CN1890992A - 用于使用接收信号强度指示与信号传播时间来确定需要帮助的消防员所在的楼层号的系统与方法 - Google Patents

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CN1890992A CNA2004800157996A CN200480015799A CN1890992A CN 1890992 A CN1890992 A CN 1890992A CN A2004800157996 A CNA2004800157996 A CN A2004800157996A CN 200480015799 A CN200480015799 A CN 200480015799A CN 1890992 A CN1890992 A CN 1890992A
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菲利普·J·希尔
杰弗里·C·施密特
赛义德·阿拉法特
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Abstract

本发明公开一种系统与方法，其用于部署无线设备的网络，其在三维部署区域(例如建筑物)之内，包括移动终端、无线路由器以及至少一个控制控制台，使得可实现通信、使用移动终端的人员(例如消防员)的标识与位置计算，而无论建筑物结构。无线路由器预先作为安全程序的一部分或者在紧急事件期间消防员或其它团队到达建筑物后立即以基本上竖直的方式部署在感兴趣的建筑物的楼梯与电梯轴中。这里描述的遵照本发明的实施例的系统与方法使用移动终端与无线路由器之间的TOF与RSSI两者来确定消防员所在的楼层并追踪消防员的运动。

Description

用于使用接收信号强度指示与信号传播时间 来确定需要帮助的消防员所在的楼层号的系统与方法
根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求John M.Belcea等的题为“System and Method for Identifying the Floor Number Where aFirefighter in Need of Help is Located Using Received Signal StrengthIndicator and Signal Propagation Time”、申请号60/546,942、提交于2004年2月24日的美国临时未决专利申请，John M.Belcea等的题为“Systemand Method for Accurately Computing the Position of Wireless DevicesInside High-Rise Buildings”、申请号60/476,167、提交于2003年6月6日的美国临时未决专利申请，以及John M.Belcea等的题为“MACProtocol for Accurately Computing the Position of Wireless Devices InsideBuildings”、申请号60/476,232、提交于2003年6月6日的美国临时预决专利申请的权利，每一申请的全部内容通过引用集成于此。
技术领域
本发明涉及用于使用接收信号强度指示与信号传播时间来精确地确定移动无线设备在网络(特别是ad-hoc无线移动通信网络)中的位置的系统与方法。特别地，本发明涉及在实际应用(例如火灾与营救场景)中实施这样的系统与方法，以快速地、精确地确定需要帮助的消防员所在的楼层号。
背景技术
无线通信网络，例如移动无线电话网络，在上一十年中已变得越来越流行。这些无线通信网络一般称为“蜂窝网络”，因为网络基础架构被安排为将服务区划分为多个称为“小区”的区域。陆地蜂窝网络包括多个互连的基站，即基节点，其在地理上分布于遍及服务区的指定位置。每一基节点包括一或多个收发器，其能够向和从位于覆盖区之内的移动用户节点(例如无线电话)发送和接收电磁信号(例如射频(RF)通信信号)。通信信号包括，比如说，话音数据，其遵照合意的调制技术进行调制并作为数据分组发送。如本领域技术人员能够意识到的那样，网络节点以复用格式发送和接收数据分组通信，例如时分多址(TDMA)格式、码分多址(CDMA)格式、或频分多址(FDMA)格式，其允许基节点处的单个收发器同时与其覆盖域内的多个移动节点通信。
近年来，称为“ad-hoc多跳”(ad-hoc multi-hopping)网络的一种类型的移动通信网络得到发展。在此类型的网络中，每一移动节点能够作为其它移动节点的路由器操作，提供基站的大多数功能，从而以非常低的成本扩展覆盖区。ad-hoc网络的细节阐明在Mayor的美国专利No.5,943,322中，其全部内容通过引用集成于此。
