RODIGAST, René (Dorfstrasse 97, Tautenhain, 07639, DE)
Patentansprüche
1. Mobiler Akustik-Sensor mit folgenden Merkmalen:
einem Mikrofon (10) zum Aufnehmen eines Schallsignals, das auf das Mikrofon (10) fällt;
einer Einrichtung (12) zum Liefern einer Orts- Information über einen Ort, an dem sich das Mikrofon zum Zeitpunkt des Aufnehmens des Schallsignals (11) befindet; und
einem Signalprozessor (14) zum Verarbeiten eines Mik- rofon-Ausgangssignals und der Orts-Information, um Ausgangsdaten (17) zu erzeugen, die ein Audiosignal und als zugeordnete Metadaten Ortsdaten umfassen, die von der Orts-Information abgeleitet sind, oder die der Orts-Information entsprechen.
2. Mobiler Akustik-Sensor nach Anspruch 1, der ferner folgendes Merkmal aufweist:
eine Funkschnittstelle (18) zum übertragen der Aus- gangsdaten (17) zu einem entfernten Empfänger.
3. Mobiler Akustik-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Signalprozessor (14) einen Audiokomprimierer aufweist, um das Mikrofon-Ausgangssignal (15) zu kompri- mieren, um ein komprimiertes Ausgangssignal zu erhalten, und bei dem der Signalprozessor (14) ferner ausgebildet ist, um die Orts-Information dem komprimierten Audiosignal als Metainformationen zuzuordnen.
4. Mobiler Akustik-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung (12) zum Liefern ausgebildet ist, um ein Senden eines Ortungssignals zu einem entfernten Referenzempfänger an einer Referenz- Position zu bewirken, und um die Orts-Information ansprechend auf ein Senden des Ortungssignals zu empfangen.
5. Mobiler Akustik-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung (12) zum Liefern ausgebildet ist, um ein Aussenden eines Schallsignals oder eines Funksignals als Ortungssignal zu bewirken.
6. Mobiler Akustik-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Signalprozessor (14) ein digitaler Signalprozessor (DSP) ist, der durch Software programmierbar ist.
7. Mobiler Akustik-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Signalprozessor (14) ausgebildet ist, um das Mikrofon-Ausgangssignal (15) zu analysieren, um als weitere Metadaten Daten zu liefern, die das Mikrofon-Ausgangssignal charakterisieren, und um diese weiteren Metadaten dem Ausgangssignal (17) hinzuzufügen.
8. Mobiler Akustik-Sensor nach Anspruch 7, bei dem die weiteren Metadaten eine Lautstärke, eine Ursprungs- Richtung, einen Frequenzbereich oder ein von dem Mikrofon-Ausgangssignal (15) abgeleitetes Charakteristikum einer Schallquelle für das Schallsignal aufweist.
9. Mobiler Akustik-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in einem Gehäuse untergebracht ist, dessen Volumen kleiner oder gleich 30 Kubikzentimeter ist.
10. Mobiler Akustik-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Signalprozessor (14) programmiert ist, um den Akustik-Sensor für eine Lokalisierung eines entfernten Sensors einzusetzen, bei dem eine Referenzposition des mobilen Akustik-Sensors be- kannt ist, und bei dem der mobile Akustik-Sensor ausgebildet ist, um ein Ortungssignal eines entfernten Sensors zu empfangen, um eine Information von einem weiteren entfernten Sensor zu empfangen, und um unter Verwendung einer Referenzposition des mobilen Akustik- Sensors und der Informationen des weiteren entfernten Sensors eine Position des Sensors, von dem das Ortungssignal stammt, zu berechnen, und um ein Senden der Orts-Informationen zu dem entfernten Sensor zu be- wirken.
11. Mobiler Akustik-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ausgebildet ist, um als Notfall-Sensor für eine zu überwachende Person eingesetzt zu werden, wobei der Sensor ausgebildet ist, um durchgehend das Schallsignal zu erfassen und zu verarbeiten, und um automatisch, ansprechend auf eine Detektion eines vorbestimmten Ereignisses aufgrund der durchgehenden Erfassung und Verarbeitung, eine Ausgabe des Ausgangs- Signals zu beginnen, während vor der Detektion des vorbestimmten Ereignisses kein Ausgangssignal ausgegeben wird.
12. Mobiler Akustik-Sensor nach Anspruch 11, bei dem das Ereignis ein schneller Energieanstieg über einen bestimmten relativen oder absoluten Energiepegel ist.
13. Mobiler Akustik-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ausgebildet ist, um ansprechend auf ei- ne Konfiguration einen einer Mehrzahl von unterschiedlichen übertragungskanälen zu verwenden.
14. Mobiler Akustik-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ausgebildet ist, um eine autarke Strom- Versorgung zu haben, die als Batterie oder Akkumulator (26) ausgebildet ist.
15. Mobiler Akustik-Sensor nach Anspruch 2, bei dem die Funkschnittstelle gemäß einem internationalen Standard ausgelegt ist.
16. Mobiler Akustik-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Modulkern (20) den Signalprozessor (14), der als digitaler Signalprozessor (DSP) ausgebildet ist, eine Audio-Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (22) und eine Steuer-Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (24) aufweist,
wobei der Modulkern mit dem Mikrofon (10) und einem dem Mikrofon zugeordneten Analog/Digital-Wandler (10b) gekoppelt ist, und ferner mit einer HF- Eingangsschnittstelle oder mit einem Eingabegerät ver- schaltbar ist, und
wobei der Modulkern (20) ausgangsseitig mit einem HF- Sender, einem drahtgebundenen Sender, einer Datenaus- gabeeinheit oder einem HF-Empfänger koppelbar ist.
