲器總線接入控制器存儲器。另外，還可將數(shù)字羅盤集成到頭上設(shè)備，當(dāng)適當(dāng)?shù)匕仓脮r，其指示操作者的頭的方向，從而使得有可能使用相對于操作者的當(dāng)前位置的角度來標(biāo)識方向(即“2點鐘方向，二十英尺”)。還可將運動傳感器(未顯示)集成到收發(fā)器。其可自動地報告消防員在某時間段內(nèi)是否沒有運動。還可集成按鈕，其效果與運動傳感器一樣。如果需要幫助，消防員可按下該按鈕。按下按鈕的動作發(fā)送給收發(fā)器軟件，其為主控制(比如說，ICC 111)生成一組數(shù)據(jù)消息。當(dāng)接收這些消息時，主控制警告事故指揮者，指示哪一消防員需要幫助及其當(dāng)前位置。
現(xiàn)在將描述上面描述的系統(tǒng)在緊急場景中操作的示例。
快速干涉隊(RIC)與每一救火行動相聯(lián)系。當(dāng)消防員與火勢搏斗時，RIC隊準(zhǔn)備待命，以防某人需要解救。如果任一消防員或組在接到呼叫時不回應(yīng)，或其請求幫助，RIC進(jìn)入行動并進(jìn)行解救行動。首先，他們必須確定要解救的消防員此刻的位置，然后解救他們。目前實施的流程要求RIC首先前往需要幫助的消防員最近的已知位置，從此處開始搜索。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在多層建筑物中時，成功的一個重要元素是快速地確定搜尋應(yīng)開始的正確樓層的能力。
如建筑物建造中已知的那樣，現(xiàn)代多層建筑物具有鋼加強的混凝土樓層，而老的建筑物可能具有由另一材料(例如木頭)制成的樓層。當(dāng)無線電波穿越混凝土?xí)r無線能量的吸收較高，而當(dāng)穿越木板時沒有那么高。結(jié)果，在具有混凝土樓層的建筑物中，無線電波可能僅穿透少數(shù)樓層，而在具有木頭樓層的建筑物中，有可能穿透許多樓層。
如上面簡要地討論的那樣，圖1顯示正在進(jìn)行的解救行動，其中RIC人員在樓梯井102(右)與電梯104(左)上前進(jìn)。依據(jù)形勢，RIC可使用樓梯與電梯進(jìn)入建筑物的許多樓層。如所指示的那樣，在每一樓層在樓梯井102中與電梯軸104旁放置無線樓層指示路由器(FIR)106。因為信號在穿越樓層與墻壁時釋放能量，F(xiàn)IR 106可能不能夠與不在與FIR 106相同的樓層上的消防員通信。
當(dāng)RIC首先抵達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場時，RIC解救隊在每一樓層部署一路由器，其允許RIC在宣布緊急情況的時刻之后的僅僅幾秒鐘之內(nèi)找到特定消防員所在的樓層號。所有FIR 106必須盡可能按豎直線安置，這可通過將路由器放置在具有木頭樓層的建筑物中的樓梯井的同一角落，或者將路由器懸掛在具有金屬或混凝土樓層的建筑物中的樓梯扶手上來實現(xiàn)。在具有一或多個電梯軸的較高建筑物中，可在電梯上升時從電梯部署FIR 106。換言之，當(dāng)電梯在每一樓層停留時，可將FIR 106靠近電梯門部署，以確保所有FIR 106位于盡可能筆直的豎直線上。
如現(xiàn)在將討論的那樣，使用飛行時間(TOF)與接收信號強度指示(RSSI)數(shù)據(jù)來找到樓層號，其遵照本發(fā)明的實施例。
無線信號在建筑物內(nèi)的傳播受到大量反射的影響，使得幾乎不可能確定無線FIR 106與使用MT的消防員之間的正確距離。當(dāng)無線電波穿過樓層與墻壁時，無線信號在建筑物內(nèi)的傳播也受到高能量吸收的影響。吸收水平取決于障礙的厚度與成分。以鋼加強的混凝土墻壁與樓層具有升高的吸收水平，而木頭或干燥的墻壁對無線電波能量具有較小的效果。因為介質(zhì)不是同質(zhì)的，基于RSSI來計算消防員與無線路由器之間的準(zhǔn)確距離是幾乎不可能的。
這里描述的遵照本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)與方法使用TOF與RSSI兩者來確定消防員所在的樓層。在使用從所有路由器接收的RSSI與TOF值以評估樓層號之前對其進(jìn)行過濾。盡管RSSI與TOF數(shù)據(jù)不一定顯示到消防員的正確距離，可比較過濾的數(shù)據(jù)，以尋找同時向目標(biāo)移動設(shè)備提供最小TOF與最佳RSSI的FIR所在的樓層。
