使用到达时间差进行精确射频定位的系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月23日提交的申请号为15/684,893的美国申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。

本申请涉及于2015年8月19日提交的申请号为14/830,668、标题为“用于确定具有基于网格特征的树状网络架构中无线传感器节点的位置的系统和方法”的申请以及于2016年6月3日提交的申请号为15/173,531、标题为“在多个通信路径存在的情况下精确射频定位的系统和方法”的申请，均通过引用并入本文。

本发明的实施例涉及使用到达信息的时间差进行精确射频定位的系统和方法。

背景技术：

在消费电子和计算机行业中，已经对无线传感器网络研究了很多年。在典型的无线传感器网络中，结合无线电实施一个或多个传感器，以实现从部署在网络内的一个或多个传感器节点的数据无线收集。每个传感器节点可以包括一个或多个传感器，并且将包括无线电和用于为传感器节点的操作供电的电源。室内无线网络中节点的位置检测在许多应用中非常有用和重要。

为确定无线装备物体在三维空间中的位置，使用射频测量执行基于用于多点定位的到达时间差(tdoa)技术的定位。可以以多种方式执行基于rf的定位。示例性实施方式包括集线器和多个传感器节点。注意，可以将集线器替换为一个节点，或者实际上，可以将一个或多个节点替换为集线器。使用射频技术经由rf通信估计所有单独对之间的距离。在tdoa中，一个节点发送信号。多个其它节点接收信号，并计算每个接收节点接收之间的时间差。tdoa需要接收器的同步以准确测量接收时间的差异。这可以通过在共享时钟上操作所有接收器并比较绝对时间戳来完成。在没有共享时钟的系统中，必须以其它方式同步接收器。

技术实现要素：

对于本发明的实施例，本文公开了用于确定网络架构中无线传感器节点的位置的系统和设备。在一个示例中，异步系统包括第一无线节点和第二无线节点，每个无线节点具有带有一个或多个处理单元的无线装置以及用于在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路。系统还包括无线节点，该无线节点具有未知位置以及具有发送器和接收器的无线装置，以实现与无线网络架构中的第一无线节点和第二和第三无线节点的通信。第一无线节点向第二无线节点和具有未知位置的无线节点发送通信，从无线节点接收带有确认数据包的通信，并确定第一和第二无线节点之间的到达信息的时间差。在另一示例中，一种用于对无线网络架构中节点进行定位的系统包括第一、第二和第三无线节点，每个无线节点具有带有一个或多个处理单元的无线装置以及用于在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路。系统还包括第四无线节点，该第四无线节点具有未知位置以及具有发送器和接收器的无线装置，以实现在无线网络架构中与第一、第二和第三无线节点的通信。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行指令以从第四节点接收带有转发数据包的通信，以及响应于转发数据包向第二、第三和第四无线节点发送通信，并且确定第一和第二无线节点之间与第一和第三无线节点之间的到达信息的时间差。

从附图和下面的详细描述中，本发明的实施例的其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

在附图的图形中通过示例而非限制的方式示出了本发明的实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1a示出了根据一个实施例的无线节点的示例系统。

图1b示出了根据一个实施例的具有用于通信的多个集线器的无线节点的示例系统。

图2a例示出根据一个实施例的利用到达的时间差对节点进行定位的系统。

图2b例示出根据另一实施例的用于飞行时间估计的异步系统。

图2c在一个实施例中例示出2向tof测量系统1000。

图3例示出根据一个实施例的系统200的通信的时序图。

图4例示出根据可替代实施例的利用到达的时间差对节点进行定位的系统。

图5例示出根据一个实施例的系统400的通信的时序图。

图6例示出根据一个实施例的使用到达时间差技术来确定节点的位置估计的方法。

图7a示出了根据一个实施例的实施为用于电源插座的覆盖物1500的集线器的示例性实施例。

图7b示出了根据一个实施例的实施为用于电源插座的覆盖物的集线器的框图的分解视图的示例性实施例。

图8a示出了根据一个实施例的被实施为部署在计算机系统、应用或通信集线器中的卡的集线器的示例性实施例。

图8b示出了根据一个实施例的被实施为部署在计算机系统、家电或通信集线器中的卡的集线器964的框图的示例性实施例。

图8c示出了根据一个实施例的在家电(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其它智能家电等)内实施的集线器的示例性实施例。

图8d示出了根据一个实施例的在家电(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其它智能家电等)内实现的集线器1684的框图的分解视图的示例性实施例。

图9例示出了根据一个实施例的传感器节点的框图。

图10例示出了根据一个实施例的具有集线器的系统或家电1800的框图。

具体实施方式

本文公开了使用到达信息的时间差进行精确的射频定位的系统和方法。在一个示例中，用于无线网络架构中节点的定位的异步系统包括第一、第二和第三无线节点，每个无线节点具有带有一个或多个处理单元的无线装置以及用于在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路。系统还包括具有未知位置的第四无线节点以及具有发送器和接收器的无线装置，以实现与无线网络架构中的第一、第二和第三无线节点的通信。第一无线节点向第二、第三和第四无线节点发送通信，从第四无线节点接收带有确认包的通信，并确定第一和第二无线节点之间以及第一和第三无线节点之间的到达信息的时间差。

在一个示例中，第一无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行用于多点定位算法的指令，以使用到达信息的时间差来确定第四无线节点的位置。