17. Verfahren zum akustischen überwachen mit einem Mikrofon, mit folgenden Schritten:
Aufnehmen eines Schallsignals (11) mit dem Mikrofon;
Liefern einer Orts-Information über einen Ort, an dem sich das Mikrofon (10) zum Zeitpunkt des Aufnehmens des Schallsignals (11) befindet; und
Verarbeiten des Mikrofon-Ausgangssignals und der Orts- Information, um Ausgangsdaten zu erzeugen, die ein Audiosignal und als zugeordnete Metadaten Ortsdaten umfassen, die von der Orts-Information abgeleitet sind oder die der Orts-Information entsprechen.
18. Computer-Programm mit einem Programmcode zum Ausführen eines Verfahrens zum akustischen überwachen gemäß Pa- tentanspruch 17, wenn das Computer-Programm auf einem Rechner ausgeführt wird. |
Mobiler Akustik-Sensor
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Akustikanwendungen und insbesondere auf mobile Akustik-Sensoren.
Akustische Sensoren können zur Schienenüberwachung, Brückenüberwachung, Materialüberwachung, an Maschinen, in der Landwirtschaft oder in vielen anderen Anwendungsgebieten eingesetzt werden. In diesen Anwendungen werden oft das a- kustische Signal und ggf. Schaltimpulse erzeugt. Sie werden meist per Kabel mit zentralen Einheiten verbunden, in denen dann das Signal ausgewertet wird. Weitere Informationen zu den akustischen Signalen werden hier also lediglich in der Auswerteeinheit aus dem Signal selbst gewonnen.
Nachteilig an solchen Sensoren ist, dass sie meistens für Spezialanwendungen gebaut sind, also dass ein Sensor für eine ganz spezielle Anwendung entworfen und implementiert ist, und dass ein anderer Sensor für eine andere Anwendung entworfen und implementiert ist.
Aufgrund der speziellen Einsatzgebiete insbesondere zu ü- berwachungszwecken sind solche Sensoren typischerweise an festen Positionen angeordnet und liefern von dort aus Audiosignale zu einem Notfallzentrum, wie beispielsweise dann, wenn eine Person, die einen Notfallknopf besitzt, diesen gedrückt hat. Ein solches Drücken eines Notfallknopfes aktiviert hierbei eine Telefonleitung zu einem Notfallzentrum, von dort dann über einen Lautsprecher, der typischerweise in der Nähe des Telefons angebracht ist, die Notfallzentrale nachfragt, ob die Aktivierung des Alarmknopfes versehentlich geschehen ist oder absichtlich erfolgt ist. Wird dann auf die Nachfrage der Notrufzentrale von der Person, die den Knopf gedrückt hat, bestätigt, dass
es ein Fehlalarm war, so geschieht nichts weiter. Antwortet die Person auf die Nachfrage der Notrufzentrale jedoch nicht oder nicht zufriedenstellend, so setzt sich unmittelbar ein Krankenwagen samt Notarzt in Bewegung, um der Per- son, die den Notrufknopf gedrückt hat, aus einer problematischen Lage zu helfen, die unter Umständen gerade existiert.
Nachteilig an solchen Anwendungen ist, dass zu Zwecken der Kommunikation mit der Person, die den Notfallknopf gedrückt hat, typischerweise ein Lautsprecher und ein Mikrofon nur an einer festen Position in einer Wohnung der Person angeordnet sind. Daher kann es vorkommen, dass die Kommunikation schlecht funktioniert, wenn die Person nämlich von die- ser festen Position weit entfernt ist.
Darüber hinaus hat es die Notrufzentrale, die es oft mit Fehlalarmen zu tun hat, schwer, anhand der empfangenen Audiodaten von der Wohnung und anhand der Reaktion der Person zu beurteilen, ob tatsächlich ein Notfall vorhanden ist o- der ob nur ein Fehlalarm war und die Person zur Kommunikation zu aufgeregt war, um dies eindeutig und klar der Notrufzentrale mitzuteilen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes Akustik-Sensor-Konzept zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen mobilen Akustik-Sensor nach Anspruch 1, ein Verfahren zum akustischen überwachen nach Patentanspruch 17 oder ein Computerprogramm nach Patentanspruch 18 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Kenntnis zugrunde, dass nicht nur bei Notrufanwendungen, sondern auch bei vie- len anderen Anwendungen neben dem Audiosignal auch der Ort eine wichtige Informationsquelle darstellt, an dem sich das Mikrofon befindet, das das Audiosignal aufgenommen hat. Daher wird erfindungsgemäß neben dem Audiosignal eine Orts-
Information von dem mobilen Akustik-Sensor gewonnen und e- benso wie das Mikrofonsignal einem Signalprozessor zugeführt, der dann Ausgangsdaten erzeugt, die das Audiosignal und zugeordnete Metadaten umfassen, die Ortsdaten aufwei- sen, die von den Orts-Informationen abgeleitet sind oder die den Orts-Informationen entsprechen. Die Audiodaten sind hierbei entweder Audiorohdaten oder bereits durch bekannte Kompressionsverfahren komprimierte Audiodaten.