更复杂的ad-hoc网络也得到开发，除了允许移动节点像在传统ad-hoc网络中那样彼此通信之外，其进一步允许移动节点接入固定网络，从而与其它固定或移动节点(例如公共交换电话网(PSTN)上、以及例如因特网等其它网络上者)通信。这些先进类型的ad-hoc多跳网络的细节描述在序列号为09/897,790、题为“Ad Hoc Peer-to-PeerMobile Radio Access System Interfaced to the PSTN and CellularNetworks”、提交于2001年6月29日的美国专利申请中，序列号为09/815,157、题为“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日的美国专利申请中，以及序列号为09/815,164、题为“Prioritized-Routing for an Ad-Hoc，Peer-to-Peer，Mobile Radio AccessSystem”、提交于2001年3月22日的美国专利申请中，每一申请的全部内容通过引用集成于此。
在传统的无线通信网络中，或者在ad-hoc无线通信网络中，可能需要或想要移动节点能够知晓或确定相对或绝对地理位置或地点。如本领域技术人员所知的那样，这可通过使用若干技术来实现。这些技术要求小区标识，连同往返时间(RTT)、定时提前(TA)与测量的信号水平(RX水平)、到达时差(TDOA)与到达角度(AOA)技术，其细节可由本领域技术人员理解。另一可用的技术使用基于蜂窝信号定时的方法来用于码分多址(CDMA)和宽带码分多址(WCDMA)。还有一技术使用全球定位系统(GPS)技术，其一般被视为比所列的所有其它方法更精确。
尽管GPS技术已使用了相当的时间，并且大部分世界的导航依赖于它，GPS技术在某些特定条件中易于发生大的测量误差。仅在进行相对大数量的、涉及大数量的卫星的测量以去除传播与方法误差之后，它才能提供具有非常高的精确度的位置确定结果。GPS的缺点的描述阐明在数学及其应用研究所(IMA)的题为“MathematicalChallenges in Global Positioning Systems(GPS)”的文档中，其全部内容通过引用集成于此。特定其它测试也说明GPS技术不适宜于基于陆地的、操作于可见卫星数目过小儿不足以提供好的精确度的环境以及地下通道、建筑物内部、茂盛的植被下或者城市“峡谷”中的网络。
为克服上面的确定位置信息的问题，正在开发新技术，其不要求使用卫星或集中式计算设备来确定位置信息。用于计算移动终端在ad-hoc多跳网络中的位置的新技术的进一步的细节描述在题为“Systemand Method for Computing the Location of a Mobile Terminal in aWireless Communications Network”的美国专利No.6,728,545中，其全部内容通过引用集成于此。另外，可利用非固定的、即可移动的基础架构组件来开发ad-hoc网络。使用可移动接入点与转发器来优化覆盖与容量限制的网络的进一步细节描述在序列号为09/929,030、题为“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日的美国专利申请中，其全部内容通过引用集成于此。
上面讨论的专利与专利申请一般涉及连接到永久固定网络的移动网络，其中位置信息表示为绝对位置。然而，如可从上面引用的专利申请看出来的那样，临时的ad-hoc多跳网络不一定具有同样的要求。因此，存在对便携的、易于部署的、自包含的ad-hoc多跳网络系统的需要，其中想要相对位置检测，例如操作在紧急状况中的人员的位置至关重要的场合。相对位置可作为绝对地理位置的补充或替代来提供，并且应该易于在这样的位置中典型地存在的各种传输障碍之间通信。
因此，存在对改善的系统与方法的需要，其用于容易地确定和传输部署的无线通信网络中的移动节点的绝对和/或相对位置。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种系统与方法，其用于部署无线设备的网络，特别是移动无线ad-hoc peer-to-peer网络，其在三维部署结构(例如建筑物)之内，包括移动终端、无线路由器以及至少一个控制器，使得可实现通信、标识与位置计算，而无论建筑物结构。
本发明的另一目的是在实际应用(例如火灾与营救场景)中实施这样的系统，以快速地、精确地确定需要帮助的消防员所在的楼层号。