在无线传感器网络的各种应用中，可能期望确定网络内传感器节点的位置。例如，这样的信息可以用于估计诸如本领域技术人员显而易见的安全摄像机、运动传感器、温度传感器和其它这样的传感器的传感器的相对位置。然后，该信息可用于生成诸如温度图、运动路径和多视图图像捕获的增强信息。因此，期望定位系统和方法能够在无线网络，尤其是室内环境中对节点进行准确、低功率和情境感知的定位。为此目的，还假定室内环境包括诸如在建筑物和其它结构周围的区域中的近室内环境，其中可能存在类似的问题(例如，附近墙壁的存在等)。

无线传感器网络被描述为用于包括住宅、公寓、办公室和商业建筑物的室内环境以及附近的诸如停车场、人行道和花园的外部场所。无线传感器网络也可以用于具有电源的任意类型的建筑物、结构、外壳(enclosure)、车辆、船等。传感器系统为传感器节点提供了良好的电池寿命，同时保持了较长的通信距离。

本发明的实施例提供了用于在室内环境中定位检测的系统、设备和方法。通过引用的方式并入本文、于2015年8月19日提交的14/830,668号美国专利申请公开了基于rf定位的技术。具体地，系统、设备和方法实施无线传感器网络中的定位，在需要定位时，主要使用树状网络结构以与用于路径长度估计的基于周期性网格的特征通信。无线传感器网络具有改善的定位精度，同时通过使用高频率的定位和低频率的通信提供良好的室内通信质量。

由于其与无线电信号接收功能相关的降低的能耗要求，树状无线传感器网络对于许多家电具有吸引力。2015年1月29日提交的14/607,045号美国专利申请、2015年1月29日提交的14/607,047号美国专利申请、2015年1月29日提交的14/607,048号美国专利申请、2015年1月29日提交的14/607,050号美国专利申请中已经描述了示例性树状网络架构，其通过引用整体并入本文。

通常使用的无线网络的另一种类型是网状网络。在这个网络中，通信发生在一个或多个邻居之间，然后可以使用多跳(multi-hop)架构沿网络传递信息。由于信息跨较短的距离发送，因此这可以用来减少发送功率需求。另一方面，由于接收无线电必须频繁打开以实现多跳通信方案，因此接收无线电功率需求可能会增加。

图1a例示出根据一个实施例的无线节点的示例系统。示例系统100包括无线节点110-116。节点利用通信120-130(例如，节点识别信息、传感器数据、节点状态信息、同步信息、定位信息、用于无线传感器网络的其它此类信息、飞行时间(tof)通信等)进行双向通信。基于使用飞行时间测量，可以估计单个节点对之间的路径长度。例如，节点110和节点111之间的单个飞行时间测量，可以通过在已知的时间将信号从节点110发送到节点111来实现。节点111接收信号，记录接收通信120的信号的时间戳，然后可以，例如，发送返回信号回到a，其具有发送返回信号的时间戳。节点110接收信号，并且记录接收的时间戳。基于这两个发送和接收的时间戳，可以估计节点110和节点111之间的平均飞行时间。这个过程可以在多个频率上重复多次，以提高精度并且消除或减少由于在特定频率的低信道质量而造成的劣化。可以通过对各个节点对重复该过程来估计一组路径长度。例如，在图1中，路径长度为tof150-160。然后，通过使用几何模型，可以基于类似三角剖分的过程估计单个节点的相对位置。

由于仅可以测量任意节点和集线器之间的路径长度，因此三角剖分过程在树状网络中不可行。然后，这限制了树状网络的定位能力。为了在允许定位的同时保留树状网络的能量益处，在本发明的一个实施例中，用于通信的树状网络与用于定位的网状网络功能相结合。使用网状网络功能完成定位后，网络切换回树状通信，并且仅周期性测量节点和集线器之间的飞行时间。假设这些飞行时间保持相对恒定，然后假定节点尚未移动且没有浪费能量，则网络尝试重新运行基于网格的定位。另一方面，当检测到树状网络中路径长度的变化时，网络将切换到基于网格的系统，并重新进行三角剖分以确定网络中每个节点的位置。

在另一示例中，使用多个节点的到达信息的时间差执行多点定位算法来确定具有未知位置的无线节点的位置。

图1b示出了根据一个实施例的具有用于通信的多个集线器的无线节点的示例系统。系统700包括具有无线控制装置711的中央集线器710、具有无线控制装置721的集线器720、具有无线控制装置783的集线器782以及包括具有无线控制装置n的集线器n的附加集线器。未示出的附加集线器可以与中央集线器710或其它集线器通信，或者可以作为附加的中央集线器。每个集线器与其它集线器以及一个或多个传感器节点进行双向通信。集线器还被设计为与包括装置780的其它装置(例如，客户端装置、移动装置、平板装置、计算装置、智能家电、智能tv等)进行双向通信。

传感器节点730、740、750、760、770、788、792、n和n+1(或终端节点)各自分别包括无线装置731、741、751、761、771、789、793、758和753。如果传感器节点仅与高级集线器或节点进行上游通信，而与另一集线器或节点无下游通信，则传感器节点是终端节点。每个无线装置包括带有发送器和接收器(或收发器)的rf电路，以实现与集线器或其它传感器节点的双向通信。