Eine Notrufzentrale, die solche Ausgangsdaten empfängt, kann nunmehr anhand der Ortsdaten, die den Audiodaten zugeordnet sind, und aufgrund der Tatsache, dass der Akustik- Sensor ein mobiler Akustik-Sensor ist, der von der Person, die es zu überwachen gilt, getragen wird, entscheiden, wo sich die Person gerade befindet, um bessere, schnellere und effizientere Entscheidungen treffen zu können. Befindet sich die Person beispielsweise an einer kritischen Stelle in der Wohnung, wie beispielsweise im Bad oder in der Toilette, so muss, wenn keine bessere Abklärung stattfindet, auf jeden Fall eine Person zu Hilfe kommen. Befindet sich die Person jedoch an einer anderen, eher unkritischeren Stelle, beispielsweise auf dem Sofa, so kann ggf. mehr Zeit dazu verwendet werden, mit der Person zu kommunizieren, um herauszufinden, woran es ihr mangelt etc.
So haben auch viele andere Anwendungen von Akustik-Sensoren einen Vorteil dahin gehend, dass zusätzlich zu den Audiodaten, die geliefert werden, auch Orts-Informationen geliefert werden, die sich auf den Ort beziehen, an dem die Au- diodaten aufgezeichnet worden sind. Darüber hinaus wird es bevorzugt, neben den Orts-Information als zusätzliche Meta- informationen noch Aussagen über die Richtwirkung des Mikrofons, die Intensität des Signals und von anderen relevanten Parametern beizufügen, die auch Dynamikinformationen etc. des Audiosignals umfassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnung detailliert erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines mobilen Akustik- Sensors;
Fig. 2 eine bevorzugte Implementierung des erfindungsgemäßen mobilen Akustik-Sensors in Modulbauweise; und
Fig.3 eine Skizze zur Veranschaulichung der Ein- gangs-/Ausgangs-Konfigurierbarkeit des mobilen Akustik-Sensors gemäß einem bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiel .
Der mobile Akustik-Sensor umfasst, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ein Mikrofon 10 zum Aufnehmen eines Schallsignals 11, das auf das Mikrofon 10 fällt. Ferner ist eine Einrichtung 12 zum Liefern einer Orts-Information über einen Ort, an dem sich das Mikrofon 10 zum Zeitpunkt der Aufnahme des Schallsignals 11 befindet, vorgesehen. Ferner umfasst der mobile Akustik-Sensor einen Signalprozessor 14 zum Verarbeiten des Mikrofon-Ausgangssignals 15 und der Orts- Informationen 16, um Ausgangsdaten 17 zu erzeugen, die ein Audiosignal und als zugeordnete Metadaten Ortsdaten umfassen, die von den Orts-Informationen 16 abgeleitet sind oder die den Orts-Information entsprechen. Im ersteren Fall hat der Signalprozessor 14 noch diverse Ortsbestimmungen durch- geführt, um z.B. aufgrund von Orts-Informationen in Form von Laufzeiten, wie sie von der Einrichtung 12 geliefert werden, eine Position zu berechnen, während im letzteren Fall die Einrichtung 12 zum Liefern einer Orts-Information z.B. bereits eine komplette Ortsbestimmung erhalten hat und der Signalprozessor 14 dann diese komplette Ortsbestimmung in den Ausgangsdatenstrom hineinschreibt, beispielsweise mittels eines Multiplexverfahrens oder mittels einer Modulation etc.
Die Ausgangsdaten werden dann je nach Implementierung vom einem Sender 18 ausgesendet, der ein drahtloser Sender sein kann, der aber auch ein drahtgebundener Sensor sein kann, wenn der mobile Akustik-Sensor mit einem Kabel verbunden ist, beispielsweise einem Leitungsversorgungskabel oder einem Signalkabel.
Wenn der Sender 18 ein Funksender ist, dann umfasst er eine Funkschnittstelle zum übertragen der Ausgangsdaten zu einem entfernten Empfänger.
Je nach Implementierung umfasst der Signalprozessor 14 einen Audiokomprimierer, um das Mikrofon-Ausgangssignal zu komprimieren, um ein komprimiertes Audiosignal zu erhalten. Ferner ist dann der Signalprozessor 14 ausgebildet, um die Orts-Informationen 16 oder von den Orts-Information 16 abgeleitete Daten dem komprimierten Audiosignal als Metain- formationen zuzuführen. Hier können beispielsweise entspre- chende von den verschiedenen Audiokompressionsstandards freigehaltene Felder für Hilfsdaten bzw. Metadaten ohne Weiteres eingesetzt werden, so dass ein standardkonformes System entsteht.
Die Einrichtung 12 zum Liefern der Orts-Informationen ist ausgebildet, um ein Senden eines Ortungssignals zu zwei o- der mehr entfernten Referenzempfängern an bestimmten Referenzpositionen zu bewirken, und um die Orts-Informationen ansprechend auf ein Senden des Ortungssignals zu empfangen.