这些以及其它目的基本上通过提供一种无线ad-hoc peer-to-peer对等通信网络来实现，该网络具有多个移动终端、多个移动路由器、以及至少一个控制控制台终端。移动终端作为标准装备的一部分发给消防员。无线路由器预先作为安全程序的一部分(例如连接到每一层上的“出口”标志)或者在紧急事件期间到达建筑物后立即以基本上竖直的方式部署在感兴趣的建筑物的楼梯与电梯轴中。这里描述的遵照本发明的实施例的系统与方法使用移动终端与无线路由器之间的飞行时间(TOF)与接收信号强度指示(RSSI)，以确定消防员所在的楼层并追踪消防员的运动。在使用从所有路由器接收的RSSI与TOF值以评估楼层号之前对其进行过滤。尽管RSSI与TOF数据不一定显示到消防员的正确距离，考虑到最近的路由器应同时提供最小的TOF与最佳的RSSI，可比较过滤的数据，以寻找消防员所在的最可能的楼层。
附图说明
根据下面的具体实施方式，与所附绘图联系起来阅读，本发明的这些与其它目标、优点与新特性将更容易理解，其中：
图1是其中部署了遵照本发明的实施例的系统的无线路由器的建筑物的概念图；
图2是阐释图1中所示的系统中部署的无线路由器的组件的示例的框图；
图3是阐释可由图1中所示的建筑物中的消防员使用的移动终端的组件的示例的框图；
图4是显示初始化操作的示例的流程图，其被执行以确定图1中所示的系统中的移动终端的位置，其遵照本发明的实施例；
图5是显示数据采集操作的示例的流程图，其被执行以确定图1中所示的系统中的移动终端的位置，其遵照本发明的实施例；
图6是显示楼层号计算操作的示例的流程图，其被执行以确定图1中所示的系统中的移动终端的位置，其遵照本发明的实施例；
图7是显示楼层评分操作的示例的流程图，其被执行以确定图1中所示的系统中的移动终端的位置，其遵照本发明的实施例；和
图8-19阐释由事故指挥控制台(ICC)生成的显示屏幕的示例，其基于遵照图1-7中所阐释的本发明的实施例来确定的消防员的位置。
具体实施方式
如上面所标注的那样，出于许多原因，工作在紧急状况中的人员的位置是非常重要的。已有这样的案例，其中，人员(例如消防员)在烟中迷路而弄不清楚他们自己或其他人在当前楼层或他们工作过的先前楼层上的真实位置。下面描述的系统与方法作为一个实施例呈现，其被配置以确保消防员的安全。在本发明的又一实施例中，系统与方法可被配置以支持任何数目的其它紧急状况或特殊部队部署的活动。
这里描述的遵照本发明的实施例的事故与人员管理系统被设计为提供追踪事故区域(例如燃烧的建筑物)之内的紧急人员的方法。人员位置按建筑物楼层和/或扇区(sector)区域报告。此系统也提供对实时人员位置信息与警报状态指示符的访问。系统管理的辅助人员数据包括单位号、姓名、任务、与射频的属性。
通过使用MEATM无线技术，使得此类型的系统成为可能。此技术采用多个无线收发器，例如MeshNetworksTM WMC6300无线收发器，以及无线ad-hoc可扩展路由技术。此示例中的收发器利用调制解调器，例如MeshNetworksTM QDMA调制解调器，来便利鲁棒的空中下载(over-the-air)数据传输，甚至在恶劣的RF环境中。此收发器连接到MeshNetworksTM可扩展路由(MSR)协议与地理位置解决方案，允许用户立即部署密集的、可扩展的、ad-hoc多跳网络，而没有单点故障。总之，系统包括ad-hoc无线多跳网络通信结构，其能够承载话音、视频与数据，并进一步能够计算驻留于网络边界之内的特定组件的相对位置。此系统的ad-hoc特点是使得此系统易于部署，并能够在所有网络节点之间提供完全的连接性，以确保关键信息向事故指挥控制台的及时递送(甚至在糟糕的或持续变化的物理状况下)的多个属性之一。
如下面更详细地描述的那样，除其它东西之外，系统进一步包括MEATM事故指挥控制台(ICC)、多个楼层指示路由器(FIR)、以及至少一个MeshTrackerTM(MT)设备。MEATM事故指挥控制台包括基于Windows的PC，其集成触摸屏显示器，从而提供简单的用户界面。事故管理应用在此PC上执行，并经由MEATM无线网卡连接到MEATM网络结构。命令控制台完全是独立自给的，并意欲由管理事故场景的人员(例如快速干涉队(RIC)的领导)监控。事故管理应用意欲提供实时人员位置与标识信息的图形表示。特别地，由事故指挥控制台报告的数据包括事故区之内所有人员的位置；单位号、姓名、射频的分配；最近的FIR(典型地为入口/出口点)和到每一个人的距离；(经由队长/班长)按班表示或单个地表示人员的能力；每一个人的告警状态以及与个人失去网络通信或与FIR失去通信。
楼层指示路由器(FIR)是小型便携设备，其使用FCC/UL认证的MEATM无线收发器卡，如上面所讨论的那样。这些设备作为环绕事故区的静态参考点部署。这些设备典型地由现场(on-site)人员(例如RIC)在到达事故现场后部署。FIR在楼梯井之内和靠近电梯轴按列部署，即，处于入口与出口点。可按需要部署多个FIR列，以增加无线覆盖区和系统的可靠性。在此示例中的FIR设备是便携的，重量小于12盎司，并具有5小时电池寿命。设备操作在第二ISM频带(2.40-2.48GHZ范围)，并具有+25dbm的发射功率。
