阅读说明：本技术 具有网格基础设施以减少功耗的位置确定系统 (Position determination system with grid infrastructure to reduce power consumption ) 是由 W·E·布杰 E·巴卡 于 2018-12-27 设计创作，主要内容包括：本公开内容涉及一种位置确定系统,包括声学发送设备(104)、位置标签(112)和无线网格网络(106),其中无线网格网络使用电池供电的设备。位置标签接收来自声学发送设备的声学信号(例如超声信号)。通过观察时钟配对将来自无线网格网络的各个成员的时钟同步,每一个时钟对由发送消息的发送设备和接收消息的接收设备中的对应时钟形成。通过分析所观察到的时钟配对,可以确定时钟配对之间的最佳拟合。在选择了参考时钟之后,声学发送调度表可以被传播到对应的声学发送设备。(The present disclosure relates to a location determination system including an acoustic transmitting device (104), a location tag (112), and a wireless mesh network (106), wherein the wireless mesh network uses battery-powered devices. The location tag receives an acoustic signal (e.g., an ultrasonic signal) from an acoustic transmitting device. Clocks from respective members of the wireless mesh network are synchronized by observing clock pairs, each formed by a corresponding clock in a sending device that sends a message and a receiving device that receives the message. By analyzing the observed clock pairings, a best fit between the clock pairings can be determined. After the reference clock is selected, the acoustic transmission schedule may be propagated to the corresponding acoustic transmission device.)

具有网格基础设施以减少功耗的位置确定系统

技术领域

本公开内容总体上涉及实时位置系统，更具体来说涉及确定物体或人在实时位置系统内的位置。

背景技术

现今的企业和组织在跟踪重要资源在建筑物或校园环境中的位置方面面临共同的挑战。这样的资源包括关键人员、关键装备、重要记录或者其他有用的设备。这些资源常常根据组织需要在一天当中改变位置，并且定位这些重要资源可能证明是困难并且耗时的。为了避免在人工定位这些资源方面投入时间和精力的固有生产力损失，希望开发一种实时跟踪、归类并且报告这些重要资源的位置的方法。

发明内容

在本公开内容的实施例中，描述了一种无线网格网络，其包括多个位置标签以及能够发送和接收多个时间配对的发送设备，其中时间配对是第一设备的第一本地时钟与第二设备的第二本地时钟之间的配对。无线网格网络中的多个时间配对令人满意地确定无线网格网络中的每一个位置标签和声学发送设备与合成参考时钟的相对时钟漂移。将用于每一个设备的相对时钟漂移与合成参考时钟进行比较，并且用来实现设备之间的时间协调事件。

在本公开内容的另一个实施例中，公开了一种计算机实施的系统，其包括被配置为形成无线网络的多个位置标签和发送设备，所述无线网络被配置为无线发送多个时间配对，其中时间配对是第一设备的本地时钟和第二设备的第二时钟的组合存储。所述计算机实施的系统还包括声学发送设备，其被配置为接收多个时间配对并且把多个时间配对发送到中央服务器。所述计算机实施的系统还包括中央服务器，其被配置为接收多个时间配对并且合成可以将每一个设备时钟与之比较的参考时钟。

在本公开内容的另一个实施例中，公开了用于利用无线网格网络的一种计算机实施的方法，包括由第一设备存储第一本地时钟时间。所述计算机实施的方法还包括由第一设备从无线网格网络中的第二设备接收第二本地时钟时间。所述计算机实施的方法还包括发送第一本地时钟时间与第二本地时钟时间之间的时间配对，其中时间差被用来对于每一个设备令人满意地确定与参考时钟的相对时钟漂移，并且相对时钟漂移被用来实现所述多个设备和发送设备之间的时间协调事件。

附图说明

被合并在本文中并且构成说明书一部分的附图用来说明本公开内容的实施例，并且连同描述部分一起进一步解释本公开内容的原理，并且使得相关领域技术人员能够制作和使用所述实施例。

图1示出了根据本公开内容的示例性实施例的实时位置系统的透视表示。

图2示出了根据本公开内容的示例性实施例的使用在实时位置系统中的示例性网格基础设施系统的方块图。

图3示出了根据本公开内容的示例性实施例的一种基于分析所观测到的时钟配对生成声学发送调度表来为实时位置系统提供同步声学发送的方法。

图4示出了根据本公开内容的示例性方面的示例性计算系统。

下面将参照附图来描述本公开内容。在附图中，相同的附图标记表明完全相同或功能上类似的单元。此外，附图标记的最左侧数位标识该附图标记首次出现在其中的附图。

具体实施方式

后面的具体实施方式部分参照附图来说明与本公开内容一致的示例性实施例。在具体实施方式部分中提到“一个示例性实施例”、“某个示例性实施例”、“示例性实施例的一个实例”等等时表明所描述的示例性实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是不一定每一个示例性实施例都包括所述特定的特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定都指代相同的示例性实施例。此外，当本公开内容结合某个示例性实施例来描述特定的特征、结构或特性时，相关领域技术人员将知道如何与其他示例性实施例相结合来实施这样的特征、结构或特性，而不管其是否被明确地描述。

本文中所描述的示例性实施例提供说明性实例而非作出限制。其他的示例性实施例也是可能的，并且在本公开内容的精神和范围内可以对示例性实施例作出修改。因此，具体实施方式部分不限制本公开内容。相反，只有所附权利要求及其等效表述才限定本公开内容的范围。

可以使用硬件(例如电路)、固件、软件或者其任意组合来实现实施例。实施例还可以被实施为存储在机器可读介质上并且由一个或多个处理器读取和执行的指令。机器可读介质包括用于以机器(例如计算设备)可读的形式存储或发送信息的任何机制。例如在一些实施例中，机器可读介质包括只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；磁盘存储介质；光学存储介质；闪存设备；电气、光学、声学或其他形式的传播信号(例如载波、红外信号、数字信号等等)等等。此外，固件、软件、例程、指令在本文中可能被描述为实施特定动作。但是应当认识到，这样的描述仅仅是为了方便起见，并且所述动作可以从执行固件、软件、例程和/或指令的计算设备、处理器、控制器或其他设备得到。