在一个实施例中，中央集线器710与集线器720、782、集线器n、装置780以及节点760和770通信。这些通信包括无线非对称网络架构中的通信722、724、774、772、764、762、781、784、786、714和712。具有无线控制装置711的中央集线器被配置为向其它集线器发送通信并从其它集线器接收通信，以控制和监控无线非对称网络架构，包括为每个组分配节点组和保证时间信号。

集线器720与中央集线器710以及传感器节点730、740和750通信。与这些传感器节点的通信包括通信732、734、742、744、752和754。例如，从集线器720的角度来看，通信732被集线器接收，并且通信734被发送到传感器节点。从传感器节点730的角度来看，通信732被发送到集线器720，并且通信734从集线器被接收。

在一个实施例中，中央集线器(或其它集线器)将节点760和770分配为组716，将节点730、740和750分配为组715，将节点788和792分配为组717，并且将节点n和n+1分配为组n。在另一示例中，组716和715组合成单个组。

通过使用图1所示的架构，需要较长电池寿命的节点将通信上消耗的能量最小化，而树状层级中的较高级节点可使用可用能源来实施，或者可以替代地使用提供更高容量或提供更短电池寿命的电池。为了促进在电池供电的终端节点上实现较长的电池寿命，可以在这些节点与其上级对等节点(以下称为最低级集线器)之间建立通信，从而在最低级集线器和终端节点之间产生最小的发送和接收流量。

在一个实施例中，节点将其大部分时间(例如，其时间的90％以上、其时间的95％以上、其时间的大约98％或99％以上)花费在低能量的非通信状态。当节点醒来并进入通信状态时，节点是可操作的，以将数据发送到最低级集线器。该数据可以包括节点识别信息、传感器数据、节点状态信息、同步信息、定位信息以及用于无线传感器网络的其它此类信息。

为了基于rf确定两个物体之间的距离，进行测距测量(即，使用rf通信来估计一对物体之间的距离)。为此，将rf信号从一个装置发送到另一装置。15/173,531号美国专利申请的图3-8c例示出飞行时间测量系统的实施例。

飞行时间测量固有地对网络内的操作时序敏感，因此，执行测量的装置的时钟很重要。在一个实施例中，可以经由tdoa而无需共享时钟来定位未知位置处的节点。使用已知节点之间的附加事务来同步接收节点。应当注意，已知节点的位置可以使用如15/173,531号美国专利申请中描述的定位来确定。

图2a例示出根据一个实施例的利用到达的时间差对节点进行定位的系统。系统200被配置为具有一个主节点210(m210)、在未知位置处的一个节点240(n240)以及监听(sniff)节点(例如，s220、230等)。主节点210首先执行具有rtt的双向飞行时间和到每个监听节点的分数距离(如15/173,531号美国专利申请中所述)。例如，图2b例示出根据一个实施例的用于飞行时间估计的异步系统。装置810首先在时间t1将具有数据包的rf信号812发送到装置820。数据包在时间t2到达装置820，触发装置820中的数据包检测算法以寄存该时间。然后，装置820在时间t3发送回具有数据包的信号822，信号822在时间t4到达装置810，并触发装置810以寄存时间并处理波形。应当注意，与完全同步系统的情况不同，t1和t4是记录在装置810上的时间，因此是参考它的参考时钟。t2和t3时基于装置820的时间参考来记录的。粗略的时间估计如下：

2xtof＝(t4-t1)–(t3-t2)

由于t4和t1在同一时钟采样，因此t4和t1之间没有任意相位。因此，t4-t1时间精准；相同的原理适用于t3-t2。因此，该测量不受该系统的异步特性所导致的两个装置之间的任意相位漂移的影响。类似于先前的实施例，该测量受到t1/t2/t3/t4的采样时钟周期的分辨率的限制。为了提高此精度，可以对两个装置执行频率响应测量。装置820使用来自装置810的数据包来测量信道响应，并且装置810使用来自装置820的数据包来测量信道响应。由于两个装置不是同步的，因此两个时钟之间存在相位的不确定性，在此标注为toffset。时钟的该相位偏移本身表现为每一侧的信道响应测量的额外相位，但是其可以通过将来自两侧的信道响应相乘来消除。假设信道响应与之前相同，则来自装置820的测量将为：

h820(f)＝h(f)e^{-j2πftoffset}

来自装置810的测量将为：

h810(f)＝h(f)e^{+j2πftoffset}

因此，组合的信道响应为：

h810(f)h820(f)＝h(f)²＝(∑ake^-j2πfδtk)²

这抵消了两个时钟之间的相位差。与之前的实施例类似，可以使用诸如矩阵笔、music等的算法来估计来自h810(f)h820(f)的延迟，其产生2min{δtk}，并且距离测量由以下给出：

距离＝[(t4-t1)/2–(t3-t2)/2-s{h810(f)h820(f)}/2]xc

可替代地，toffset由以下估计：

h810(f)/h820(f)＝e^{+2j2πftoffset}

toffset是所划分的信道响应的相位斜率的一半。可以通过计算的偏移来校正任一方向上的信道响应。然后可以将距离估计计算为：

距离＝[(t4-t1)/2–(t3-t2)/2-s{h810(f)}-toffset]xc

或者

距离＝[(t4-t1)/2–(t3-t2)/2-s{h820(f)}+toffset]xc

该方法优于乘法方法。h(f)²信道响应包括每条路径的幅度和距离加倍的项以及每2条路径排列的交叉项。也就是说，对于2条路径的情况，为a810²e^j2πf2δt1、a820²e^j2πf2δt2和a810a820e^{j2πf(δt1+δt2)}。当应用于单向信道响应h(f)时，由于存在更少的待区分路径和较低的动态范围，因此精细估计方法更有效且对噪声有更高的鲁棒性(robust)。