Zur Ortsbestimmung wird typischerweise ein Triangulationsverfahren oder ein anderes Verfahren durchgeführt, das auf einer Signallaufzeit basiert. Existiert nämlich z.B. eine Variabilität in zwei Dimensionen, so genügen bereits zwei Empfänger an vorbestimmten Empfangspositionen, die die Laufzeit eines Ortungssignals vom Sender messen. Dann kann eine Rechnereinheit aufgrund der beiden gemessenen Laufzeiten und unter Kenntnis der Positionen der beiden Referenz-
empfänger die Position des mobilen Akustik-Sensors sehr genau bestimmen und z.B. drahtlos zu dem mobilen Akustik- Sensor und insbesondere zu einer Empfangsantenne, die schematisch bei 19 in Fig. 1 gezeigt ist, übertragen, damit die Einrichtung 12 zum Liefern einer Orts-Information von dem entfernten Zentralrechner ihre Information erhält.
Je nach Implementierung kann die Einrichtung 12 zum Liefern einer Orts-Information jedoch auch ausgebildet sein, um ih- re Position autark zu bestimmen. Wenn eine relativ grobe Positionierung ausreichend ist, so kann dies durch eine GPS-Zelle oder eine andere absolute Ortsbestimmungseinrichtung stattfinden. Wenn die Genauigkeit jedoch nicht genügt, wie sie von einem geostationären Navigationssystem gelie- fert wird, so kann die Einrichtung 12 zum Liefern einer Orts-Information auch eine aktive Ortung ausführen, indem sie zum Beispiel zwei entfernte Empfänger, deren Referenzpositionen dem mobilen Akustik-Sensor bekannt sind, anspricht, um eine Aussendung von Ortungssignalen zu bewirken und um dann die Laufzeit zu messen, die das Signal benötigt, um von dem entfernten Referenzsensor zum mobilen A- kustik-Sensor zu kommen. Dann kann die Einrichtung 12 zum Liefern einer Orts-Information unter Kenntnis der beiden Referenzsensoren und der beiden gemessenen Laufzeiten ihren Ort berechnen und dem Signalprozessor 14 direkt zuführen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Einrichtung 12 zum Liefern einer Orts-Information auch ein Schallsignal zu Ortungszwecken statt des Funksignals zu Ortungszwecken sen- den, oder die Einrichtung 12 zum Liefern einer Orts- Information kann eine Ortung auch sowohl auf Funksignalen als auch auf Schallsignalen vornehmen.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Signalprozes- sor 14 ein DSP (digitaler Signalprozessor) , der durch Software programmierbar ist, um auf verschiedene Anwendungsfälle programmiert zu werden.
Je nach Implementierung ist der Signalprozessor 14 ferner ausgebildet, um das Mikrofon-Ausgangssignal zu analysieren, um als weitere Metadaten Daten zu liefern, die das Mikrofon-Ausgangssignal charakterisieren, und um diese weiteren Metadaten den Ausgangsdaten 17 hinzuzufügen. Die weiteren Metadaten sind beispielsweise die Lautstärke des Signals, eine Ursprungs-Richtung des Signals, die durch eine Richtwirkung des Mikrofons bzw. eines ggf. zusätzlich vorhandenen weiteren Mikrofons bestimmbar ist, der Frequenzbereich des Signals oder der Anteil der Signalenergie in einem Frequenzbereich bezogen auf ein anderes Frequenzband oder bezogen auf die Gesamtenergie des Signals in allen Bändern.
Weitere Zusatzinformationen, die der Signalprozessor durch Analyse des Mikrofon-Ausgangssignals selbst ermitteln kann, bestehen ferner in Informationen über die Schallquelle aus dem Mikrofon-Ausgangssignal, nämlich ob die Schallquelle ein Signal liefert, das sehr stark transiente Anteile aufweist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Gegens- tand auf einen anderen Gegenstand auftrifft und ausgehend von einem relativ leisen oder zumindest gleichmäßigen Hintergrundvolumen auf einmal ein schnell ansteigendes und wieder schnell abfallendes Signalgeschehen stattfindet, das auf einen Sturz einer Person hinweisen könnte. Alternative Audio-Signal-Analyseverfahren können darin bestehen, bestimmte Geräusche herauszufinden, wie beispielsweise bei der überwachung eines Motors etc. bei der nach einem ganz bestimmten Signalmuster gesucht wird, das auf ein problematisches System hinweist bzw. auf eine Situation hinweist, die nähere Beachtung benötigt.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen hat der mobile akustische Sensor auch eine Fremd-Lokalisierungseigenschaft dahin gehend, dass der mobile akustische Sensor Ortungssigna- Ie von anderen akustischen Sensoren erfassen kann und unter Kenntnis seiner eigenen Referenzposition und unter Kenntnis einer Referenzposition von einem anderen akustischen Sensor, d.h. von einem dritten akustischen Sensor, die Positi-
on des akustischen Sensors ausrechnen kann, von dem das Ortungssignal stammt, der sich also gerade orten möchte.
Fig. 2 zeigt eine speziellere Implementierung des mobilen akustischen Sensors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hier umfasst das Mikrofon ein eigentliches Mikrofonelement 10 und einen nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler 10b, der neben einer Ana- log/Digital-Wandlung auch eine Verstärkung oder ähnliche Funktionalitäten durchführen kann.