圖4-7中闡明的流程圖中顯示的操作提供一種技術(shù)，其用于向每一樓層設(shè)置分?jǐn)?shù)并選擇具有最高分?jǐn)?shù)的樓層。同一技術(shù)被用于遵照TOF與RSSI數(shù)據(jù)來設(shè)置分?jǐn)?shù)。換言之，該技術(shù)首先查找TOF值(或RSSI絕對值)除以在移動終端116與FIR 106之間進(jìn)行的測量的次數(shù)的最小值，移動終端116可接收這些FIR 106的信號。給出加權(quán)TOF的最小值的FIR 106代表MT 116最有可能在的樓層，將其分?jǐn)?shù)設(shè)置為最大值。通過從余下的樓層中再次尋找TOF除以測量次數(shù)的最小值，找出次可能的樓層。應(yīng)用此方法，直到業(yè)已搜尋所有樓層并向每一樓層賦予分?jǐn)?shù)。如果在兩個樓層上找到的搜尋值幾乎相等(比如說，這些值彼此的差異在5％以內(nèi))，將兩個樓層的分?jǐn)?shù)設(shè)為相等。在基于RSSI與TOF計算每一樓層的分?jǐn)?shù)之后，通過將RSSI與TOF分?jǐn)?shù)兩者相加計算總分?jǐn)?shù)。將匹配最大分?jǐn)?shù)的樓層提名為消防員所在的樓層。
圖4-7中顯示的樓層確定算法實時地工作。如上面所討論的那樣，每一消防員具有用戶設(shè)備(例如，MT 116)作為其裝備的一部分。事故指揮者(比如說，資深火災(zāi)隊長或長官)具有電腦，例如上面描述的MEATM事故指揮控制臺111，其連續(xù)地顯示每一消防員的位置，例如比如說圖8-19中所示的那樣。
注意到，每一MT 116與所有其能夠通信的無線路由器(即，F(xiàn)IR106)交換范圍消息。當(dāng)MT 116確定在其廣播范圍之內(nèi)的FIR 106的列表時，MT 116向事故指揮控制臺(ICC)111發(fā)送信息(例如，數(shù)據(jù)分組)，包括FIR 106的列表、到每一(列表中的FIR 106)的TOF與從傳播范圍之內(nèi)的每一FIR 106接收的信號的RSSI。ICC 111可位于上面討論的命令控制臺110中。ICC 111通過ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的多跳能力從FIR 106與MT 116接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行樓層號的計算并顯示每一消防員所在的樓層號。GUI輸出的實時過程要求三個不同的組件初始化；數(shù)據(jù)采集，以及GUI更新的計算。
當(dāng)開始ICC 111時，運行初始化操作。圖4中顯示了初始化操作的一個示例。
作為初始化的一部分，在步驟1000中建立建筑物100中的樓層數(shù)(nFloors)與樓梯井?dāng)?shù)(nStairs)，以及不與樓層號的計算嚴(yán)格相關(guān)、這里未呈現(xiàn)的其它信息。在步驟1010、1020、1030與1040中，變量Count、TOF、RSSI與FIRID的值均被抹去(即，被設(shè)置為零，但FIRID被設(shè)置為空，因為它是文本變量)。初始化過程在步驟1050退出。
當(dāng)MT 116具有可用數(shù)據(jù)時，其將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到ICC 111。因此，當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，激活圖5中顯示的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。ICC GUI必須周期性地更新，以保持向IC通知行動的進(jìn)展。因此，由周期性的定時器激活GUI更新，在GUI更新之前必須計算樓層號。應(yīng)用程序維持其自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對于nFloors行中的每一行以及nStairs中的每一列，此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有四個分量。
現(xiàn)在將簡要地描述圖4-7中表示的變量與數(shù)組。