前述的短路径消除算法也可以用于诸如上面公开的异步系统中。

如上所示，在异步系统中，需要将来自两个装置的信息进行组合来计算。为此，在一个实施例中，一个装置可以使用前面提到的相同的rf信号(例如812、822、1022、1023)或使用独立的rf信号路径1024，将信息发送到另一装置，如在双向tof测量系统1000的一个实施例中的图2c所示。

图3例示出根据一个实施例的系统200的通信的时序图。n240被配置为响应于来自主节点210的通信212(例如，单播数据包)而发送被作为数据包241-243(例如，确认数据包)接收的通信(例如，发送的数据包)。利用主节点作为接入点(ap)并具有与其关联的未知节点(例如，传感器节点、移动装置、智能装置、智能手表等)或通过其它方式来建立系统。监听节点220和230被配置为接收由主节点或n240发送的任意数据包。主节点在时间t1向n240发送通信212(例如，转发数据包)。n240在时间t2接收该通信212。每个监听节点记录接收的通信的检测时间戳和信道感测信息(csi)(例如，节点220在时间t3接收转发数据包202，节点230在时间t4接收转发包204)。数据包202、204和212源自来自m210的相同通信。未知节点n240响应于接收通信212而发送被作为数据包241-243接收的通信(例如，在时间t5的确认数据包)。监听节点和主节点都记录所接收的通信241-243的时间戳和csi。(例如，在时间t6、t7和t8接收的确认数据包)。

然后，可以将要监听tof的主节点以及在主节点和监听节点上的时间戳和csi信息进行组合，以确定节点240的位置。根据下面的等式1计算主机和每个监听节点之间的tdoa。然后，可以将这些tdoa值用于标准tdoa多点定位算法中，以确定n240的位置。

每个监听节点和主节点之间的tdoa如下确定。在理想情况下，tdoa只是主节点从节点240接收确认数据包时的第一时间t6和监听节点从节点240接收确认数据包时的第二时间t7之间的差量(delta)。

但是，主节点和监听节点具有独立的时钟参考，这些时钟参考具有计数器偏移以及彼此的相位和频率偏移。为了解决这个问题，在一个示例中，将主节点处的通信212的数据包发送时间(例如，在时间t1转发数据包212)用作主节点和监听节点两者的时间参考。

等式1：

tdoam210-s220＝t6-t7

＝(t6–t1)-(t7–t1)

＝(t6–t1)-(t7–(t3–tofm210-s220)

＝(rttm210–n240sampling+tfracm210-n240)-(ts220ackrxsampling+ts220ackrxfrac–(ts220forwrxsampling+ts220forwrxfrac-tofm210-s220))

监听节点接收通信242和243的时间(例如，监听确认接收)可以通过减去用于接收通信242和243的确认转发接收的时间戳以及在主节点与监听节点之间计算的先前测量的tof来与主节点转发数据包发送对齐。

通过将信道感测信息(csi)用于每个数据包接收的分数样本估计，tdoa的时间分辨率可以比采样时钟的速率更好。通过使用相位的斜率(在单个视线路径中)或使用诸如矩阵笔、music或ifft的技术，csi可用于计算分数样本估计。图2和图3以及等式1示出了系统的示例以及如何计算tdoa。等式2示出了如何消除由参考时钟的差异引起的延迟。

等式2：

t6'＝t6+tdm210-n240+tdn240-m210

t7'＝t7+tds220-n240+tdn240-m210

t3'＝t3+tds220-m210

tdoa'＝t6'–t7'

＝tdoa+tdm210-n240+tdn240-m210-tds220-n240-tdn240-m210+tds220-m210

注意：tds220-m210＝tds220-n240+tdn240-m210

＝tds220-n240-tdm210-n240

tds220-m210-tds220-n240+tdm210-n240＝0

tdoa'＝tdoa

为了提高信噪比(snr)，可以对多个数据包重复此过程。可以计算每个数据包的tdoa，然后取平均值。可替代地，可以在组合之前对时间戳和csi进行平均。为了平均csi，必须对幅度和相位进行独立的平均，然后进行组合。通过用不同的未知节点再次配置系统，可以找到多个节点的位置。

图4例示出根据可替代实施例的利用到达的时间差对节点进行定位的系统。系统400被配置为具有一个主节点410(m410)、在未知位置处的一个节点440(n440)和监听节点(例如，s420、s430等)。图5例示出根据一个实施例的系统400的通信的时序图。未知节点n440可以发起数据包事务。n440在时间t1将通信441(例如，转发数据包441)发送到主(m)节点410。主节点410在时间t2接收通信441。主节点410在时间t5响应通信412(例如，确认数据包412)。监听节点420和430监听在时间t4和t3来自n440的通信442-443(例如，转发数据包442-443)以及来自主节点的通信402和404(例如，确认数据包402和404)。监听节点420在时间t3接收通信443，并且在时间t6接收通信402。监听节点430在时间t4接收通信442，并且在时间t7接收通信404。所接收的数据包441-443源自来自n440的相同通信。