任何时候提到术语“模块”时应当被理解成包括软件、固件和硬件(比如一个或多个电路、微芯片或设备或者其任意组合)的至少其中之一以及其任意组合。此外，相关领域技术人员将会理解，每一个模块可以包括实际设备内的一个或多于一个组件，并且构成所描述的模块的一部分的每一个组件可以与构成该模块的一部分的任何其他组件协作运作或者独立运作。反之，本文中所描述的多个模块可以表示实际设备内的单个组件。此外，一个模块内的各个组件可以处于单个设备中，或者通过有线或无线方式分布在多个设备当中。

后面关于示例性实施例的详细描述将完全揭示出本公开内容的性质，从而使得其他人通过应用相关领域技术人员的知识可以很容易针对各种应用修改和/或定制这样的示例性实施例，而无需进行多余的实验并且不会背离本公开内容的精神和范围。因此，基于本文中所给出的教导和引导，这样的修改落在示例性实施例的含义和多种等效方案之内。这里的措辞或术语是用于描述而非限制的目的，因此本说明书的术语或措辞应当由相关领域技术人员根据本文中的教导来解释。

本公开内容提供一种跟踪物体和人的准确位置信息的实时位置系统。取决于可用的系统基础设施，实时位置系统以不同等级的准确性进行操作。在一些实施例中，位置信息的房间等级的准确性就足够了。在一些实施例中，系统实时提供关于人或装备的三维位置信息。实时位置系统可以包括附着到环境中的内部表面的声学发送设备以及附着到可移动的物体或人的位置标签的网络。位置标签接收来自声学发送设备的信号，以便确定环境内的描述性位置信息或三维位置坐标。声学(例如超声)非常适用于这一目的，因为它比无线电波行进得更慢并且通常不会被人类注意到。声波还会更加快速地衰减并且不太可能穿过墙壁，从而使得房间之间的信号干扰最小化。如果声学发送设备的位置是已知的，则位置标签的位置处于其信号已被接收到的特定声学发送设备的位置附近。举例来说，如果特定的声学发送设备被安装在关闭的房间内，并且位置标签接收到来自该特定声学发送设备的声学信号，则位置标签位于该关闭的房间内。当测量如在本文中所描述的声学发送设备与位置标签之间所存在的相对较短距离时，声学信号也更容易处理。

本公开内容的系统和方法可以被使用在多种应用中，其中例如包括位置跟踪、工作流程、移动装备跟踪、安全及合规、移动装备管理、职员位置确定或者其他适当的应用。一个示例性的使用领域是在健康护理行业内。在一个实施例中，医院实施本公开内容的实时位置跟踪系统以便提供患者跟踪、患者流程、资产管理、环境监测等等。

实时位置系统的实施需要遍布希望为之进行位置确定的环境安装若干声学发送设备。这些声学发送设备提供由位置标签接收的必要ID消息发送，其随后被用来提供位置标签的位置确定。此外，这些声学发送设备需要被时间同步并且需要被配置(例如超声发送的周期、固件升级等等)。在示例性实施例中，时间同步和配置管理由中央服务器实施。举例来说，中央服务器将保持参考时钟，声学发送设备的内部时钟被同步到参考时钟。类似地，需要对这些声学发送设备的配置进行例行更新，并且通常通过中央服务器来提供。中央服务器仅仅是示例性的，任何替代的集中式实体都可以被用来支持集中式功能。

为了支持同步和配置管理，可以使用若干中间节点(例如网关)来实现用以支持声学发送设备与中央服务器之间的通信的必要通信路径。使用RF或其他通信链接，声学发送设备与位置标签之间的各种通信消息被转发到网关，所述网关提供覆盖对应的声学发送设备和位置标签的足迹。这些通信消息又被转发到中央服务器。用于网关与中央服务器之间的通信通路的典型安排是星形拓扑。在星形拓扑中，每一个网关通过点对点连接而连接到中央服务器。这样的拓扑提供了许多好处，比如添加(或减去)附加网关的简便性。在典型的星形拓扑实现方式中，所述点对点连接可以是以太网连接，并且各个单独的网关可以由分别连接到主电源的电源来供电。还可以使用以太网供电方法来供应电力。但是以太网连接和电源安排都需要到每一个网关的大量电缆铺设，因此这构成了使用星形拓扑连接方法的一个缺点。

然而，所需的电缆铺设构成了特有的挑战。在利用星形网络拓扑的情况下安装所需的网关和其他基础设施时，成本是一个因素。具体来说，对网关进行电缆铺设的成本是很高的。举例来说，在示例性的实时位置系统中，安装300个网关可能需要大约两到三千美元的成本来提供每一个所需的电力接头(power drop)，因此需要一百万美元以上的成本来提供必要的安装。这样的安装可能仅仅在几年内保持良好，几年后占地空间的翻新需要重新部署网关以及后续进一步的大量金钱开销。此外，网关设备当中的功耗也可能变得过高。

因此，需要以更低的基础设施需求提供位置标签在环境中的准确位置信息的实时位置系统，例如需要一种减少与支持声学发送设备和位置标签的连接的基础设施网络相关联的电缆铺设和其他成本的方法。本文中所描述的方法减少了功耗并且大大降低了安装成本，从而使得实时位置系统更易于部署、可扩展并且高效。

本文中所描述的方法的实施例依赖于电池供电的声学发送设备，并且采用无线方法从各个声学发送设备连接到中央服务器。无线连接受限于能够可靠地接收无线传输的物理足迹。鉴于希望为之获得实时位置的示例性环境(例如医院)的大小，星形拓扑中的点对点无线连接是不可行的。替换的方法可以使用网格网络连接方法，其中一个末端节点(即声学发送设备)与相邻节点之间的每一个连接可以通过无线连接来实现。总而言之，具有其中电池供电的基础设施自组织成网格网络的系统在减少功耗和安装成本方面是特别有利的。通过对于位置标签和声学发送设备与中央服务器之间的通信使用自组织网格网络，使得不再需要中间的网关，或者大大减少了对于此类中间网关的需求。网格网络中的通信通路被用来在整个实时位置系统中时间同步若干发送窗口(例如期间由声学发送设备向位置标签进行声学发送的时间窗口，期间在相邻的声学发送设备之间进行RF发送的时间窗口)。通过在无线网格网络的所有成员当中时间同步到参考时钟(可以位于中央服务器中)，允许位置标签和声学发送设备仅对于期间实际发生发送的时间子间隔才利用电力。此外，时间同步还允许在发送设备与位置标签之间交换的声学信号的行程时间估计(TOF)。TOF数据随后可以被用来估计用于位置标签和发射器设备的方位数据。