MeshTrackerTM(MT)设备在形状因素上类似于FIR，但其意欲作为由现场(on-scene)人士携带的移动设备(即，移动终端)部署，以用于位置追踪与责任(accountability)。MeshTracker利用MEATM位置技术来计算事故现场之内的相对位置，其通过与已部署在事故区之内的FIR设备的无线交互来实现，如下面详细地描述的那样。MT利用部署的FIR与其它MT作为ad-hoc无线通信结构来将至关重要的信息中继到命令控制台。
如上面讨论的那样，作为此系统中的主干网与数据递送机制的基础技术是MEATM，其为MeshNetworksTM的ad-hoc多跳网络解决方案，其允许使用简单的部署指导快速地进行部署，而没有关键的依赖。使用两种方法之一来部署网络，即，可将网络基础架构组件(FIR)作为建筑物管理与安全系统的一部分预先部署(例如，连接到每一楼层上的“出口”标志)，或者可在事故发生时部署。无论何时部署网络，部署指导是相同的，如现在将讨论的那样。
首先，建立命令站(post)，其为部署命令站和经由事故指挥控制台(ICC)管理事故的位置。此位置应允许到事故区之内的至少两个FIR的无线连接性。命令控制台与FIR网络之间的连接性可在几百英尺到几千英尺的范围内获得。
在入口与出口点(典型地接近或在楼梯井和/或电梯轴之内)之外按列部署FIR。将FIR放置在这样的楼层与区域之上及周围，其资源将受到追踪，其典型地为防火层(fire floor)与集结地。每一FIR逻辑地联系到楼层与列。事故指挥者可经由GUI将每一FIR的楼层与列信息预先装载到指挥控制台或者实时配置。尽管系统可在仅部署一个FIR列时提供位置信息，部署较大数目的FIR列改善了位置精确度，增加了监控的区域并确保了任一设备因热或落下的残骸而损失的情形下所需的冗余。在典型的高层结构中，单个FIR列将典型地提供大约每楼层200,000平方英尺的覆盖，或提供250英尺的覆盖半径，同时在超过95％的情形中提供精确的位置。覆盖区域的大小与定位的位置的精确度受到每一楼层上使用的分隔方法与材料的强烈影响。在部署FIR的网络之后，事故区之内的使用MeshTrackerTM的人员的位置更新自动地报告给事故指挥控制台。
图1是阐释建筑物100的概念性框图，建筑物100具有楼梯102与电梯轴104，其中已经以上面描述的方式部署了FIR 106。图1中的图例指示消防员108、位置参考FIR106、数据链路、与事故指挥者(调度者)110(上面描述的事故指挥控制台(ICC)111即位于此处)的符号。除提供位置参考之外，FIR 106确保楼层之内与之间的网络连接性。如果事故指挥者的位置离事故区过远，必须部署补充的无线路由器(此图中未显示)，以将所有无线组件连接到一个网络。因为它们提供双特性，FIR常常被称作无线路由器(WR)。
图2是阐释FIR 106中的组件的示例的框图。如所指示的那样，每一FIR 106包括至少一个调制解调器112与控制器114，控制器114用于控制调制解调器112的接收与发送操作，以及到和从存储器的数据存储与获取。此示例中的调制解调器112为MeshNetworksTM QDMA调制解调器，其采用MeshNetworksTM WMC6300无线收发器。FIR 106操作为ad-hoc无线通信网络中的无线节点，如比如说上面引用的专利申请中所描述的那样。每一FIR 106，或选择的FIR 106，包括传感器，例如热传感器、CO传感器等等，以向指挥控制台提供属于FIR 106所部署的环境的信息。相应地，可建议消防员避免由于(比如说)特别热而为FIR 106的传感器指示为特别危险的区域，或者特别小心这些区域。
图3是阐释MeshTrackerTM移动终端(MT)116的示例的框图，该终端可发给每一消防员108，使得每一消防员108可使用其移动终端116来与该移动终端116的广播范围之内的其它消防员108通信，并且使得可追踪所有消防员的运动，如下面更详细地讨论的那样。移动终端116可包括带麦克风与耳机的头上设备(headset)，以确保无手操作。还可包括数字罗盘以提供方向，而运动传感器可报告该消防员是否变成一动不动。可将所有这些设备连接到电池，该电池为典型的操作者装备的一部分。
可将移动终端116的麦克风与耳机连接到小型收发机，该收发机具有三个主要组件，包括调制解调器118、控制器120与话音处理器122。作为程序代码与操作参数而存储在控制器存储器中的软件控制移动终端的所有组件的活动。