现在基于来自n440的转发数据包到达主节点和监听节点来计算tdoa。现在，根据等式3以及差量偏移等于t6-t5-tofm410-s420，使用来自主节点的确认数据包的数据包发送时间来对齐节点之间的时序：

tdoam410-s420＝t2–t3^m410

＝t2–t3–m410和s420的时钟之间的差量

＝(t2–t3)+t6–t5-tofm410-s420

＝(t2sampling+t2frac–t3sampling-t3frac)+t6sampling+t6frac-t5sampling–t5frac-tofm410-s420

图6例示出根据一个实施例的使用到达时间差技术来确定节点的位置估计的方法。方法600的操作可以由包括处理电路或处理逻辑的无线装置、集线器的无线控制装置(例如，设备)或系统来运行。处理逻辑可以包括硬件(电路、专用逻辑等)、软件(诸如在通用计算机系统或专用机器或装置上运行的软件)或两者的组合。在一个实施例中，集线器执行方法600的操作。

在无线网络架构的初始化之后，在操作601，系统的处理逻辑被配置为具有第一节点(例如，主节点)、第二和第三无线节点(例如，监听节点)以及在未知位置的第四节点(例如，传感器节点、移动装置、智能装置、智能手表等)。在操作602，第一节点(例如，主节点)执行具有rtt以及与第二和第三节点(例如，监听节点)的分数距离(如15/173,531号美国专利申请中所述)的双向飞行时间。

在操作604，第一节点在第一时间向第二、第三和第四节点发送具有转发数据包的通信。在操作606，第四节点在第二时间接收该通信。在操作608，第二和第三节点分别在第三时间和第四时间接收这些通信。在操作610，第四节点被配置为响应于来自第一节点的通信(例如，转发数据包)，在第五时间向第一、第二和第三节点发送具有确认数据包的通信。在一个示例中，利用主节点作为接入点(ap)并具有与其关联的未知的第四节点或通过其它方式来建立该系统。监听节点被配置为接收由主节点或未知的第四节点发送的任意数据包。每个监听节点记录接收的通信的检测时间戳和信道感测信息(csi)。在操作612，监听节点和主节点都记录所接收的通信的时间戳和csi(例如，在第六、第七、第八时间接收的确认数据包)。

然后，在操作614，可以将要监听tof的主节点以及在主节点和监听节点处的时间戳和csi信息进行组合，以确定未知的第四节点的位置。根据等式1计算主节点和每个监听节点之间的tdoa。然后，可以将这些tdoa值用于标准tdoa多点定位算法中，以确定n240的位置。

在一个示例中，本文讨论的tdoa算法用于对在未知位置的第四节点(例如，传感器节点、移动装置、智能装置、智能手表、机器人等)进行定位。因此，第四节点的用户可以定位该节点而不必搜索该节点。

在本文讨论的集线器和节点之间的通信可以使用多种方式来实现，包括但不限于：使用射频的直接无线通信；通过将信号调制到房屋、公寓、商业建筑物等内部的电线上而实现的电力线通信；使用诸如802.11a、802.11b、802.11n、802.11ac的这种标准wifi通信协议以及对本领域的普通技术人员而言显而易见的其它此类wifi通信协议的wifi通信；诸如gprs、edge、3g、hspda、lte和其它对本领域的普通技术人员而言显而易见的蜂窝通信协议；蓝牙通信；使用众所周知的诸如zigbee的无线传感器网络协议的通信；以及对本领域普通技术人员而言显而易见的其它基于有线或无线的通信方案。

可以以包括窄带、信道重叠、信道步进、多信道宽带和超宽带通信的多种方式来实施终端节点和集线器之间的射频通信的实施方式。

根据本发明的实施例，可以以多种方式物理地实现集线器。图7a示出了根据一个实施例的实施为用于电源插座的覆盖物1500的集线器的示例性实施例。覆盖物1500(例如，面板)包括集线器1510和将集线器联接至电源插座1502的连接1512(例如，通信链路、信号线、电连接等)。可替代地(或附加地)，集线器联接插座1504。为了安全与美观的目的，覆盖物1500覆盖或包围电源插座1502和1504。

图7b示出了根据一个实施例的实施为用于电源插座的覆盖物的集线器1520的框图的分解视图的示例性实施例。集线器1520包括电源整流器1530，其将周期性地反转方向的交流电(ac)转换成仅在一个方向上流动的直流电(dc)。电源整流器1530经由连接1512(例如，通信链路、信号线、电连接等)从插座1502接收ac，并且将ac转换成dc以经由连接1532(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1540供电，以及经由连接1534(例如，通信链路、信号线、电连接等)向rf电路1550供电。控制器电路1540包括存储器1542或联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1540的处理逻辑1544(例如，一个或多个处理单元)运行的指令，用于控制集线器的操作以形成、监控和执行如本文所讨论的无线非对称网络的定位。rf电路1550可以包括功能为经由天线1552与无线传感器节点进行发送和接收双向通信的收发器或分开的发送器1554和接收器1556。rf电路1550经由连接1534(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1540双向通信。集线器1520可以是无线控制装置1520或控制器电路1540，rf电路1550和天线1552的组合可以形成如本文所讨论的无线控制装置。

图8a示出了根据一个实施例的实施为部署在计算机系统、家电或通信集线器中的卡的集线器的示例性实施例。如箭头1663所示，可以将卡1662插入系统1660(例如，计算机系统、家电或通信集线器)中。