网格网络在节点(例如网关)能够持续获得电力的情况下工作得最好，因此将可靠地把消息从末端节点传递回到服务器。相比之下，网格网络对于通过电池供电的中间节点可靠地把消息从末端节点传递回到服务器的回传目的则是不可靠的。具体来说，进入睡眠模式的电池供电节点是困难的中间节点，这是因为其睡眠周期可能未被协调来提供将关键信息回传到服务器的可靠手段。当消息包含被用来提供同步睡眠调度表的信息时，电池供电节点是特别脆弱的，其中电池供电节点将依照所述同步睡眠调度表被唤醒以便可靠地转发从中导出同步调度表的消息。因此，虽然电池供电节点的显而易见的好处在于这样的节点的构建成本大大低于等效的恒定供电节点，但是在回传链路中使用这样的电池供电节点的定时消息的设计则不是直接明了的。本文中所描述的方法的实施例正是考虑到这些挑战而开发的。

实时位置系统

已经使用多种无线协议开发出实时位置系统，其中最知名的系统可能就是全球定位系统(GPS)。虽然这样的位置系统提供近似8米数量级的水平位置准确性，但是这些系统并没有解决所有的位置跟踪情形。举例来说，许多情形要求小于0.3米的位置准确性。其他情形则要求在高层建筑中的楼层之间作出区分的能力。还有其他情形则要求情境位置信息，比如办公楼中的基于房间的信息。

本公开内容的实施例提供了针对这些增强的位置需求的解决方案。通过从可以被固定到建筑物的墙壁或天花板的声学发送设备发送声学信号，声学信号可以被用来确定附着到人或物体的位置标签的位置。在一个示例性实施例中，可以在三维中确定位置标签的位置。在另一个示例性实施例中，声学信号包括被指派给其对应的声学发送设备的标识符(包括已编码标识符)。位置标签检测或解码声学信号中的标识信息。如果声学发送设备的位置是已知的，则位置标签的位置处于其信号被接收到的特定声学发送设备的位置附近。举例来说，如果特定的声学发送设备被安装在关闭的房间内，并且位置标签接收到来自该特定声学发送设备的声学信号，则位置标签位于该关闭的房间内。因此，如果每一个声学发送设备发射独有的标识信号并且每一个声学发送设备的位置是已知的，则当位置标签接收到来自特定声学发送设备的声学信号及其相关联的身份时可以确定位置标签的位置。

类似地，如果位置标签接收到来自两个单独可识别的声学发送设备当中的每一个的声学信号，则位置标签位于全部两个单独可识别的声学发送设备的附近。举例来说，如果两个单独可识别的声学发送设备被放置在走廊的两个相对末端处，则位于走廊中的位置标签将可能接收到来自两个单独可识别的声学发送设备的信号，并且位置标签的位置将被建立。在其他实施例中，可以建立位置标签的更加精确的位置。举例来说，使用标准几何计算，声学信号在位置标签处的到达时间可以被用来找到位置标签在环境中的位置。

在一个实施例中，声学信号还可以包括与声学发送设备附近的环境相关联的数据，比如声学发送设备驻留在其中的一个或多个房间、空间、结构、建筑物、区块等等。更具体来说，这样的环境数据可以包括与环境相关联的具体细节。举例来说，环境数据可以表明声学发送设备位于其中的对应房间、建筑物、校园、区域等等。环境数据还可以包括表明声学发送设备位于其中的环境的组织、配置或分级结构的数据。举例来说，这样的环境数据可以包括表明特定房间与特定建筑物之间的关系(例如房间在建筑物内的位置)的数据。

环境数据还可以包括与环境相关联的规格数据。举例来说，规格数据可以包括发送设备位于其中的房间内的一个或多个反射表面(例如墙壁、天花板、地板、物体、家具等等)的规格。规格数据还可以包括表明反射表面的法线方向的数据。环境数据还可以包括表明这样的反射表面的声学衰减的数据。环境数据还可以包括表明声学发送设备在特定房间、建筑物、区域等等内的相对位置的数据。更具体来说，这样的环境数据可以包括发送设备位于其上的表面(例如房间的墙壁、地板、天花板等等)的标识符，以及/或者表明发送设备关于该表明的位置和/或指向的数据。环境数据还可以包括表明环境内的声速、温度、压力、湿度等等的氛围数据。在某些实施例中，由于环境数据会随着时间改变，因此环境数据频繁地更新以便反映出当前的环境条件。

实时位置系统的声学发送设备可以被配置为周期性地发送将由位于发送设备的广播范围内的位置标签接收的声学信号(或者其他适当的信号，比如射频信号)。在一些实现方式中，声学信号可以是具有大约20kHz或更高频率的超声信号。在本公开内容的一个特定实施例中，声学信号可以是具有大约20kHz频率的超声信号。在本公开内容的另一个特定实施例中，声学信号可以是具有大约40kHz频率的超声信号。本文中关于数值所使用的术语“大约”指的是该数值的30％之内。

通过这种方式，声学发送设备的广播范围内的位置标签拾取声学信号。声学信号可以是从声学发送设备直接传播到位置标签的信号(在本文中被称作“直接信号”)，以及/或者由一个或多个反射表面反射的信号(在本文中被称作“反射信号”)。反射表面可以充当能够反射声学信号(存在一定衰减)的声波镜，并且可以包括位于环境内的墙壁、天花板、地板、家具、物体等等。可以至少部分地基于接收自声学发送设备的声学信号来确定位置标签的精确位置。在一些实现方式中，可以提供情境或描述性位置信息，例如办公楼中的房间号和楼层数。