调制解调器118使用发送器与接收器提供与网络的其它组件的无线通信。通过在组织为一组寄存器的存储器中存储适当的数据与代码，来控制发送器与接收器的操作。接收器与发送器使用存储器寄存器来提供关于调制解调器状态与执行的函数的结果的反馈。控制器120经由存储器总线连接到调制解调器118。控制器120包括CPU与存储器，该存储器用于存储数据与控制调制解调器功能的程序的代码。这通过经由存储器总线在调制解调器寄存器中写数据，以及读调制解调器寄存器以寻找调制解调器状态，来控制调制解调器118活动。此示例中的调制解调器118为MeshNetworksTM QDMA调制解调器，其采用MeshNetworksTM WMC6300无线收发器。移动终端116操作为ad-hoc无线通信网络中的移动无线节点，如比如说上面引用的专利申请中所描述的那样。
另外，移动终端116的话音处理器122连接到控制器120，并包括至少两个独立组件，即，编码器与解码器。编码器将麦克风接收的声音转换为数字串，而解码器将数字串转换回声音，该声音被送到扬声器或耳机。在图3中所示的实施例中，话音处理器122进一步包括经由存储器总线接入控制器存储器。另外，还可将数字罗盘集成到头上设备，当适当地安置时，其指示操作者的头的方向，从而使得有可能使用相对于操作者的当前位置的角度来标识方向(即“2点钟方向，二十英尺”)。还可将运动传感器(未显示)集成到收发器。其可自动地报告消防员在某时间段内是否没有运动。还可集成按钮，其效果与运动传感器一样。如果需要帮助，消防员可按下该按钮。按下按钮的动作发送给收发器软件，其为主控制(比如说，ICC 111)生成一组数据消息。当接收这些消息时，主控制警告事故指挥者，指示哪一消防员需要帮助及其当前位置。
现在将描述上面描述的系统在紧急场景中操作的示例。
快速干涉队(RIC)与每一救火行动相联系。当消防员与火势搏斗时，RIC队准备待命，以防某人需要解救。如果任一消防员或组在接到呼叫时不回应，或其请求帮助，RIC进入行动并进行解救行动。首先，他们必须确定要解救的消防员此刻的位置，然后解救他们。目前实施的流程要求RIC首先前往需要帮助的消防员最近的已知位置，从此处开始搜索。当火灾发生在多层建筑物中时，成功的一个重要元素是快速地确定搜寻应开始的正确楼层的能力。
如建筑物建造中已知的那样，现代多层建筑物具有钢加强的混凝土楼层，而老的建筑物可能具有由另一材料(例如木头)制成的楼层。当无线电波穿越混凝土时无线能量的吸收较高，而当穿越木板时没有那么高。结果，在具有混凝土楼层的建筑物中，无线电波可能仅穿透少数楼层，而在具有木头楼层的建筑物中，有可能穿透许多楼层。
如上面简要地讨论的那样，图1显示正在进行的解救行动，其中RIC人员在楼梯井102(右)与电梯104(左)上前进。依据形势，RIC可使用楼梯与电梯进入建筑物的许多楼层。如所指示的那样，在每一楼层在楼梯井102中与电梯轴104旁放置无线楼层指示路由器(FIR)106。因为信号在穿越楼层与墙壁时释放能量，FIR 106可能不能够与不在与FIR 106相同的楼层上的消防员通信。
当RIC首先抵达火灾现场时，RIC解救队在每一楼层部署一路由器，其允许RIC在宣布紧急情况的时刻之后的仅仅几秒钟之内找到特定消防员所在的楼层号。所有FIR 106必须尽可能按竖直线安置，这可通过将路由器放置在具有木头楼层的建筑物中的楼梯井的同一角落，或者将路由器悬挂在具有金属或混凝土楼层的建筑物中的楼梯扶手上来实现。在具有一或多个电梯轴的较高建筑物中，可在电梯上升时从电梯部署FIR 106。换言之，当电梯在每一楼层停留时，可将FIR 106靠近电梯门部署，以确保所有FIR 106位于尽可能笔直的竖直线上。
如现在将讨论的那样，使用飞行时间(TOF)与接收信号强度指示(RSSI)数据来找到楼层号，其遵照本发明的实施例。
无线信号在建筑物内的传播受到大量反射的影响，使得几乎不可能确定无线FIR 106与使用MT的消防员之间的正确距离。当无线电波穿过楼层与墙壁时，无线信号在建筑物内的传播也受到高能量吸收的影响。吸收水平取决于障碍的厚度与成分。以钢加强的混凝土墙壁与楼层具有升高的吸收水平，而木头或干燥的墙壁对无线电波能量具有较小的效果。因为介质不是同质的，基于RSSI来计算消防员与无线路由器之间的准确距离是几乎不可能的。
这里描述的遵照本发明的实施例的系统与方法使用TOF与RSSI两者来确定消防员所在的楼层。在使用从所有路由器接收的RSSI与TOF值以评估楼层号之前对其进行过滤。尽管RSSI与TOF数据不一定显示到消防员的正确距离，可比较过滤的数据，以寻找同时向目标移动设备提供最小TOF与最佳RSSI的FIR所在的楼层。
图4-7中阐明的流程图中显示的操作提供一种技术，其用于向每一楼层设置分数并选择具有最高分数的楼层。同一技术被用于遵照TOF与RSSI数据来设置分数。换言之，该技术首先查找TOF值(或RSSI绝对值)除以在移动终端116与FIR 106之间进行的测量的次数的最小值，移动终端116可接收这些FIR 106的信号。给出加权TOF的最小值的FIR 106代表MT 116最有可能在的楼层，将其分数设置为最大值。通过从余下的楼层中再次寻找TOF除以测量次数的最小值，找出次可能的楼层。应用此方法，直到业已搜寻所有楼层并向每一楼层赋予分数。如果在两个楼层上找到的搜寻值几乎相等(比如说，这些值彼此的差异在5％以内)，将两个楼层的分数设为相等。在基于RSSI与TOF计算每一楼层的分数之后，通过将RSSI与TOF分数两者相加计算总分数。将匹配最大分数的楼层提名为消防员所在的楼层。