FIRID(其表示FIR標(biāo)識)是每一FIR 106的標(biāo)識符的數(shù)組。每一FIR標(biāo)識與部署該FIR的樓層號相關(guān)聯(lián)。這意味著部署在同一樓層上的所有FIR位于矩陣的同一行上，無論樓層上的位置為何。由于MT116可能因無線能量吸收而不能夠與同一樓層上的所有FIR通信，F(xiàn)IRID表中的某些位置可能保持為未使用的。當(dāng)消防員在建筑物內(nèi)運動時，將新的FIR標(biāo)識符添加到表中，但不移除舊的FIR標(biāo)識符。
Count矩陣包含SD為每一FIR報告的范圍消息的數(shù)目的計數(shù)。
RSSI與TOF表具有與FIRID相同的結(jié)構(gòu)。它們包含為每一FIR記錄的RSSI與TOF的過濾的值。
圖5中的流程圖顯示數(shù)據(jù)采集函數(shù)。函數(shù)名為NewData，其在步驟1100，每次從MT接收新的一組數(shù)據(jù)時，被激活開始。NewData函數(shù)具有4個參數(shù)，其為FIR，代表FIR的標(biāo)識，數(shù)據(jù)即從該FIR收集；FIR_TOF，代表到FIR的最近的TOF；FIR_RSSI，代表最近接收的消息的RSSI的絕對值；和FLOOR，代表部署FIR的樓層號。
數(shù)據(jù)采集函數(shù)在FIRID表的FLOOR行中找到FIR標(biāo)識的位置。如果它是新標(biāo)識，如步驟1110中所確定的那樣，在步驟1120中，將該新FIR標(biāo)識添加到表的第一個空位置。FIRj是FIR標(biāo)識在FLOOR行上的列，如步驟1130中所指示的那樣。
一開始使用大小為Count的可變大小的窗來過濾TOF與RSSI值，如步驟1140與1150中所指示的那樣。當(dāng)MT與FIR之間交換的消息數(shù)目變得大于預(yù)先確定的值MAX_IT時，過濾器變?yōu)闊o限輸入過濾器，其速率為1/(MAX_IT+1)。通過由步驟1160與1170限制Count表的值變得大于MAX_IT來實現(xiàn)此效果，如所指示的那樣。
流程圖的步驟1180確保算法“忘記”太久以前采集的數(shù)據(jù)。需要這樣的“忘記”是因為消防員可能從一個FIR離開，而接近另一FIR，導(dǎo)致TOF與RSSI的采集值隨著消防員的新位置相應(yīng)地變化。依據(jù)FORGET因子的值，算法較快或較慢地忘記，該值總是為零與1之間的數(shù)。如果其為零，算法不記得任何東西。如果因子為一，算法記得所有東西。對于此應(yīng)用，最通常的值為.99或.999，這取決于從FIR采集數(shù)據(jù)的頻率。其后，在步驟1190，數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束。
圖6中的流程圖顯示函數(shù)GetFloorNumber，其用于計算消防員的樓層號。在步驟1200，函數(shù)開始，并使用兩個本地整數(shù)數(shù)組，其元素與樓層數(shù)nFloors一樣多。函數(shù)兩次調(diào)用GetScore函數(shù)，以在步驟1210中計算RSSIscore，而在步驟1220中計算TOFscore。與每一獨立標(biāo)準(zhǔn)相比，合并的分?jǐn)?shù)提供最可能樓層的更精確的估計。先前的測量顯示，由于建筑物之內(nèi)的反射，TOF受誤差的影響達(dá)30米之多?？紤]到樓層之間的距離在3到6米之間，30米的誤差意味著樓層號估計中的誤差在5到10層樓之間。RSSI顯示MT從FIR接收的信號的強度。所有FIR以同樣的功率發(fā)送，但由于每一樓層的分隔不同，以及樓層的吸收非常不同于墻壁的吸收這一事實，每一信號的路徑長度是不同的。進(jìn)一步地，MT與其通信的FIR之間的墻壁的數(shù)目取決于每一樓層分隔方法；因此，不同F(xiàn)IR是不同的。為此原因，RSSI信息本身不能用于找到樓層號。相應(yīng)地，算法為每一樓層計算分?jǐn)?shù)，其后選擇使用兩個標(biāo)準(zhǔn)提供了最高的和分?jǐn)?shù)(additive score)的樓層。測試顯示結(jié)果相當(dāng)精確。流程圖的步驟1230基于最大的分?jǐn)?shù)找到樓層號，該分?jǐn)?shù)通過為每一樓層將RSSIscore與TOFscore相加來計算。在步驟1240中，過程結(jié)束。
圖7闡釋GetScore函數(shù)的流程圖的示例。此函數(shù)由上面在圖6中討論的步驟1210與1220調(diào)用，參數(shù)為RSSI與RSSIscore，其后參數(shù)為TOF與TOFscore。函數(shù)遵照每一標(biāo)準(zhǔn)計算每一樓層的分?jǐn)?shù)。