在前面描述的位置确定系统中，为了最小化功耗并且减少基础设施需求，在声学发送设备和位置标签当中保持时间同步是至关重要的。此外，时间同步还允许在发送设备与位置标签之间交换的声学信号的行程时间估计(TOF)。TOF数据随后可以被用来估计用于位置标签和发射器设备的方位数据。在一个实施例中，通过在协调的时间子间隔内侦听由声学发送设备发送的声学信号，位置标签和与其相关联的声学发送设备保持时间同步。但是在一个替换实施例中，位置标签可以通过向中央服务器发送探测请求来获得类似的信息，中央服务器用关于身份、配置和时钟值的信息作出应答。

在一个实施例中，通过把位置标签和声学发送设备安排成自组织、自确定的无线网格网络提供了进一步的优点。在位置标签与无线接入单元进行通信的情况下，必须安装附加的基础设施以便添加无线接入单元并且为之提供足够的电力。这样的基础设施可以包括网关、电力接头、集线器、布线、蓝牙信标、天线等等。单元对单元通信允许所需的信息从位置标签和声学发送设备传播，而不需要在环境中安装任何附加的基础设施。以这种方式，通过在本地同步时间，或者在中央观察者处同步时间，时间同步系统可以独立于现有的网关来运作。一些实施例通过经由网格网络本身把所计算出的(关于参考时钟的)时间偏移量和漂移返回给成员，从而提供同步信息。

无线网格网络是自组织的，这是因为位置标签在没有任何集中式协调的情况下接收和发送包含关于本地时钟时间的信息的分组。无线网格网络的成员在传输范围内相邻，并且向邻居发送时间戳对和本地时间戳。时间戳对由本地时钟时间和邻居的本地时钟时间构成。本地时间戳是关于相对于网格网络的任何其他成员进行比较或区分之前的网格网络成员的时间。最终，这些时间戳对到达中央服务器，中央服务器使用本领域技术人员将理解的已知统计方法对于所有位置标签和发射器设备计算时钟偏移量和漂移。

设备时钟跟踪

在一个示例性的无线网格网络中，无线节点包括一个或多个位置发射器。该示例性网格网络连接到为实时位置系统提供各种集中式功能的服务器。网格网络中的节点被遍布放置在环境中，从而使得网络中的每一个节点的无线覆盖足迹与至少一个其他节点的无线覆盖足迹重叠。重叠的无线足迹确保从网格网络中的任何一个网络节点到任何其他网络节点都有网络连接，更具体来说是在任何一个网络节点回到与网络耦合的服务器之间都有网络连接。在某些实施例中，无线网格网络通过网关与服务器连接。在其他实施例中，无线网格网络可以直接连接到服务器。在这些实施例中，服务器具有作为无线网格网络内的节点的内部无线收发器。在另外的实施例中，环境(例如建筑物)可以被划分成两个或更多分开的集群。所谓“分开”意味着一个集群的声学足迹与另一个集群的声学足迹不重叠。在这些实施例中，一个集群中的所有单元将彼此同步，来自这一个集群的单元与来自另一个集群的单元则不同步。单个服务器可以实施分析以便支持与每一个集群的单元同步。

一个示例性无线网格网络中的每一个节点可以包含用于提供无线发送和接收功能的无线电模块。无线电模块包括锁定到晶体振荡器以便提供稳定的时间参考的定时器。该定时器可以被称作设备时钟。在一个示例性实施例中，晶体振荡器可以具有32kHz的频率，并且具有10ppm(百万分率)精度。32kHz频率仅仅是示例性的，而不是作出限制。对于32kHz的频率，每一个时钟节拍将是近似0.03毫秒。对于定时器的输出使用24比特字和32kHz的标称频率，定时器字值将近似每10分钟回绕(即重复)。定时器重置导致字值被重置到初始的起点，例如0。对于示例性的10ppm精度，定时器将在100秒的持续时间内累计近似1毫秒的误差。由于实时位置系统的声学(例如超声)发送调度表要求实时位置系统中的设备时钟(设备定时器)之间的同步，因此这样的同步要求对于每一个设备定时器提供持续进行的补偿，以便补偿设备时钟漂移和时钟偏移量(例如设备重置)。

在一个实施例中，针对设备时钟漂移和时钟偏移量的补偿可以从时间戳配对导出。当消息从一个设备(D1)无线广播并且由第二设备(D2)接收到时导致配对。当设备D1广播消息时，这样的消息可以包括来自始发设备D1的时钟的时间戳。当接收到消息时，来自接收设备D2的时钟的时间戳可以被添加到消息中。因此，对于每一则接收到的消息观察到一对时钟时间戳，即来自广播设备的一个时间戳和来自接收设备的一个时间戳。因此，对于这些时钟时间戳对的观察提供了基于这些对观察来同步这两个设备的手段。虽然存在由于被用来提供时间戳的设备中断所导致的抖动以及由于RF发送和代码执行的时间所导致的延迟，但是其效应可以被补偿。举例来说，可以很容易解决恒定的延迟。类似地，通过统计方法可以补偿抖动。可以在其中观察到这样的时间戳的消息发送系统的一个实例是Snobee数据请求广播消息发送协议。

所观察到的时间戳配对最终到达与无线网格网络耦合的服务器。在一个实例中，当消息由设备D1广播并且由D2接收到时，导致时间戳配对(D1，D2)。设备D3也处于设备D1的广播范围内，因此由设备D3接收到设备D1所广播的相同消息导致另一个时间戳配对(D1，D3)。在从D2广播到D3的另一则消息中，可以观察到另一个时间戳配对(D2，D3)。凭借这些消息传播到服务器，服务器能够接收到对于彼此通信的各对相邻节点的时间戳配对的许多观察。具体来说，在一段时间内，服务器将接收到对于相同的(D1，D2)时间戳配对的多次观察。随后可以由服务器对这些多次观察进行分析，以便识别设备D1和D2中的对应定时器的关系。在一项示例性分析中，设备D1和D2中的对应定时器的关系可以通过线性拟合来表示，其中线性拟合的斜率表示设备D1和D2中的对应定时器的相对漂移。类似地，线性拟合关系中的常量表示设备D1和D2中的对应定时器中的偏移量。