图8b示出了根据一个实施例的实施为部署在计算机系统、家电或通信集线器中的卡的集线器1664的框图的示例性实施例。集线器1664包括电源1666，电源1666经由连接1674(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1668提供电力(例如，dc电源)，并且经由连接1676(例如，通信链路、信号线、电连接等)向rf电路1670提供电力。控制器电路1668包括存储器1661或联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1668的处理逻辑1663(例如，一个或多个处理单元)运行的指令，用于控制集线器的操作以形成、监控和执行如本文所讨论的无线非对称网络的定位。rf电路1670可以包括功能为经由天线1678与无线传感器节点进行发送和接收双向通信的收发器或分开的发送器1675和接收器1677。rf电路1670经由连接1672(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1668双向通信。集线器1664可以是无线控制装置1664或控制器电路1668，rf电路1670和天线1678的组合可以形成如本文所讨论的无线控制装置。

图8c示出了根据一个实施例的在家电(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其它智能家电等)内实施的集线器的示例性实施例。设备1680(例如，智能洗衣机)包括集线器1682。

图8d示出了根据一个实施例的在家电(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其它智能家电等)内实施的集线器1684的框图的分解视图的示例性实施例。集线器包括电源1686，电源1686经由连接1696(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1690提供电力(例如，dc电源)，并且经由连接1698(例如，通信链路、信号线、电连接等)向rf电路1692提供电力。控制器电路1690包括存储器1691或联接到到存储器，该存储器存储由控制器电路1690的处理逻辑1688(例如，一个或多个处理单元)运行的指令，用于控制集线器的操作以形成、监控和执行如本文所讨论的无线非对称网络的定位。rf电路1692可以包括功能为经由天线1699与无线传感器节点进行发送和接收双向通信的收发器或分开的发送器1694和接收器1695。rf电路1692经由连接1689(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1690双向通信。集线器1684可以是无线控制装置1684或控制器电路1690，rf电路1692和天线1699的组合可以形成如本文所讨论的无线控制装置。

在一个实施例中，用于提供无线非对称网络架构的设备(例如，集线器)包括用于存储指令的存储器、运行指令以建立和控制无线非对称网络架构中的通信的集线器的处理逻辑(例如，一个或多个处理单元、处理逻辑1544、处理逻辑1663、处理逻辑1688、处理逻辑1763、处理逻辑1888)，以及包括在无线非对称网络架构中发送和接收通信的多个天线(例如，天线1552、天线1678、天线1699、天线1311、1312和1313等)的射频(rf)电路(例如，rf电路1550、rf电路1670、rf电路1692、rf电路1890)。rf电路和多个天线将通信发送到多个传感器节点(例如，节点1、节点2)，每个传感器节点具有带有发送器和接收器(或接收器功能的收发器的发送器)的无线装置以实现在无线非对称网络架构中与设备的rf电路的双向通信。

在一个示例中，用于存储指令的存储器包括一个或多个处理单元，以运行指令来控制无线网络架构中的多个传感器节点，并确定多个传感器节点和射频(rf)电路的位置以将通信发送至多个传感器节点以及从多个传感器节点接收通信，每个节点具有带有发送器和接收器的无线装置以实现在无线网络架构中与设备的rf电路的双向通信。设备的一个或多个处理单元被配置为运行指令以向第一、第二和第三无线节点发送通信，从具有未知位置的第三节点接收具有确认数据包的通信，并且确定设备与第一无线节点之间以及设备与第二无线节点之间的到达信息的时间差。

在一个示例中，设备由主电源供电，并且多个传感器节点中的每一个由电池源供电，以形成无线网络架构。

可以在无线传感器节点中使用各种电池，包括锂基化学物质，诸如锂离子、锂聚合物、磷酸锂以及对本领域普通技术人员而言显而易见的其它此类化学物质。可以使用的其它化学物质包括镍金属氢化物、标准碱性电池化学物质、银锌和锌空气电池化学物质、标准碳锌电池化学物质、铅酸电池化学物质或对本领域普通技术人员而言显而易见的任意其它化学物质。

本发明还涉及用于执行本文描述的操作的设备。设备可以被特别构造以用于所需目的，或者其可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，诸如但不限于包括软盘、光盘、cd-rom和磁光盘的任意类型的磁盘，只读存储器(rom)，随机存取存储器(ram)，eprom，eeprom，磁卡或光卡，或适合存储电子指令的任意类型的介质。

本文呈现的算法和显示并不固有地与任何特定计算机或其它设备相关。各种通用系统可以与根据本文教导的程序一起使用，或者可以证明构造更专用的装置以执行所需的方法操作是方便的。

图15例示出根据一个实施例的传感器节点的框图。传感器节点1700包括电源1710(例如，能源、电池源、原电池、可再充电电池等)，其经由连接1774(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1720提供电力(例如，dc电源)，经由连接1776(例如，通信链路、信号线、电连接等)向rf电路1770提供电力，并且经由连接1746(例如，通信链路、信号线、电连接等)向感测电路1740提供电力。控制器电路1720包括存储器1761或联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1720的处理逻辑1763(例如，一个或多个处理单元)运行的指令，用于控制传感器节点的操作，以形成和监控如本文所讨论的无线非对称网络。rf电路1770(例如，通信电路)可以包括功能为经由天线1778与集线器和可选的无线传感器节点进行发送和接收双向通信的收发器或分开的发送器1775和接收器1777。rf电路1770经由连接1772(例如，电连接)与控制器电路1720双向通信。感测电路1740包括各种类型的感测电路和传感器，包括图像传感器和电路1742、湿度传感器和电路1743、温度传感器和电路、湿度传感器和电路、空气质量传感器和电路、光传感器和电路、运动传感器和电路1744、音频传感器和电路1745、磁传感器和电路1746以及传感器和电路n。