Ferner umfasst der mobile akustische Sensor einen Modulkern 20, der den Signalprozessor 14, der als DSP ausgestattet ist, umfasst, und der eine Audio-Eingangs/Ausgangs- Schnittstelle 22 und eine Steuer-Eingangs/Ausgangs- Schnittstelle 24 umfasst. Der Modulkern kann ferner mit einer Batterie 26 versorgt werden, die dann vorgesehen ist, wenn keine Stromversorgung stattfinden kann, beispielsweise eine Stromversorgung für ein elektrisches Gerät, mit dem der mobile akustische Sensor verbunden ist, um dieses Gerät in irgendeiner Form zu überwachen.
Die Audio-Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 22 ist eingangsseitig mit dem Mikrofon 10 koppelbar, und zwar über eine Modul- Verbindung 26a, wobei noch weitere Modul-Verbindungen 26b bis 26f vorhanden sind. Ferner ist die Audio- Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 22 mit dem DSP 14 verbunden, wobei diese Verbindung insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn der DSP 14 eine Signalanalyse des Audiosignals vor- nimmt. Insofern hat der DSP 14 auch eine Steuerleitung zur Audio-Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 22, um ein Feedback bezüglich einer Audioanalyse zu liefern, oder um die Schnittstelle zu steuern.
Der mobile Akustik-Sensor umfasst ferner eine Steuer- Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 24, die mit dem DSP 14 eine Zwei-Wege-Kommunikationsverbindung umfasst, und die mit der Audio-Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 22 ebenfalls unidirektio-
nal oder bidirektional kommuniziert. Ferner hat die Steuer- Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung Ausgabefunktionalitäten zu einem HF-Sender 28, zu einer Kabel-Schnittstelle 29 oder, obgleich in Fig. 2 nicht eingezeichnet, zu einer Anzei- ge/Steuerung, die extern ausgebildet ist, die beispielsweise eine graphische Schnittstelle oder eine akustische Schnittstelle 30 sein kann. Die Steuer-Eingabe/Ausgabe- Vorrichtung 24 enthält ferner eingangsseitige Informationen von einem HF-Empfänger 31, wobei der HF-Sender 28 ferner Informationen von der Audio-Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung 22 erhalten kann.
Je nach Implementierung kann auch der DSP 14 die Ausgangsdaten direkt zum HF-Sender 28 schicken, obgleich dies in Fig. 2 nicht gezeigt ist, da in Fig. 2 der DSP die Ausgangsdaten über die Audio-Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle und die Steuer-Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung zu dem HF-Sender 28 schickt, damit der HF-Sender 28 eine drahtlose übertragung der Ausgangsdaten vollbringt, die die Audiodaten und die Metadaten umfassen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Implementierung des Modulkerns 20 des akustischen Sensors, der eingangsseitig neben dem Mikrofon 10 mit verschiedenen HF-Schnittstellen 35a, 35b, 35c verbindbar ist, wobei die HF-Schnittstelle 35a eine allgemeine HF-Schnittstelle nach irgendeinem Schnittstellenprinzip ist, wie beispielsweise eine GSM-Schnittstelle oder eine DECT-Schnittstelle. Die Schnittstelle 35b ist dagegen eine Schnittstelle nach dem WLAN-Standard, während die Schnittstelle 35c eine Schnittstelle nach dem Bluetooth- Standard ist.
Auch ausgangsseitig können verschiedene Schnittstellen angebunden werden, die analog zu den Eingangsschnittstellen aufgebaut sein können, und die mit 28' /31' bzw. 28' '/31'' bezeichnet sind. Die Schnittstelle 29 ist beispielsweise eine standardisierte CAT 5-Schnittstelle, die auch unter der Bezeichnung „Ethernet"-Schnittstelle bekannt ist, um
eine drahtgebundene Nachrichtenkommunikation zu ermöglichen.
Nachfolgend wird auf weitere Implementierun- gen/Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen mobilen Akustik- Sensors bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zum akustischen überwachen eingegangen.
Akustische Sensoren erschließen sich in letzter Zeit zuneh- menden Anwendungen.
Dem Gewinnen akustischer Informationen und der damit verbundenen Metadaten wir Ort, Entfernung, Lautstärke, Richtwirkung, Frequenzbereich... usw. ist zunehmende Relevanz im industriellen Umfeld einzuräumen.
Die Erfindung beschreibt ein flexibles integriertes System, welches akustische Informationen aufnimmt, verarbeitet und verteilt. Schwerpunkt liegt auf der Mobilität und der damit verbundenen Miniaturisierung des Systems. Das Gewinnen a- kustischer Informationen und damit verbundener Parameter bildet das Basisziel der Erfindung. Dabei sind die Einheiten drahtlos ausgestattet, um einen breiten Anwendungsbereich zu erreichen.
Durch einen oder mehrere akustische Sensoren wird eine intelligente Matrix gebildet, die bevorzugt akustische Informationen und ihre Parameter gewinnt und schnittstellenkompatibel aufbereitet. Der Nutzer ist so in der Lage sofort auf diese Parameter zuzugreifen, um sie zu editieren oder weiter zu verarbeiten.
Technische Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung befinden sich daher beispielsweise in der akustischen überwa- chung zu Industriezwecken, im Arbeits/Umweltschutz, im Bereich des sogenannten „Assisted Living", also dort, wo z.B. kranke bzw. gebrechliche Personen unterstützt werden sol-
len, im Bereich der Sicherheitsanwendungen oder in der Robotik.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem akustische In- formationen ohne Metadaten, die sich auf Orts-Informationen beziehen, gewonnen werden, werden erfindungsgemäß neben den Audiodaten Metadaten, die Orts-Informationen umfassen, geliefert, was es auch ermöglicht, die vorliegende Erfindung als selbstlokalisierenden akustischen Sensor einzusetzen bzw. innerhalb eines Systems aus mehreren Sensoren zu Zwecken der Selbstlokalisation zu verwenden.