图4-7中显示的楼层确定算法实时地工作。如上面所讨论的那样，每一消防员具有用户设备(例如，MT 116)作为其装备的一部分。事故指挥者(比如说，资深火灾队长或长官)具有电脑，例如上面描述的MEATM事故指挥控制台111，其连续地显示每一消防员的位置，例如比如说图8-19中所示的那样。
注意到，每一MT 116与所有其能够通信的无线路由器(即，FIR106)交换范围消息。当MT 116确定在其广播范围之内的FIR 106的列表时，MT 116向事故指挥控制台(ICC)111发送信息(例如，数据分组)，包括FIR 106的列表、到每一(列表中的FIR 106)的TOF与从传播范围之内的每一FIR 106接收的信号的RSSI。ICC 111可位于上面讨论的命令控制台110中。ICC 111通过ad-hoc网络的多跳能力从FIR 106与MT 116接收数据，进行楼层号的计算并显示每一消防员所在的楼层号。GUI输出的实时过程要求三个不同的组件：初始化；数据采集，以及GUI更新的计算。
当开始ICC 111时，运行初始化操作。图4中显示了初始化操作的一个示例。
作为初始化的一部分，在步骤1000中建立建筑物100中的楼层数(nFloors)与楼梯井数(nStairs)，以及不与楼层号的计算严格相关、这里未呈现的其它信息。在步骤1010、1020、1030与1040中，变量Count、TOF、RSSI与FIRID的值均被抹去(即，被设置为零，但FIRID被设置为空，因为它是文本变量)。初始化过程在步骤1050退出。
当MT 116具有可用数据时，其将数据分组转发到ICC 111。因此，当接收数据时，激活图5中显示的数据采集任务。ICC GUI必须周期性地更新，以保持向IC通知行动的进展。因此，由周期性的定时器激活GUI更新，在GUI更新之前必须计算楼层号。应用程序维持其自己的数据结构。对于nFloors行中的每一行以及nStairs中的每一列，此数据结构具有四个分量。
现在将简要地描述图4-7中表示的变量与数组。
FIRID(其表示FIR标识)是每一FIR 106的标识符的数组。每一FIR标识与部署该FIR的楼层号相关联。这意味着部署在同一楼层上的所有FIR位于矩阵的同一行上，无论楼层上的位置为何。由于MT116可能因无线能量吸收而不能够与同一楼层上的所有FIR通信，FIRID表中的某些位置可能保持为未使用的。当消防员在建筑物内运动时，将新的FIR标识符添加到表中，但不移除旧的FIR标识符。
Count矩阵包含SD为每一FIR报告的范围消息的数目的计数。
RSSI与TOF表具有与FIRID相同的结构。它们包含为每一FIR记录的RSSI与TOF的过滤的值。
图5中的流程图显示数据采集函数。函数名为NewData，其在步骤1100，每次从MT接收新的一组数据时，被激活开始。NewData函数具有4个参数，其为FIR，代表FIR的标识，数据即从该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的绝对值；和FLOOR，代表部署FIR的楼层号。
数据采集函数在FIRID表的FLOOR行中找到FIR标识的位置。如果它是新标识，如步骤1110中所确定的那样，在步骤1120中，将该新FIR标识添加到表的第一个空位置。FIRj是FIR标识在FLOOR行上的列，如步骤1130中所指示的那样。
一开始使用大小为Count的可变大小的窗来过滤TOF与RSSI值，如步骤1140与1150中所指示的那样。当MT与FIR之间交换的消息数目变得大于预先确定的值MAX_IT时，过滤器变为无限输入过滤器，其速率为1/(MAX_IT+1)。通过由步骤1160与1170限制Count表的值变得大于MAX_IT来实现此效果，如所指示的那样。
流程图的步骤1180确保算法“忘记”太久以前采集的数据。需要这样的“忘记”是因为消防员可能从一个FIR离开，而接近另一FIR，导致TOF与RSSI的采集值随着消防员的新位置相应地变化。依据FORGET因子的值，算法较快或较慢地忘记，该值总是为零与1之间的数。如果其为零，算法不记得任何东西。如果因子为一，算法记得所有东西。对于此应用，最通常的值为.99或.999，这取决于从FIR采集数据的频率。其后，在步骤1190，数据采集过程结束。