本文公开的无线定位技术可以与其它感测到的信息组合以提高整个网络的定位精度。例如，在一个或多个节点包含相机的无线传感器中，捕获的图像可以与图像处理和机器学习技术一起使用，以确定正在被监控的传感器节点是否在看同一场景，并因此很可能在同一个房间。类似的益处可以通过使用周期性照明和光电探测器实现。通过频闪照明并使用光电探测器进行检测，可以检测光路的存在，可能表明频闪灯和检测器之间不存在不透明的墙壁。在其它实施例中，磁传感器可以被集成到传感器节点中，并且可以用作指南针以检测正在被监控的传感器节点的方向。然后，可以将该信息与定位信息一起使用以确定传感器是否在墙壁、地板、天花板上或其它位置。

在一个示例中，每个传感器节点可以包括图像传感器，并且房屋的每个周围墙壁包括一个或多个传感器节点。集线器分析包括图像数据和可选的方向数据以及定位信息的传感器数据，以确定每个传感器节点的绝对位置。然后，集线器可以为用户构建建筑物的每个房间的三维图像。可以生成带有墙壁、窗户、门等的位置的平面图。图像传感器可以捕获表示反射变化的图像，该变化可以指示住宅完整性问题(例如，水、屋顶漏水等)。

图10例示出根据一个实施例的具有集线器的系统1800的框图。系统1800包括集线器1882或无线非对称网络架构的中央集线器，或者与集线器1882或无线非对称网络架构的中央集线器集成。系统1800(例如，计算装置、智能tv、智能家电、通信系统等)可以与用于发送和接收无线通信的任意类型的无线装置(例如，蜂窝电话、无线电话、平板电脑、计算装置、智能tv、智能家电等)进行通信。系统1800包括处理系统1810，其包括控制器1820和处理单元1814。处理系统1810分别经由一个或多个双向通信链路或信号线1898、1818、1815、1816、1817、1813、1819、1811与以下通信：集线器1882、输入/输出(i/o)单元1830、射频(rf)电路1870、音频电路1860、用于捕获一个或多个图像或视频的光学装置1880、用于为系统1800确定运动数据(例如，在三维空间中)的可选运动单元1844(例如，加速度计、陀螺仪等)、电力管理系统1840以及机器可访问的非暂时性介质1850。

集线器1882包括电源1891，其经由连接1885(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1884提供电力(例如，dc电源)，以及经由连接1887(例如，通信链路、信号线、电连接等)向rf电路1890提供电力。控制器电路1884包括存储器1886或联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1884的处理逻辑1888(例如，一个或多个处理单元)运行的指令，用于控制集线器的操作，以形成和监控如本文所讨论的无线非对称网络。rf电路1890可以包括功能为经由天线1896和无限传感器节点或其它集线器进行发送和接收双向通信的收发器或分开的发送器(tx)1892和接收器(rx)1894。rf电路1890经由连接1889(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1884双向通信。集线器1882可以是无线控制装置1884，或者控制器电路1884，rf电路1890和天线1896的组合可以形成如本文所讨论的无线控制装置。

系统的rf电路1870和天线1871或集线器1882的rf电路1890和天线1896用于通过无线链路或网络向本文讨论的集线器或者传感器节点的一个或多个其它无线装置发送和接收信息。音频电路1860联接到音频扬声器1862和麦克风1064，并且包括用于处理语音信号的已知电路。一个或多个处理单元1814经由控制器1820与一个或多个机器可访问的非暂时性介质1850(例如，计算机可读介质)进行通信。介质1850可以是能够存储由一个或多个处理单元1814使用的代码和/或数据的任意装置或介质(例如，存储装置、存储介质)。介质1850可以包括存储器层级，包括但不限于高速缓存、主存储器和辅助存储器。

介质1850或存储器1886存储体现本文描述的任意一种或多种方法或功能的一组或多组指令(或软件)。软件可以包括操作系统1852、用于建立、监控和控制无线非对称网络架构的网络服务软件1856、通信模块1854和应用程序1858(例如，住宅或建筑物安全应用、住宅或建筑物完整性应用、开发人员应用等)。在由装置1800运行软件期间，软件还可以完全地或至少部分地驻留在介质1850、存储器1886、处理逻辑1888内或处理单元1814内。图18中所示的组件可以在硬件、软件、固件或其任意组合中实施，包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路。

通信模块1854实现与其它装置的通信。i/o单元1830与不同类型的输入/输出(i/o)装置1834(例如，显示器、液晶显示器(lcd)、等离子显示器、阴极射线管(crt)、触摸显示设备或用于接收用户输入并显示输出的触摸屏、可选字母数字的输入装置)进行通信。