Erfindungsgemäß werden somit akustische Informationen und zusätzlich Parameter dieser akustischen Informationen ge- wonnen. Bei der Implementierung in einer selbstjustierenden Matrix bzw. einem selbstjustierenden Array wird ein bearbeitetes Signal mit den gewünschten Informationen zum Signal zu einem Empfänger geliefert. Insbesondere bei seiner Implementierung als modulares System kann eine anwendungs- bezogene Implementierung insbesondere aufgrund der Soft- ware-Konfigurierbarkeit erreicht werden, und zwar mit hoher Kosteneffizienz. Ferner wird es bevorzugt, ein miniaturisiertes System, das auch als embedded System bezeichnet ist, einzusetzen, das als gerätimplementiert einen Raumin- halt kleiner als 30 Kubikzentimeter und insbesondere kleiner als 10 Kubikzentimeter hat, was durch eine hohe Integration von Mikrofonen und Schaltungen zum Liefern der Ausgangsdaten erreicht wird. Ferner wird es bevorzugt, die gewonnenen Signale/Parameter über Standardschnittstellen zu übertragen. Nachdem die vorliegende Erfindung einen intelligenten DSP bei bevorzugten Systemen aufweist, kann die vorliegende Erfindung auch ohne Spezialkenntnisse im Selbstkonfigurationsmodus angewendet werden.
Der DSP liefert vorzugsweise eine Analyse des akustischen Signals und eine anwendungsbezogene Aufbereitung der Parameter, wobei der mobile Akustik-Sensor mit anderen mobilen Akustik-Sensoren bzw. einer Zentralstation drahtlos oder
drahtgebunden kommuniziert. Ferner wird es bevorzugt, eine Positionsinformation zu ermitteln, und zwar über eine Laufzeitbestimmung zu mindestens zwei weiteren mobilen Akustik- Sensoren.
Die Erfindung ist dahin gehend vorteilhaft, dass akustische Signale automatisch aufgenommen und mit relevanten, das a- kustische Signal beschreibenden Daten, versehen werden, die je nach Implementierung neben den Orts-Informationen noch zusätzliche Metadaten umfassen. Der erfindungsgemäße Sensor kann selbst Informationen zum Signal gewinnen und ausgeben. Externe Systeme können über Standardschnittstellen angebunden werden. Durch die miniaturisierte (embedded) Bauweise kann der Sensor so einfach angewendet und installiert wer- den. Ein Personalcomputer ist nur zur Konfiguration nötig, jedoch nicht zum Sensorbetrieb. Je nach lokaler Situation können verschiedene Module unterschiedliche übertragungsbereiche nutzen, wenn z.B. UHF wegen existierender Störfelder in einem Einsatzgebiet nicht möglich ist. Ein System aus erfindungsgemäßen Akustik-Sensoren kann selbst konfigurierend implementiert werden, wenn eine Einrichtungsphase stattgefunden hat, wenn also jeder Akustik-Sensor in einem Kommunikationsschema seinen Kanal bzw. seine Identifikation zugewiesen hat. Ein solches Kommunikationsszenarium umfasst neben kabellosen auch drahtgebundene Datenübertragungsfähigkeiten.
So sind industrielle Sensoren beispielsweise eingesetzt zur Schienenüberwachung, Brückenüberwachung, Materialüberwa- chung, an Maschinen, in der Landwirtschaft usw. Diese verbreiteten Anwendungen liefern meist das akustische Signal und ggf. Schaltimpulse. Sie werden meist per Kabel mit zentralen Einheiten verbunden, in denen dann das Signal ausgewertet wird. Weitere Informationen zu den akustischen Signalen können hier lediglich in der Auswerteeinheit aus dem Signal selbst gewonnen werden. Aussagen über Ort, Richtwirkung, Intensität u.a. relevante Parameter können damit nicht verbundenen Metadaten wie Ort, Entfernung,
Lautstärke, Richtwirkung, Frequenzbereich... usw. mit zunehmender Relevanz einzustufen.
Die Erfindung beschreibt ein flexibles integriertes System, welches akustische Informationen aufnimmt verarbeitet und verteilt. Schwerpunkt liegt auf der Mobilität und der damit verbundenen Miniaturisierung des Systems. Der Sensor besteht aus Modulen, die individuell bestückt werden können. Teilbereiche dieser Module sind hierbei Schallaufnahmeein- heit (inkl. Pegelanpassung), DSP Einheit, Ausgabe/Sendeeinheit (sieh auch Fig. 2) . Das System ist in der Lage untereinander oder mit einer Mastereinheit zu kommunizieren. Die Einheit wird drahtlos ausgestattet, um einen breiten Anwendungsbereich zu erreichen.
Es können auch externe Module (z.B. RFID) in das Netzwerk dieses Systems integriert werden. Damit verbundene Energieeffizienz ist somit eine maßgebliche Größe. Speziell wird durch einen oder mehrere akustische Sensoren eine intelli- gente Matrix gebildet werden, die bevorzugt akustische Informationen und ihre Parameter gewinnt und schnittstellenkompatibel aufbereitet. Der Nutzer ist so in der Lage sofort auf diese Parameter zuzugreifen, um sie zu editieren oder weiter zu verarbeiten. Das System soll als integrier- tes (embedded) , miniaturisiertes System ausgeführt sein, um breiten Anwendungen zugeführt werden zu können.