在步驟1300中開始之后，在步驟1310中，函數(shù)通過將所有Score值設(shè)為零來開始，其后，在步驟1320中，將Data(RSSI或TOF)的拷貝放入臨時存儲temp中。在步驟1330中，還初始化lastVal與Level。Level變量的值是不重要的，但對于RSSI與TOF兩者而言必須相同。
函數(shù)具有循環(huán)，其確定在哪一樓層上標(biāo)準(zhǔn)(RSSI或TOF)具有最佳值。一旦在步驟1340中找到該樓層，忽略同一樓層的所有其它數(shù)據(jù)，確定下一樓層。只要還剩有需要確定的樓層，如在步驟1350中所確定的那樣，函數(shù)繼續(xù)。然而，如果不剩這樣的樓層，在步驟1360中，函數(shù)退出。
在算法執(zhí)行期間，在步驟1370中，temp的內(nèi)容被摧毀。為此原因，在步驟1320中，將Data的內(nèi)容拷貝到temp中。
如果兩個樓層的值相差小于值的5％，其接收同樣的Score，這通過為Level變量保留同樣的值(來實現(xiàn))，如步驟1380、1390與1400中所指示的那樣。如果值不同，每一樓層的分?jǐn)?shù)也不同，這是因為在步驟1420中，Level的值隨每一找到的樓層而減小。在步驟1410中，lastVal顯示minVal(該標(biāo)準(zhǔn)的最小值)的前一值。如果為每一樓層找到最小值，并遵照將這些最小值排序的結(jié)果設(shè)置分?jǐn)?shù)，可獲得相同的結(jié)果。
如上面陳述的那樣，圖8-19闡釋由ICC生成的顯示屏幕的示例，其基于以上面討論的方式確定的消防員的位置。例如，圖8闡釋消防員進(jìn)入建筑物之前的初始顯示窗口，而圖9闡釋這樣的初始顯示窗口，其“Legend Tab”(圖例)展開，以顯示可在顯示窗口上顯示的代表不同類型的人員與狀況的符號。圖10闡釋在每一樓層上部署FIR的建筑物的四層樓的顯示，而圖11闡釋這樣的符號(隊長的條)，其指示部隊指揮官已進(jìn)入staging floor，即底層，或者用歐洲的樓層編號傳統(tǒng)來說是建筑物的“0層”。圖12闡釋一個云梯單位已進(jìn)入建筑物的2層，而圖13闡釋2層上該云梯單位的三個人員的細(xì)節(jié)(即，一個隊長與兩個消防員)。圖14顯示層2的展開的顯示視圖。圖15顯示2層上的告警狀況，而圖16闡釋該告警已被確認(rèn)。圖17闡釋所選的人員(在此示例中，隊長)的細(xì)節(jié)，以及從隊長到最近的FIR 106的距離。在此示例中，隊長距標(biāo)定為“A”的FIR 106為2.9英尺。圖18闡釋當(dāng)FIR(在此情形中，標(biāo)定為2C的FIR)失去信號時的顯示的示例，這意味著它可能已被損壞或摧毀。圖19闡釋多層顯示以及每一樓層上的人員的示例。自然地，可修改系統(tǒng)以便以任一想要的格式顯示信息。
在上面描述的本發(fā)明的實施例中，系統(tǒng)與方法提供移動網(wǎng)絡(luò)成員的精確位置并允許在行動中涉及的團(tuán)隊的成員之間進(jìn)行話音交換。盡管上面僅詳細(xì)描述了本發(fā)明的若干示例性實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解，可對示例性實施例進(jìn)行許多種修改，而不在本質(zhì)上偏離本發(fā)明的新穎的教導(dǎo)與優(yōu)點。相應(yīng)地，所有這樣的修改均被意欲包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)控三維多層結(jié)構(gòu)中的運動的系統(tǒng)，其包括多個移動無線遠(yuǎn)程終端，其被適配以在無線ad-hoc多跳與對等通信網(wǎng)絡(luò)中通信；和多個無線路由器，其可部署在所述三維區(qū)域中，并被適配以在所述無線ad-hoc多跳與對等通信網(wǎng)絡(luò)中通信；所述移動無線遠(yuǎn)程終端中的每一個被適配以與其廣播范圍之內(nèi)的所述路由器中的任一個交換信號，并且，基于這些信號，被適配以確定其在所述三維結(jié)構(gòu)中的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述每一移動無線遠(yuǎn)程終端使用飛行時間(TOF)數(shù)據(jù)與接收信號強度指示(RSSI)數(shù)據(jù)來確定其在所述三維結(jié)構(gòu)中的位置，上述數(shù)據(jù)屬于從其廣播范圍之內(nèi)的所述路由器中的所述任一個接收的信號。