线性拟合处理通常是迭代处理，其中迭代的次数可能是可配置的数字。对于任何迭代处理，常常会标识出失败条件，从而当线性拟合处理失败时发起重置或其他处理。举例来说，以下情况当中的一项或多项可以导致失败确定：(1)在可配置的迭代次数内(例如10次迭代)没有确定解；(2)线性拟合缓冲区中的剩余有效点的数目低于可配置的有效点数目(例如5个)；或者(3)每个有效剩余数据点的平均残差超出可配置的阈值。失败将导致确定设备时钟对尚未被“锁定”，也就是说设备时钟对被解锁。当数据点的数目不足或者线性拟合的质量较差时，对可以被解锁。在这样的解锁情形中，当某个设备或网关重置时服务器被通知，并且立即解锁涉及该设备或网关的跟踪对并且清空相关联的拟合缓冲区。

每一个设备对可以接收关于其状态的确定，即解锁或锁定。为了便于管理设备时钟配对，服务器可以把所观察到的设备配对保持在捕获用于每一个独有配对的相关数据的结构中。因为出于分析和跟踪的目的，配对(D1，D2)和(D2，D1)是相同的，因此对于两个配对可以使用相同的结构。

声学(超声)调度表

实时位置系统中的时间同步的目的是例如确保为实时位置系统中的每一个位置发射器提供用于发送声学(例如超声)消息的调度表，从而使得(至少一个集群内的)所有位置发射器都在相同的时间进行发送。举例来说，对于每秒发送一则声学消息的调度表，希望网格网络中的每一个位置发射器(即节点)与其他位置发射器在相同的时间发送其特定的声学消息。通过确保所有位置发射器都在相同的时间进行发送，(接收声学消息的)位置标签的设计被大大简化。此外，通过这样的同步(同时)声学消息广播，位置标签的电池使用时间也被大大延长。为了确保这样的同步，需要为每一个设备提供个体化的调度表，其中这样的调度表按照该设备的本地时钟值来使用值。在网络中的各个设备对的锁定和网络中的参考时钟的选择完成之后，服务器把这样的个体化调度表提供给网格网络中的各个位置发射器。

在发生了足够数目的对锁定之后，服务器可以选择参考时钟。通过参考时钟来设定用于每一个设备的声学(超声)调度表，并且根据用于特定设备的本地时钟来计算声学调度表。声学调度表包含关于本地设备节点的偏移量和周期。参考时钟对于所有位置发射器设定声学调度表的周期。可以基于比如处于网格网络的物理中部之类的因素来选择参考时钟，从而使得从参考时钟到位置发射器的路径长度被最小化。如果参考时钟变得不可用，则服务器可以挑选网格网络中的另一个参考时钟。选择另一个参考时钟的一种方法是在改变到新的参考时钟的略微不同的周期的同时尝试保留偏移量。选择另一个参考时钟的另一种方法是使用位于所有设备都被同步到的服务器处的合成时钟。

服务器持续监测观察时钟对，并且更新观察时钟对之间的拟合。用于设备节点的更新后的调度表按照需要被转发到设备节点。为了节省资源，更新可以被限制到每五分钟一次以便节省资源。五分钟仅仅是示例性的，并且是可配置的。虽然更新之间的长得多的持续时间也可以是可能的，但是可能要求更新之间的更短的持续时间，以便迅速地应对参考时钟的丢失。

可以通过识别经过网格网络到位置发射器的最优路由来实现声学调度表到其对应设备节点的传播。路由常常需要关于网格网络中的各个节点之间的可用连接路径的图形理解。最优路由可以基于沿着去到位置发射器的各种可能的连接路径的无线信号的强度。基于参考时钟与感兴趣的位置发射器的时钟之间的所确定的通路，可以通过沿着所确定的通路的每一个设备对的线性组合来确定声学调度表，从而形成参考时钟与位置发射器时钟之间的所期望的映射。

图1是位置确定系统100的透视表示。位置确定系统100可以是环境中的确定可移动的物体或人的位置的实时位置系统。被放置在环境102内的位置确定系统100可以包括一个或多个声学发送设备104、网格网络106、远程处理服务器108、已调声学信号110以及一个或多个位置标签112。

这些组件协作来为位置确定系统100提供估计环境102内的每一个位置标签112的位置的能力。在某些实施例中，位置信息可以是三维位置信息。在典型的实施例中，位置确定系统100包括遍布建筑物或一系列房间安装的声学发送设备104的多于一个事例，以及附着到或者合并到人、机器、动物、车辆、机器人、存货、装备或其他物体之中/之上的位置标签112的多于一个事例。环境102可以由建筑物中的房间构成，比如医院中的病房、办公楼中的办公室或者仓库中的储存空间。可以存在环境102的多于一个事例，并且包括声学发送设备104和网格网络106的多于一个事例。当环境102的几个事例服务于一个位置、建筑物或建筑群时，环境102的这些事例可以被合并到各个集群、群组或管理实体中。在一个替换实施例中，环境102包括单个房间。

声学发送设备104包括用以发送已调声学信号110的声学设备(比如超声测深仪)和处理逻辑。由声学发送设备104发送的已调声学信号110传达对于声学发送设备104的特定事例所独有的标识符。在一个实施例中，声学发送设备104把标识符调制/编码在具有例如大约20kHz、40kHz的超声频率或者任何其他适当的超声频率的超声载波上。正如前面所描述的那样，位置确定系统100可以包括声学发送设备104的多于一个事例，并且每一个声学发送设备104可以被配置为发送包含对于声学发送设备104的该事例所独有的标识符的已调声学信号110。此外，在一些实施例中，位置确定系统100包括遍布环境102的多个事例的声学发送设备104的多于一个事例。

位置标签112包括能够接收来自声学发送设备104的已调声学信号110的麦克风，并且还可以包括用以对任何所接收到的已调声学信号110进行采样、解码、检测和处理的处理单元。位置标签112驻留在环境102内部，并且通常不会被放置在紧邻墙壁或天花板处。位置标签112可以是便携式设备，并且可以附着到人或装备上。在一些实施例中，位置标签112是例如蜂窝电话、声学换能器、超声换能器、声学标签、超声标签之类的设备以及/或者任何其他适当的设备。