Anwendungsgebiete umfassen, wie es bereits ausgeführt worden ist, eine akustische überwachung in der Industrie, bei- spielsweise für Prozesse, Maschinen, Materialien und die Geräteprüfung. Weitere Anwendungsgebiete befinden sich im Arbeits/Umweltschutz, um einen Schallpegel zu überwachen, eine Emissionskarte zu erstellen, Grenzwerte zu erfassen, ein automatisches Limiting durchzuführen, eine Analyse von Schallquellen durchzuführen oder eine Auffindung von Schallquellen durchzuführen.
Im Hinblick auf sogenannte RF-IDs kann der erfindungsgemäße mobile Akustik-Sensor zur Erfassung von RFID-Objekten eingesetzt werden, und kann Informationen über RFID-Objekten liefern, die über eine ausschließliche Erfassung solcher Objekte hinausgehen.
Im Bereich des Assisted Living kann der erfindungsgemäße Sensor ebenfalls gute Dienste leisten, nämlich z.B. beim überwachen von Wohnungsumgebungen bei älteren oder kranken Personen, im sogenannten „Intelligenten Heim", bei der Meldung von akustischen Ereignissen mit Position und weiteren Parametern oder bei allgemein einem Prozesszyklus, der aus Erfassen/Analysieren, Lokalisieren, Verarbeiten und Melden besteht.
Auch im Sicherheitsbereich dient der erfindungsgemäße Akustik-Sensor zum Detektieren von Gefahren, zur Analyse von Paniksituationen oder zum kurzfristigen Erstellen eines a- kustischen überwachungsnetzwerks. Bei der Robotik kann der akustische Sensor in das System künstliche Intelligenz von Robotern eingebunden werden, um beispielsweise auf akustische Ereignisse, wie z.B. Sprachbefehle für einen Serviceroboter zu reagieren oder um typische/untypische Geräusche in industriellen Prozessen, beispielsweise bei Industriero- botern zu erkennen und entsprechend zu reagieren.
Auch im Bereich des Home-Entertainment kann der Akustik- Sensor zur automatischen Einmessung von Mehrkanal- Soundsystemen dienen. Auch eine Erfassung der aktuellen Sitzposition und eine entsprechend abhängige optimale Pegel/Zeiteinstellung kann durch den Akustik-Sensor geleistet werden, insbesondere in einem richtungsgerechten Home- Entertainmentsystem oder auch zum Erfassen von Panning- Informationen und beim Verstärken durch zusätzliches Sound- tuning.
Auch im Bereich der Beschallung kann eine Raumakustikanalyse durchgeführt werden oder es kann eine Quelllokalisation
und eine automatische Weitergabe von Richtungsinformationen durchgeführt werden. Auch eine Erfassung von Publikumsreaktionen und Informationen als kreatives Mittel für den Sounddesigner, z.B. dahin gehend, wo der Applaus am stärks- ten ist, kann erreicht werden. Andererseits kann ein Emissionsschutz bei Konzerten, und insbesondere bei lauten Konzerten durchgeführt werden. Bei größeren Soundanlagen kann ein automatisches Einmessen komplexer Soundsysteme erreicht werden.
In der Messtechnik können durch den erfindungsgemäßen mobilen Akustik-Sensor automatisch kalibrierende Mikrofonarrays erhalten werden.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen findet eine Kooperation der Akustik-Sensoren mit RFID-Elementen statt. Mit RFID-Elementen können erfindungsgemäße mobile Akustik- Sensoren beispielsweise zu Zwecken der Lokalisation zusammenarbeiten, wenn die Lokalisation über Funksignale statt- findet. Dann können RFID-Empfänger Laufzeitmessungen durchführen und ihre Ergebnisse zu einer Zentraleinheit melden, die dann die tatsächliche Position berechnet.
Audio wird über ein Mikrofonmodul aufgenommen und AD gewan- delt. Im DSP werden Metainformationen zugefügt (in eine Locke im Datenstrom) . Dies kann sowohl über standardisierte Verfahren (AAC, Broadcastwave, MXF... ) oder auch proprietäre Formate erfolgen. Das mit Metadaten „angereicherte" Audiosignal wird über RF oder Kabel zu einer weiteren Einheit übertragen und kann dort ausgepackt werden. Das geschieht, indem die Metadaten und Audiodaten demoduliert werden, das Audio wenn nötig DA gewandelt wird und die Metainformationen als Standardformat (z.B. ASCI) am Modul zur Verfügung gestellt werden.
Gewinnen der Metadaten:
Positionsinformation - werden gewonnen über
1. Funkpeilung aktiv
Das relevante Modul (welches das Audiosignal liefert) sen- det über sein RF Transmittermodul einen Impuls aus und kann über mindestens 2 weitere erfindungsgemäße Einheiten mit Receiver Modulen lokalisiert werden, indem die Laufzeit zu jeder Einheit ermittelt wird. Das System ermittelt so relative Positionskoordinaten, die mit Kenntnis über die festen Koordinaten der beiden Receiver Einheiten zu absoluten Koordinaten gewandelt werden können, welche dann die Position im Raum beschreiben (z.B. absolute Koordinaten [Länge, Breite in Grad/Sekunden, x,y,z...)