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述三維結(jié)構(gòu)是建筑物，而所述路由器部署在所述建筑物的各個樓層上；和所述每一移動無線遠(yuǎn)程終端基于屬于上述信號的所述TOF數(shù)據(jù)與RSSI數(shù)據(jù)，向每一樓層分配相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，并基于所述分?jǐn)?shù)，將其位置確定為其所在的樓層。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述每一移動終端將其所在的樓層確定為具有最低分?jǐn)?shù)的樓層。
5.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述每一移動無線遠(yuǎn)程終端使用屬于在接近其基于所述TOF數(shù)據(jù)與所述RSSI數(shù)據(jù)確定其位置的時間的特定時間之內(nèi)從所述路由器接收的信號的TOF數(shù)據(jù)與RSSI數(shù)據(jù)，而不使用屬于在所述特定時間之前接收的信號的TOF數(shù)據(jù)與RSSI數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括控制控制臺，其被適配以從所述移動終端接收屬于其各自的確定的位置的信息，并生成顯示，以圖解說明所述移動終端在所述三維區(qū)域中的位置。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述三維區(qū)域是建筑物，而所述路由器部署在所述建筑物的各個樓層上；和所述控制控制臺被適配以生成所述顯示，圖解說明所述移動終端在所述建筑物的所述樓層上的位置。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述每一移動終端包括各自的運動傳感器，且所述每一移動終端將從其各自的運動傳感器接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到所述控制控制臺；和如果從與特定移動終端相關(guān)聯(lián)的運動傳感器接收的所述數(shù)據(jù)指示該移動終端在特定時間段內(nèi)尚未移動的話，所述控制控制臺被適配以生成告警狀況，其標(biāo)識該移動終端。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述每一移動終端包括發(fā)送器，其被適配以向所述控制控制臺發(fā)送話音與視頻數(shù)據(jù)中的至少一個。
10.一種用于監(jiān)控三維多層結(jié)構(gòu)中的運動的方法，其包括在所述三維結(jié)構(gòu)中部署多個移動無線遠(yuǎn)程終端，所述移動無線遠(yuǎn)程終端中的每一個被適配以在無線ad-hoc對等通信網(wǎng)絡(luò)中通信；在所述三維結(jié)構(gòu)中部署多個無線路由器，所述無線路由器中的每一個被適配以在所述無線ad-hoc對等通信網(wǎng)絡(luò)中通信；控制所述移動無線遠(yuǎn)程終端中的每一個來與其廣播范圍之內(nèi)的所述路由器中的任一個交換信號，并且，基于這些信號，確定其在所述三維結(jié)構(gòu)中的位置。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述每一移動無線遠(yuǎn)程終端使用飛行時間(TOF)數(shù)據(jù)與接收信號強度指示(RSSI)數(shù)據(jù)以確定其在所述三維結(jié)構(gòu)中的位置，上述數(shù)據(jù)屬于從其廣播范圍之內(nèi)的所述路由器中的所述任一個接收的所述信號。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述三維結(jié)構(gòu)是建筑物，而所述路由器部署步驟將所述路由器部署在所述建筑物的各個樓層上；和所述控制步驟包括控制所述每一移動無線遠(yuǎn)程終端，以基于屬于所述信號的所述TOF數(shù)據(jù)與RSSI數(shù)據(jù)，向每一樓層分配相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，并基于所述分?jǐn)?shù)，將其位置確定為其所在的樓層。