在一些实施例中，位置标签112不使用其自身的处理单元来实施处理(或者不具有其自身的处理单元)，而是通过使用一个或多个适当的通信信道(例如声学、超声或射频)把相关数据发送到远程处理服务器108来把处理卸载到例如远程处理服务器108之类的远程计算机。位置标签112和/或声学发送设备104包括有线或无线发射器，比如无线电发射器，以用于发送与实时位置确定相关的信息。在一些实施例中，位置标签112通过射频、局域网(LAN)、广域网(WAN)或者其他通信网络或协议与远程处理服务器108进行通信。

网格网络106对其成员进行自组织，以便提供经过网络从末端节点到中央服务器108或者到中央服务器108之前的网关的通信通路。网格网络106的成员包括两个或更多声学发送设备104。末端节点包括声学发送设备104和/或位置标签112。通信通路支持载送时间时钟信息的消息传送和/或信令，以便支持实时位置设备到参考时钟的时间同步。包含网格网络106的成员之间的定时信息的通信经过网格网络106传播。在一个实施例中，定时信息包括时间戳对，其中每一个时间戳对是关于在通信中所涉及的两个设备当中的每一个的相对时钟信息的指示。消息或其他信号捕获用于所涉及的两个设备的该时间戳对信息，并且把该信息经由网格网络106转发到中央服务器108。通过捕获用于网格网络中的两个相邻设备当中的每一个的时间戳对信息并且把该信息转发到中央服务器108，可以确定用于网格网络的所有成员的相对时间配对。基于这些相对时间配对(即偏移量)以及使用中央服务器108中的合成参考时钟，可以实现网格网络的所有成员的时间同步。用于相同的设备的时间戳对可以随着时间被确定并且被转发到中央服务器108。这些时间戳对构成统计意义数据样本，以便对于网格网络106的成员从中确定随着时间的相对时钟偏移量和漂移。

远程处理服务器108(例如中央服务器)由处理实时位置数据的一个或多个服务器构成，实时位置数据例如由位置标签和声学发送设备的身份、声学发送设备的位置、RF接入点等等构成。远程处理服务器108采用标准通信模块(例如RF连线)对传入信号进行侦听、处理和响应。远程处理服务器108包括用以实施运算和计算的处理，以及用以把信号发送回到网格网络106和声学发送设备104的射频模块。在一个替换实施例中，远程处理服务器108经由LAN、WAN或者其他无线/有线通信网络与声学发送设备104和网格网络106进行通信。

远程处理服务器108包括数据库，所述数据库存储关于声学发送设备104和位置标签112的信息并且实时跟踪位置。在一个实施例中，所述数据库可以是任何可以买到的数据库管理系统，比如Microsoft Access、Microsoft SQL服务器、Oracle数据库、IBM数据库等等。数据库保持经由传统联网基础设施，比如路由器、交换机、集线器、防火墙等等去到处理元件的通信连接。在一个实施例中，数据库可以位于一个计算机工作站中。远程处理服务器108实施集中式存储区域网络、网络附属存储、独立盘冗余阵列以及/或者任何其他存储设备配置，以便提供足够用来对全部位置信息进行归档的存储容量。充足的存储替换地存在于任何其他物理附着磁性存储、云存储或者任何附加的存储介质中。在一个实施例中，远程处理服务器108部署常用的硬盘接口，比如ATA、SATA、SCSI、SAS和/或光纤，以用于与存储介质进行接口。

在一个实施例中，远程处理服务器108接收来自无线网格网络106的多个时间配对。远程处理服务器108实施计算并且采用统计模型对于网格网络106的所有成员确定与参考时钟的相对时钟偏移量和漂移。远程处理服务器108随后把时钟偏移量信息经过网格网络106发送回到每一个成员。在另一个实施例中，远程处理服务器108利用现有的无线或有线基础设施把时钟特性或导出的调度表返回到位置确定系统100的所有成员。

已调声学信号110包括在环境102内传播的发送自声学发送设备104的信号的集合。在一个实施例中，已调声学信号110落在超声范围内，即20kHz直到10MHz及以上。具体的实施例包括20kHz和40kHz处的已调声学信号。位置确定系统100对已调声学信号110进行调制、编码、识别和检测/解码，以便在各个信号之前进行区分并且确定位置。

已调声学信号110可以包括描述声学信号的特性的数据，例如包括声压水平、信号编码类型、信号标识、信号法向、信号空间分布、信号周期以及/或者其他适当的数据。已调声学信号110还可以包括与位置确定系统100所覆盖的环境相关联的数据。这样的环境数据可以包括环境的布局或组织分级结构，声学发送设备104位于其中的环境(例如房间、区域、空间、区块、建筑物等等)内的位置的标识数据，环境内(例如声学发送设备104位于其中的房间、区域、区块等等内)的一个或多个反射表面(例如墙壁、天花板、地板、物体等等)的规格规范，表明声学发送设备104在环境内的相对位置的数据，比如声学发送设备104位于其上的表面的标识符以及/或者声学发送设备104关于该表面的位置和/或指向。环境数据还可以包括表明环境内的声速、温度、压力、湿度等等的氛围数据。在某些实施例中，由于环境数据会随着时间改变，因此环境数据可以被频繁地更新以便反映出当前的环境条件。

已调声学信号110包括代码标识符。在一个实施例中，网格网络106接收已调声学信号110，并且利用所接收到的代码标识符来确定发送了这些已调声学信号110的声学发送设备104的事例的身份。在一个替换实施例中，网格网络106把代码序列经由无线网络连接、局域网(LAN)、广域网(WAN)或者其他通信网络或协议转发到远程处理服务器108。在该实施例中，远程处理服务器108实施处理并且确定声学发送设备104的标识符。

通过网格网络协调时间

网络设备之间的时间同步可以利用标准星形/树形网络拓扑而发生。但是正如前面所提到的那样，这样的方法存在对于中间网关的昂贵的附加基础设施需求，例如当操作在标准星形/树形网络拓扑中时为了促进通信通路而必须安装的昂贵的电力接头、集线器和路由器。

在本公开内容的实施例中，描述了一种避免了这些附加的基础设施需求的网格网络基础设施系统。利用自组织和自定义的网格网络允许声学发送设备104以及一个或多个位置标签同步到参考时钟。通过自组织成网格网络并且在网格成员到中央服务器之间传递时间配对，系统可以在统计上对于网格网络中的每一个特定成员确定时间偏移量和时间漂移。随后，利用这些特定于设备的定时特性，总体系统把传输协调到特定的子间隔以便节省电力资源。