Zur Gewinnung dieser Informationen können verschiedenste Modulationen (Wellen) in der Luft verwendet werden. Dabei ist die Anwendung und die Umgebung entscheidend. So können von Schallwellen im hörbaren Frequenzbereich bis zu Mikrowellen verschiedene Verfahren zur Lokalisation verwendet werden. Dabei ist lediglich das Receive/Transmit Modul an der erfindungsgemäßen Einheit auszutauschen.
2. Funkpeilung passiv
Ebenfalls möglich ist eine Lokalisierung des Sensors über passive Peilung. Hier kann mit bekannten Verfahren, wie sie im RFID Bereich üblich sind von 2 erfindungsgemäßen Einheiten ein Signal ausgesendet von der zu lokalisierenden Einheit verändert und von den aussendenden Einheiten wieder empfangenes Signal Aussage über die Position des zu lokalisierenden Sensors liefern. Das passive Verfahren zeichnet sich jedoch durch geringere Reichweiten aus und wird somit nicht alle Anwendungsforderungen erfüllen.
Signalinformation (Pegel, Dynamik...) - werden gewonnen ü- ber :
Spezielle Algorithmen, die direkt im DSP implementiert sind und dort das Audiosignal analysieren. So können bestimmte Parameter direkt (z.B.: absoluter Pegel beträgt ... dB) als Schwellwert (absoluter Pegel von... dB wurde überschritten) oder indirekt (absoluter Pegel von... dB wurde in Zeit ... s erreicht - das bedeutet Alarm XY) usw. Die einzelnen Sensoren können somit individuell auf ihre jeweilige Anwendung angepasst werden (worauf sollen sie hören/reagieren) .
über die Bestückung der erfindungsgemäßen Einheiten mit Kommunikationsmodulen und die Möglichkeit der individuellen anwendungsbezogenen Programmierung sind diese Sensoren vielseitig einsetzbar.
Wie es ausgeführt worden ist, ist der DSP 14 in Fig. 1 bzw. Fig. 2 oder Fig. 3 individuell anpassbar über Softwaremodule. Entweder ist eine direkte Schnittstelle am Sensor vorgesehen oder die individuelle Anpassung funktioniert über ein sogenanntes „Flashen", also dass je nach Implementie- rung eine andere Speicherkarte mit gespeicherten Konfigurationsdaten in den Akustik-Sensor eingesetzt wird, wobei eine solche Speicherkarte z.B. als Flash-Speicher ausgeführt ist.
Fig. 2 zeigt eine prinzipielle Funktionsweise einer vorliegenden Implementierung, bei der die Haupteinheit 20 aus dem DSP 14, der Audio-I/O-Einheit 22 und dem Steuermodul 24 besteht. Die Haupteinheit 20 kann mit Modulen individuell bestückt werden, um anwendungsbezogen konfiguriert zu werden. Neben der spezifischen Matrixkonfiguration werden die einzelnen Einheiten mit Softwarepaketen bespielt, die sich konfigurieren .
Bei einer Beispielkonfiguration zur Gewinnung von akusti- sehen Signalen und Metadaten wird das akustische Signal von dem Mikrofonmodul 10 erfasst und nach einer A/D-Wandlung in der I/O-Einheit am DSP bereitgestellt. Der DSP bekommt weiterhin Metadaten über die Steuereinheit 24, wie beispiels-
weise Position, Pegel, Dynamik u.a. Diese Daten werden im DSP in einem Audiostrom verpackt, wie beispielsweise einem MXF-Audiostrom und das Signal kann über eine Ausgabeeinheit (Kabel, HF...) bereitgestellt werden. Im DSP erfolgt eine weitere Auswertung des Audiosignals entsprechend den Anforderungen und dem gewählten Softwaremodul. Eine weitere Einheit kann nun das Signal empfangen oder das Signal kann gleich auf eine konventionelle Einheit, wie beispielsweise einen Computer gespielt werden.
Bei einer anderen Beispielskonfiguration zur Gewinnung von Positionsparametern sind neben dem Eingangssensor, also der Einheit für die die Position ermittelt werden soll, zwei weitere mobile Akustik-Sensoren für eine zweidimensionale Bestimmung bzw. drei weitere mobile Akustik-Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung für eine dreidimensionale Positionsbestimmung erforderlich. über eine Laufzeitbestimmung basierend auf den Signallaufzeiten der Einheiten zum Eingangssensor wird nun die Position des Eingangssensor rela- tiv zu den Positionssensoren ermittelt. Der Eingangssensor empfängt über seine HF-Schnittstelle die Laufzeiten und berechnet nun seine eigene Position. Um eine absolute Koordination zu erhalten, werden die Positionen der Positionssensoren bekannt, z.B. deren geographische Länge oder Breite. Positionssensoren benötigen somit eine Transceiver bzw. eine Transmitter/Receiver-Bestückung.
Aus den voranstehenden Beispielen ist ersichtlich, dass sich das System flexibel gestaltet und somit individuell auf den Anwendungsfall angepasst werden kann und damit Kosten spart.
Abhängig von den Gegebenheiten können die erfindungsgemäßen Verfahren in Hardware oder in Software implementiert wer- den. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass
ein Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Compu- ter-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.