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述每一移動終端將其所在的所述樓層確定為具有最低分?jǐn)?shù)的樓層。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述控制步驟包括控制所述每一移動無線遠(yuǎn)程終端，以使用屬于在接近其基于所述TOF數(shù)據(jù)與所述RSSI數(shù)據(jù)確定其位置的時間的特定時間之內(nèi)從所述路由器接收的信號的TOF數(shù)據(jù)與RSSI數(shù)據(jù)，而不使用屬于在所述特定時間之前接收的信號的TOF數(shù)據(jù)與RSSI數(shù)據(jù)。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其進(jìn)一步包括部署控制控制臺，其被適配以從所述移動終端接收屬于其各自的確定的位置的信息，并生成顯示，其圖解說明所述移動終端在所述三維區(qū)域中的位置。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述三維區(qū)域是建筑物，而所述路由器部署在所述建筑物的各個樓層上；和所述控制控制臺被適配以生成所述顯示，其圖解說明所述移動終端在所述建筑物的所述樓層上的位置。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述每一移動終端包括各自的運動傳感器，且所述每一移動終端將從其各自的運動傳感器接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到所述控制控制臺；和如果從與特定移動終端相關(guān)聯(lián)的運動傳感器接收的所述數(shù)據(jù)指示該移動終端在特定時間段內(nèi)尚未運動的話，所述控制控制臺被適配以生成告警狀況，其標(biāo)識該移動終端。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述每一移動終端包括發(fā)送器，其被適配以向所述控制控制臺發(fā)送話音與視頻數(shù)據(jù)中的至少一個。
19.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述路由器部署步驟在所述三維結(jié)構(gòu)中部署所述路由器是在在所述三維結(jié)構(gòu)中部署所述移動終端之前。
20.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述路由器部署步驟在所述三維結(jié)構(gòu)中部署所述路由器與在所述三維結(jié)構(gòu)中部署所述移動終端同時。
全文摘要
本發(fā)明公開一種系統(tǒng)與方法，其用于部署無線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，其在三維部署區(qū)域(例如建筑物)之內(nèi)，包括移動終端、無線路由器以及至少一個控制控制臺，使得可實現(xiàn)通信、使用移動終端的人員(例如消防員)的標(biāo)識與位置計算，而無論建筑物結(jié)構(gòu)。無線路由器預(yù)先作為安全程序的一部分或者在緊急事件期間消防員或其它團(tuán)隊到達(dá)建筑物后立即以基本上豎直的方式部署在感興趣的建筑物的樓梯與電梯軸中。這里描述的遵照本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)與方法使用移動終端與無線路由器之間的TOF與RSSI兩者來確定消防員所在的樓層并追蹤消防員的運動。
文檔編號G01S5/02GK1890992SQ200480015799
公開日2007年1月3日 申請日期2004年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月6日
發(fā)明者約翰·M·貝爾恰, 肖恩·P·威爾士, 艾倫·M·羅伯遜, 菲利普·J·希爾, 杰弗里·C·施密特, 賽義德·阿拉法特, 詹姆斯·格林 申請人:網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)公司