图2描绘出根据本公开内容的实施例的网格网络200。在图1中被描绘成网格网络106的网格网络200由网格成员202构成，其在图2中被描述成网格成员202-A、网格成员202-B、网格成员202-C等等。网格成员可以是声学发送设备104或位置标签112。利用网格网络方法，可以实现从一个网格网络成员到来自第一网格网络成员的物理无线通信足迹内的任何其他网格网络成员的通信。网格网络200中的相邻节点商定期间交换消息/信号的唤醒会面时间窗口。所交换的消息/信号包括定时信息，比如指示在特定通信中所涉及的两个设备当中的每一个的相对时钟信息的时间戳对。一些实施例可以在相对较慢的调度表上交换包括定时信息的消息/信号，例如每分钟一次。

网格网络200可以使用适合于网络通信的任何物理层方法。举例来说，可以使用当操作在从2.4GHz到2.5GHz的射频范围内时具有30到50米的物理足迹的低功率无线电网格网络(例如Zigbee)来实施网格网络200。其他替换的频率包括其他工业、科学和医疗(ISM)频带，比如433MHz、868MHz和915MHz频带。Zigbee网格网络是网格网络的一个非限制性实例。此外，本文中所描述的方法的实施例对消息/信号在穿越网格网络200时所进行的“跳跃”的次数不作限制。但是随着消息/信号在传播经过网格网络200时所遇到的“跳跃”次数的增加，存在消息丢失。网格网络200不仅可以提供自组织网格网络，而且在一个实施例中还可以确定使得消息或信号从一个网络节点穿越到网格网络200中的另一个网络节点的最小路径。对于实时位置系统100，网格网络200不需要满足任何严格的传输层要求。举例来说，当消息/信号传播经过网格网络200时所招致的等待时间的数量对于在实时位置系统100中使用网格网络200并不是关键因素。

图3示出了根据本公开内容的实施例的一种利用网格网络通信把一个或多个网格节点成员202(即声学发送设备104和位置标签112)与参考时钟同步的方法的流程图。网格同步方法300由以下步骤构成：接收所观察到的时钟对步骤301，对于所观察到的时钟对的分析步骤302，选择参考时钟步骤303，以及传播声学调度表步骤304。

在接收所观察到的时钟对步骤301中，中央服务器108从网格网络106接收一定数目的所观察到的时钟对。网格网络是自组织和自配置的，网格网络106的每一个成员的目标是连接以便接收和发送来自和去到落在传输范围内的网格网络106的所有其他成员的通信。在一个实施例中，这些通信通过标准无线协议(例如Bluetooth、WLAN、Zigbee等等)发生。当消息被从网格网络中的一个节点无线广播并且由网格网络中的第二节点接收时，导致时钟配对。当一个节点广播消息时，这样的消息可以包括来自始发节点的时钟的时间戳。当接收到消息时，来自接收节点的时钟的时间戳可以被添加到消息中。因此，对于每一则接收到的消息观察到一对时钟时间戳，即来自广播设备的一个时间戳和来自接收节点的一个时间戳。因此，配对是一对两个时间戳，其中由在原始通信中所涉及的两个对应设备的每一个时钟提供一个时间戳。举例来说，网格成员202-A可以与网格成员202-B通信，从而通过把来自网格成员202-A的时间戳与来自网格成员202-B的时间戳相关联而形成一对。

在对于所观察到的时钟对的分析步骤302中，网格同步方法300确定对于导致行经网格网络106的定时消息的始发的两个设备当中的每一个之间的时间配对的最佳拟合。正如前面所提到的那样，配对是一对两个时间戳，其中由在原始通信中所涉及的两个对应设备的每一个时钟提供一个时间戳。举例来说，网格成员202-A可以与网格成员202-B通信，从而通过把来自网格成员202-A的时间戳与来自网格成员202-B的时间戳相关联而形成一对。举例来说，在一段时间内，中央服务器108将接收到对于相同的时间戳配对的多次观察。随后可以由服务器对这些多次观察进行分析，以便识别出对应网格成员中的对应定时器的关系。在一项示例性分析中，对应网格成员中的对应定时器的关系可以通过线性拟合来表示，其中线性拟合的斜率表示网格成员中的对应定时器的相对漂移。类似地，线性拟合关系中的常量表示网格成员中的对应定时器中的偏移量。

在选择参考时钟步骤303中，网格同步方法300对各个网格成员进行检查以便选择参考时钟。在一种方法中，可以基于其在环境102中部的位置来选择参考时钟，以便减小从参考时钟到位置发射器的路径长度。

在传播声学调度表步骤304中，发送调度表被传播到网格成员202-A。在一种方法中，所发送的声学(超声)调度表包括针对网格成员202-A所确定的时间偏移量和漂移，从而使其声学发送与实时位置系统100中的所有其他设备同步。举例来说，时间偏移量24被传达到网格成员202-A。当接收到该通信时，网格成员202-A知道其时钟比参考时钟提前24个时钟周期，并且相应地调节其用于发送和接收的时间窗口。

图4描绘出可以被用来实施本公开内容的方法和系统的示例性实时位置系统400。在一些实现方式中，实时位置系统400是被配置为确定人和物体的位置的实时位置系统。可以使用客户端-服务器架构来实施实时位置系统400，包括与一个或多个远程计算设备(比如远程处理服务器108)通信的网格网络106。可以使用其他适当的架构来实施实时位置系统400。

如图所示，实时位置系统400可以包括网格网络106、声学发送设备104和位置标签112。在一个实施例中，位置标签112是任何适当类型的移动计算设备，比如智能电话、平板设备、蜂窝电话、可穿戴计算设备或者任何其他适当的移动计算设备。在一些实现方式中，位置标签112是使用在实时位置系统中的专用标签(例如无源或有源)或其他设备。位置标签112可以包括一个或多个处理器402以及一个或多个存储器设备404。