以下示例中的任何示例都可以组合到单个实施例中，或者这些示例可以是单独的实施例。在一个示例中，用于在无线网络架构中对节点进行定位的异步系统包括：第一无线节点和第二无线节点，每个无线节点具有带有一个或多个处理单元的无线装置以及用于在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路；具有未知位置以及无线装置的无线节点，该无线装置具有发送器和接收器以实现在无线网络架构中与第一和第二无线节点的通信。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行指令以将通信发送到第二无线节点和具有未知位置的无线节点从无线节点接收带有确认数据包的通信，并确定第一和第二无线节点之间的到达信息的时间差。

在另一示例中，系统包括具有无线装置的第三无线节点，其中无线装置具有一个或多个处理单元以及用于在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行用于多点定位算法的指令，以使用第一和第二无线节点之间以及第一和第三无线节点之间的到达信息的时间差来确定具有未知位置的无线节点的位置。

在另一示例中，第一无线节点具有第一参考时钟信号，并且第二无线节点具有第二参考时钟信号。

在另一示例中，具有未知位置的无线节点的一个或多个处理单元被配置为响应于从第一节点接收具有转发数据包的通信来运行指令，以将包括确认数据包的通信发送到第一、第二和第三无线节点。

在另一示例中，第二和第三无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行指令以接收包括来自第一无线节点的转发数据包和来自第四无线节点的确认数据包的通信，以为每个所接收的转发数据包和确认数据包记录时间戳和信道感测信息。

在另一示例中，将来自第一无线节点的转发数据包的发送时间用作第一、第二和第三无线节点的时间参考。

在另一示例中，基于第一无线节点从第四无线节点接收确认数据包时的第一时间、第二无线节点从第四无线节点接收确认数据包时的第二时间以及时间参考来确定第一和第二无线节点之间的到达信息的时间差。

在另一示例中，第一无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行指令以确定第一时间与时间参考之间的差，以及确定第二时间与时间参考之间的差。

在另一示例中，第一无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行指令以基于确定用于定位的飞行时间估计来确定到达信息的时间差，该飞行时间估计基于第一和第二无线节点之间的通信以及第一和第三无线节点之间的通信的往返时间的时间估计。

在一个示例中，一种设备包括：用于存储指令的存储器、运行指令以控制无线网络架构中的多个传感器节点并确定多个传感器节点和rf电路的位置以向多个传感器节点发送通信和从多个传感器节点接收通信的一个或多个处理单元，每个传感器节点具有带有发送器和接收器的无线装置以实现在无线网络架构中与该设备的rf电路的双向通信。设备的一个或多个处理单元被配置为运行指令以向第一、第二和第三无线节点发送通信，从具有未知位置的第三节点接收具有确认数据包的通信，以及确定设备和第一无线节点之间以及设备和第二无线节点之间的到达信息的时间差。

在另一示例中，设备的一个或多个处理单元被配置为运行用于多点定位算法的指令，以使用到达信息的时间差来确定第三无线节点的位置。

在另一示例中，设备具有第一参考时钟信号，并且第一无线节点具有第二参考时钟信号。

在另一示例中，所发送的通信包括被发送到第一、第二和第三无线节点的转发数据包的发送时间，该发送时间用作设备、第一无线节点和第二无线节点的时间参考。

在另一示例中，基于设备从第三无线节点接收确认数据包时的第一时间、第一无线节点从第三无线节点接收确认数据包时的第二时间以及时间参考来确定设备和第一无线节点之间的到达信息的时间差。

在另一示例中，设备的一个或多个处理单元被配置为运行指令以确定第一时间与时间参考之间的差，并且还确定第二时间与时间参考之间的差。

在一个示例中，用于在无线网络架构中对节点进行定位的系统包括：第一、第二和第三无线节点，每个无线节点具有带有一个或多个处理单元的无线装置以及用于在无线网络架构中发送和接收通信的rf电路；以及具有未知位置和无线装置的第四无线节点，该无线装置具有发送器和接收器以实现在无线网络架构中与第一、第二和第三无线节点的通信。第一无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行指令以从第四节点接收具有转发数据包的通信，响应于转发数据包向第二、第三和第四无线节点发送通信，以及确定第一和第二无线节点之间与第一和第三无线节点之间到达信息的时间差。

在另一示例中，第一无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行用于多点定位算法的指令，以使用到达信息的时间差来确定第四无线节点的位置。

在另一示例中，第一无线节点具有第一参考时钟信号，并且第二无线节点具有第二参考时钟信号。

在另一示例中，第四无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行指令以向第一、第二和第三无线节点发送包括转发数据包的通信。

在另一示例中，第二和第三无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行指令以接收来自第四无线节点的包括转发数据包和来自第一无线节点的确认数据包的通信，以及为每个所接收的转发数据包和确认数据包记录时间戳和信道感测信息。

在另一示例中，基于第一无线节点从第四无线节点接收转发数据包时的第一时间、第二无线节点从第四无线节点接收转发数据包时的第二时间以及第一和第二参考时钟信号之间的时间偏移来确定第一无线节点和第二无线节点之间的到达信息的时间差。

在另一示例中，第一无线节点的一个或多个处理单元被配置为运行指令，以基于第二无线节点从一无线节点接收确认数据包时的第三时间、第一无线节点向第二无线节点发送确认数据包时的第四时间、用于第一和第二无线节点之间的通信的飞行时间估计来确定第一和第二参考时钟信号之间的时间偏移。

在前述说明书中，已经参照本发明的特定示例性实施例描述了本发明。然而，将显而易见的是，在不脱离本发明的广泛精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被视为说明性而不是限制性的意义。