图6中的流程图显示函数GetFloorNumber，其用于计算消防员的楼层号。在步骤1200，函数开始，并使用两个本地整数数组，其元素与楼层数nFloors一样多。函数两次调用GetScore函数，以在步骤1210中计算RSSIscore，而在步骤1220中计算TOFscore。与每一独立标准相比，合并的分数提供最可能楼层的更精确的估计。先前的测量显示，由于建筑物之内的反射，TOF受误差的影响达30米之多。考虑到楼层之间的距离在3到6米之间，30米的误差意味着楼层号估计中的误差在5到10层楼之间。RSSI显示MT从FIR接收的信号的强度。所有FIR以同样的功率发送，但由于每一楼层的分隔不同，以及楼层的吸收非常不同于墙壁的吸收这一事实，每一信号的路径长度是不同的。进一步地，MT与其通信的FIR之间的墙壁的数目取决于每一楼层分隔方法；因此，不同FIR是不同的。为此原因，RSSI信息本身不能用于找到楼层号。相应地，算法为每一楼层计算分数，其后选择使用两个标准提供了最高的和分数(additive score)的楼层。测试显示结果相当精确。流程图的步骤1230基于最大的分数找到楼层号，该分数通过为每一楼层将RSSIscore与TOFscore相加来计算。在步骤1240中，过程结束。
图7阐释GetScore函数的流程图的示例。此函数由上面在图6中讨论的步骤1210与1220调用，参数为RSSI与RSSIscore，其后参数为TOF与TOFscore。函数遵照每一标准计算每一楼层的分数。
在步骤1300中开始之后，在步骤1310中，函数通过将所有Score值设为零来开始，其后，在步骤1320中，将Data(RSSI或TOF)的拷贝放入临时存储temp中。在步骤1330中，还初始化lastVal与Level。Level变量的值是不重要的，但对于RSSI与TOF两者而言必须相同。
函数具有循环，其确定在哪一楼层上标准(RSSI或TOF)具有最佳值。一旦在步骤1340中找到该楼层，忽略同一楼层的所有其它数据，确定下一楼层。只要还剩有需要确定的楼层，如在步骤1350中所确定的那样，函数继续。然而，如果不剩这样的楼层，在步骤1360中，函数退出。
在算法执行期间，在步骤1370中，temp的内容被摧毁。为此原因，在步骤1320中，将Data的内容拷贝到temp中。
如果两个楼层的值相差小于值的5％，其接收同样的Score，这通过为Level变量保留同样的值(来实现)，如步骤1380、1390与1400中所指示的那样。如果值不同，每一楼层的分数也不同，这是因为在步骤1420中，Level的值随每一找到的楼层而减小。在步骤1410中，lastVal显示minVal(该标准的最小值)的前一值。如果为每一楼层找到最小值，并遵照将这些最小值排序的结果设置分数，可获得相同的结果。
如上面陈述的那样，图8-19阐释由ICC生成的显示屏幕的示例，其基于以上面讨论的方式确定的消防员的位置。例如，图8阐释消防员进入建筑物之前的初始显示窗口，而图9阐释这样的初始显示窗口，其“Legend Tab”(图例)展开，以显示可在显示窗口上显示的代表不同类型的人员与状况的符号。图10阐释在每一楼层上部署FIR的建筑物的四层楼的显示，而图11阐释这样的符号(队长的条)，其指示部队指挥官已进入staging floor，即底层，或者用欧洲的楼层编号传统来说是建筑物的“0层”。图12阐释一个云梯单位已进入建筑物的2层，而图13阐释2层上该云梯单位的三个人员的细节(即，一个队长与两个消防员)。图14显示层2的展开的显示视图。图15显示2层上的告警状况，而图16阐释该告警已被确认。图17阐释所选的人员(在此示例中，队长)的细节，以及从队长到最近的FIR 106的距离。在此示例中，队长距标定为“A”的FIR 106为2.9英尺。图18阐释当FIR(在此情形中，标定为2C的FIR)失去信号时的显示的示例，这意味着它可能已被损坏或摧毁。图19阐释多层显示以及每一楼层上的人员的示例。自然地，可修改系统以便以任一想要的格式显示信息。
在上面描述的本发明的实施例中，系统与方法提供移动网络成员的精确位置并允许在行动中涉及的团队的成员之间进行话音交换。尽管上面仅详细描述了本发明的若干示例性实施例，本领域技术人员将容易理解，可对示例性实施例进行许多种修改，而不在本质上偏离本发明的新颖的教导与优点。相应地，所有这样的修改均被意欲包括在本发明的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于监控三维多层结构中的运动的系统，其包括：
多个移动无线远程终端，其被适配以在无线ad-hoc多跳与对等通信网络中通信；和
多个无线路由器，其可部署在所述三维区域中，并被适配以在所述无线ad-hoc多跳与对等通信网络中通信；
所述移动无线远程终端中的每一个被适配以与其广播范围之内的所述路由器中的任一个交换信号，并且，基于这些信号，被适配以确定其在所述三维结构中的位置。
2.如权利要求1所述的系统，其中：