一个或多个处理器402可以包括任何适当的处理设备，比如微处理器、微控制器、集成电路、逻辑设备、一个或多个中央处理单元(CPU)、专用于高效地渲染图像或实施其他专门计算的图形处理单元(GPU)以及/或者其他处理设备，比如芯片上系统(SoC)或具有集成RF收发器的SoC。一个或多个存储器设备404可以包括一个或多个计算机可读介质，其中包括而不限于非瞬时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪存或者其他存储器设备。

一个或多个存储器设备404可以存储可由一个或多个处理器402访问的信息，包括由一个或多个处理器402执行的指令406。举例来说，一个或多个存储器设备404可以存储用于实施一个或多个模块的指令406，所述模块被配置为实施声学发送设备104、网格网络成员202-A、远程处理服务器108，以及/或者其他适当的指令。

声学发送设备104、网格成员202-A、位置标签112和远程处理服务器108当中的每一个可以包括被利用来提供所期望的功能的计算机逻辑。因此，声学发送设备104、位置标签202-A、远程处理服务器108当中的每一个可以用硬件、专用电路、固件和/或控制通用处理器的软件来实施。在一个实施例中，声学发送设备104、网格成员202-A、位置标签112和远程处理服务器108当中的每一个是被存储在存储设备上、加载到存储器中并且由处理器执行或者是从计算机程序产品提供的程序代码文件，例如存储在RAM、硬盘或者光学或磁性介质之类的有形计算机可读存储介质中的计算机可执行指令。声学发送设备104、网格成员202-A、位置标签112和远程处理服务器108可以分别对应于一个或多个不同的程序、文件、电路或指令集。同样地，声学发送设备104、网格成员202-A、位置标签112和远程处理服务器108的两个或更多事例可以被组合到单个程序、文件、电路或指令集中。

指令406还可以包括用于实施浏览器、用于运行专门的应用或者用于在位置标签112上实施其他功能的指令。举例来说，可以使用专门的应用通过网络420与远程处理服务器108交换数据。指令406可以包括用于提供和实施本公开内容的各个方面的客户端设备可读代码。举例来说，指令406可以包括用于实施与位置确定系统100相关联的应用或者在位置标签112上实施资产跟踪或其他服务的第三方应用的指令。

位置标签112还可以包括由一个或多个处理器402取回、操纵、创建或存储的数据408。数据408例如可以包括标识符、代码序列、随机数、声学模型数据、传感器数据和/或其他数据。位置标签112可以包括用于向用户提供信息和从用户接收信息的各种输入/输出设备，比如触摸屏、触摸板、数据输入按键、扬声器和/或适用于语音识别的麦克风。举例来说，位置标签112可以包括表示不同事件的多个输入按钮。在一个示例性实施例中，医院中的人可以按下按钮来发出求救信号。

位置标签112还可以包括接收器410。接收器410可以是用于接收、侦听、解码、解释或者以其他方式处理来自声学发送设备104的已调声学信号110的任何设备或电路。位置标签112还可以包括被用来通过网络420与远程处理服务器108或声学发送设备104进行通信的网络接口。网络接口可以包括用于与一个或多个网络进行接口的任何适当的组件，例如包括发射器、接收器、端口、控制器、天线或其他适当的组件。位置标签112还可以包括被用来与声学发送设备108进行通信的通信系统。通信系统例如可以包括被配置为接收来自声学发送设备104的声学(例如超声)信号的一个或多个换能器(例如麦克风设备)。

在一些实现方式中，位置标签112可以通过网络420与远程计算设备(比如远程处理服务器108)进行通信。远程处理服务器108可以包括一个或多个计算设备。远程处理服务器108可以包括一个或多个计算设备，并且例如可以被实施成并行或分布式计算系统。具体来说，多个计算设备可以一起充当单个远程处理服务器108。

类似于位置标签112，远程处理服务器108可以包括一个或多个处理器412和存储器414。一个或多个处理器412可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)和/或其他处理设备。存储器414可以包括一个或多个计算机可读介质并且存储可由一个或多个处理器412访问的信息，包括可由一个或多个处理器412执行的指令416和数据418。

数据418可以被存储在一个或多个数据库中。数据可以包括标识符信息、声学模型数据以及位置确定系统100所需要的其他数据。一个或多个数据库可以通过高带宽LAN或WAN连接到远程处理服务器108，或者还可以通过网络420连接到远程处理服务器108。所述一个或多个数据库可以被分离并且驻留在分布式或多个地点。

远程处理服务器108还可以包括被用来通过网络420与声学发送设备104、网格成员202-A和位置标签112进行通信的网络接口。网络接口可以包括用于与一个或多个网络进行接口的任何适当的组件，例如包括发射器、接收器、端口、控制器、天线或其他适当的组件。

网络420可以是任何类型的通信网络，比如局域网(例如内联网)、广域网(例如因特网)、蜂窝网络或者其某种组合。网络420还可以包括声学发送设备104、网格成员202-A、位置标签112和远程处理服务器108之间的直接连接。网络420可以包括任何数目的有线或无线链接并且使用任何适当的通信协议实施。

位置系统400还可以包括声学发送设备104的一个或多个事例。声学发送设备104可以发送声学信号(例如超声信号)，正如在图1中所描述的那样。在一些实现方式中，声学发送设备104可以发送其他适当的信号，比如射频信号。声学发送设备104可以使用任何适当的计算设备来实施。声学发送设备104可以包括被配置为发射由位置标签112使用来导出位置的声学或其他适当信号的一个或多个换能器。虽然图4仅描绘出一个声学发送设备104和位置标签112，但是本领域技术人员将认识到，在位置系统400中可以包括任何适当数目的这些设备。

应当认识到，具体实施方式部分而不是发明内容和摘要部分应当被用来解释权利要求。发明内容和摘要部分可能阐述了本发明的一个或多个而非所有示例性实施例，因此不应当以任何方式限制本发明和所附权利要求。

前面借助于说明所指定的功能及其关系的实现方式的功能构造块描述了本发明。这些功能构造块的边界在本文中是为了描述方便而任意地定义的。只要所指定的功能及其关系被适当地实施，可以定义替换的边界。

相关领域技术人员将会认识到，在不背离本公开内容的精神和范围的情况下，在形式和细节方面可以作出各种改变。因此，本发明不应当受限于任何前面描述的示例性实施例，而是应当仅根据所附权利要求及其等效表述来限定。