所述每一移动无线远程终端使用飞行时间(TOF)数据与接收信号强度指示(RSSI)数据来确定其在所述三维结构中的位置，上述数据属于从其广播范围之内的所述路由器中的所述任一个接收的信号。
3.如权利要求2所述的系统，其中：
所述三维结构是建筑物，而所述路由器部署在所述建筑物的各个楼层上；和
所述每一移动无线远程终端基于属于上述信号的所述TOF数据与RSSI数据，向每一楼层分配相应的分数，并基于所述分数，将其位置确定为其所在的楼层。
4.如权利要求3所述的系统，其中：
所述每一移动终端将其所在的楼层确定为具有最低分数的楼层。
5.如权利要求2所述的系统，其中：
所述每一移动无线远程终端使用属于在接近其基于所述TOF数据与所述RSSI数据确定其位置的时间的特定时间之内从所述路由器接收的信号的TOF数据与RSSI数据，而不使用属于在所述特定时间之前接收的信号的TOF数据与RSSI数据。
6.如权利要求1所述的系统，其进一步包括：
控制控制台，其被适配以从所述移动终端接收属于其各自的确定的位置的信息，并生成显示，以图解说明所述移动终端在所述三维区域中的位置。
7.如权利要求6所述的系统，其中：
所述三维区域是建筑物，而所述路由器部署在所述建筑物的各个楼层上；和
所述控制控制台被适配以生成所述显示，图解说明所述移动终端在所述建筑物的所述楼层上的位置。
8.如权利要求6所述的系统，其中：
所述每一移动终端包括各自的运动传感器，且所述每一移动终端将从其各自的运动传感器接收的数据发送到所述控制控制台；和
如果从与特定移动终端相关联的运动传感器接收的所述数据指示该移动终端在特定时间段内尚未移动的话，所述控制控制台被适配以生成告警状况，其标识该移动终端。
9.如权利要求6所述的系统，其中：
所述每一移动终端包括发送器，其被适配以向所述控制控制台发送话音与视频数据中的至少一个。
10.一种用于监控三维多层结构中的运动的方法，其包括：
在所述三维结构中部署多个移动无线远程终端，所述移动无线远程终端中的每一个被适配以在无线ad-hoc对等通信网络中通信；
在所述三维结构中部署多个无线路由器，所述无线路由器中的每一个被适配以在所述无线ad-hoc对等通信网络中通信；
控制所述移动无线远程终端中的每一个来与其广播范围之内的所述路由器中的任一个交换信号，并且，基于这些信号，确定其在所述三维结构中的位置。
11.如权利要求10所述的方法，其中：
所述每一移动无线远程终端使用飞行时间(TOF)数据与接收信号强度指示(RSSI)数据以确定其在所述三维结构中的位置，上述数据属于从其广播范围之内的所述路由器中的所述任一个接收的所述信号。
12.如权利要求11所述的方法，其中：
所述三维结构是建筑物，而所述路由器部署步骤将所述路由器部署在所述建筑物的各个楼层上；和
所述控制步骤包括控制所述每一移动无线远程终端，以基于属于所述信号的所述TOF数据与RSSI数据，向每一楼层分配相应的分数，并基于所述分数，将其位置确定为其所在的楼层。
13.如权利要求12所述的方法，其中：
所述每一移动终端将其所在的所述楼层确定为具有最低分数的楼层。
14.如权利要求11所述的方法，其中：
所述控制步骤包括控制所述每一移动无线远程终端，以使用属于在接近其基于所述TOF数据与所述RSSI数据确定其位置的时间的特定时间之内从所述路由器接收的信号的TOF数据与RSSI数据，而不使用属于在所述特定时间之前接收的信号的TOF数据与RSSI数据。
15.如权利要求10所述的方法，其进一步包括：
部署控制控制台，其被适配以从所述移动终端接收属于其各自的确定的位置的信息，并生成显示，其图解说明所述移动终端在所述三维区域中的位置。
16.如权利要求15所述的方法，其中：
所述三维区域是建筑物，而所述路由器部署在所述建筑物的各个楼层上；和
所述控制控制台被适配以生成所述显示，其图解说明所述移动终端在所述建筑物的所述楼层上的位置。
17.如权利要求15所述的方法，其中：
所述每一移动终端包括各自的运动传感器，且所述每一移动终端将从其各自的运动传感器接收的数据发送到所述控制控制台；和
如果从与特定移动终端相关联的运动传感器接收的所述数据指示该移动终端在特定时间段内尚未运动的话，所述控制控制台被适配以生成告警状况，其标识该移动终端。
18.如权利要求15所述的方法，其中：
所述每一移动终端包括发送器，其被适配以向所述控制控制台发送话音与视频数据中的至少一个。
19.如权利要求10所述的方法，其中：
所述路由器部署步骤在所述三维结构中部署所述路由器是在在所述三维结构中部署所述移动终端之前。
20.如权利要求10所述的方法，其中：
所述路由器部署步骤在所述三维结构中部署所述路由器与在所述三维结构中部署所述移动终端同时。
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