一种基于BIM建模的智慧家庭室内定位方法和系统

技术领域

本申请涉及室内定位技术领域，具体涉及智慧家庭中的BIM建模和室内定位领域，尤其涉及一种基于BIM建模的家庭室内定位方法和系统。

背景技术

智慧家庭是综合运用无线网络、云计算、5G、物联网以及大数据等信息技术满足家庭用户设备智能控制、影音视听娱乐、家居信息化智能化的智慧生活服务系统。它能实现家庭生活方式的智能、舒适、安全、便捷以及个性化。传统家庭日常生活管理看似简单实则复杂而繁琐，当前大部分依赖人力进行维护和管理，特别是家庭成员的个人良好的生活习惯。针对家庭日常管理，特别是对于作为家庭主要维系者和操持者的家庭主妇而言，常见的一个痛点就是有些日常用品在急需使用的时候往往找不到或者记不清楚放在哪里。如果不是依赖固定的存放位置且严格遵循使用之后立即归位的良好习惯来维持，则会经常出现在需要及时使用的时候找不到具体位置的情况。

科技水平的提升促进了室内定位技术的发展，但实际上当前情况下的室内定位大多数着重于对公共场所的室内定位的研究，诸如，针对地下停车场、办公楼宇、医院等生成室内导航路线等。

在专利申请CN 108734992 A“一种停车场定位寻车方法及介质”中主要揭示了如何在地下停车场环境结合BIM技术生成导航路线。在专利申请CN 107339984 A“基于增强现实技术的三维室内定位系统”中主要提到了室内定位依赖于大量的终端设备来进行导航。在专利申请CN 106767819 A“一种基于BIM的室内导航数据构建方法及导航系统”中主要利用BIM生成栅格技术位置数据进行室内导航。但所有这些技术的应用场景并不适合于家庭室内环境。

随着我国智慧家庭的产业的迅速发展、智慧家庭应用的落地推进以及生活水平的不断提升，为了进一步减轻用户家庭日常管理的负担，提升家庭日常管理的便捷性，急需一种用于实现家庭物品的智能化管理的方法和系统，从而提供一种更为便捷和智能的辅助助手，将万千家庭主妇从繁琐的日常事务中解放出来。

在本申请的技术方案中，该智慧家庭管理系统基于对BIM技术的使用，对家庭内部结构进行空间建模和位置标识，并结合RFID和传感器技术针对每一项家庭用品进行标识和定位，在联合利用语音分析和本申请的室内位置算法计算的基础上，实现用户通过语音智能化查找家庭用品。系统会根据请求向家庭用品发出室内定位寻呼，基于空间位置计算后向用户告知物品所在的室内位置，从而减轻家庭日常管理者的负担。特别是在日常家庭主妇遇到某一件物品需要使用而无法准确记忆物品存放位置的情况下，本申请的方法和系统尤其有用。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在标识出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以作为稍后给出的更加详细的描述之序。

本申请针对在传统家庭中，对物品的管理主要依靠人工记忆来维护效率极为低下(诸如，当用户急需使用某一件物品的时候常常找不到或者记不清当时存放的位置)的问题，利用BIM技术对智慧家庭进行建模并结合传感器和RFID技术构建了一种智慧家庭家居物品智能化管理的系统和方法。利用本申请的方法和系统，就能够实现用户通过语音来自动查找家庭中的各项物品，从而利用智能化技术极大地提升了家庭管理效率，提高了智能生活的便利性。

根据本申请的第一方面，描述了一种基于BIM建模技术的智慧家庭室内定位方法，该方法包括：

系统启动以等待用户语音输入；

解析用户语音输入以提取物品名称；

基于物品名称发出寻呼命令；

当物品收到寻呼命令后，查找附近的多个传感器；

查找传感器信息库以确定多个传感器的空间区域编码；

确定其中包含最多数量的传感器的特定空间区域编码；

基于特定空间区域编码查找其上层空间编码并生成最终位置编码；

基于最终位置编码找出位置别称；

基于位置别称来生成语音结果并播放语音结果。

根据本申请的第二方面，描述了一种基于BIM建模技术的智慧家庭室内定位方法，该方法包括：

系统启动以等待用户语音输入；

解析用户语音输入以提取物品名称；

基于物品名称发出寻呼命令；

当物品收到寻呼命令后，查找附近的多个传感器；

查找传感器信息库以确定多个传感器的空间区域编码；

确定其中距离最近的传感器的特定空间区域编码；

基于特定空间区域编码查找其上层空间编码并生成最终位置编码；

基于最终位置编码找出位置别称；

基于位置别称来生成语音结果并播放语音结果。

根据本申请的优选实施例，多个传感器包括区域关联传感器和邻近传感器，其中区域关联传感器与物品所在的特定区域相关联。

根据本申请的优选实施例，空间区域编码、上层空间编码、以及最终位置编码都基于BIM建模技术。

根据本申请的第三方面，提供了一种基于BIM建模技术的智慧家庭室内定位管理系统，该系统包括：

RFID设置模块，用于对物品进行RFID设置；

物品入库模块，用于扫描物品的RFID并入库以生成物品信息；

BIM建模模块，用于基于物品的RFID来生成BIM模型和物品的空间位置；

语音输入模块，用于接收用户语音输入；

语音分析模块，用于解析用户语音输入以提取物品名称，并基于物品名称发出寻呼命令；

物品搜索模块，用于基于寻呼命令来搜索物品；以及

语音播报模块，用于播放搜索结果，

传感器管理模块，用于对物品的区域管理传感器和邻近传感器进行管理；以及

数据库，用于存储BIM模型、空间位置、物品信息以及与空间位置相关联的区域关联传感器信息，

其中搜索结果是基于其中包含最多数量的传感器的特定空间区域编码或距离物品最近的传感器的特定空间区域编码来生成的。

为能达成前述及相关目的，这一个或多个方面包括在下文中充分描述并在所附权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了这一个或多个方面的某些解说性特征。但是，这些特征仅仅是指示了可采用各种方面的原理的各种方式中的若干种，并且本描述旨在涵盖所有此类方面及其等效方案。

附图说明

为了能详细理解本申请的以上陈述的特征所用的方式，可参照各方面来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中解说。然而应该注意，附图仅解说了本申请的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为本描述可允许有其他等同有效的方面。

在附图中：

图1是解说家庭空间的3D示意图；

图2是解说家庭室内空间的区域划分示意图；

图3是解说家庭室内空间的层级示意图；

图4是解说利用BIM技术对室内空间进行空间建模和位置标识的流程图；

图5是距离感应传感器和物品在空间位置标识；

图6是解说根据本申请的实施例的家庭家居物品智能化管理系统的示意图框图；以及

图7是解说利用本申请的方法对家庭家居物品进行空间定位的流程图。

具体实施方式

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而无意表示可实践本文所描述的概念的仅有配置。本详细描述包括具体细节以提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，没有这些具体细节也可实践这些概念。在某些实例中，以框图形式示出众所周知的组件以便避免淡化此类概念。

应当理解，基于本公开，其他实施例将是显而易见的，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下做出系统、结构、过程或机械改变

本申请首先需要利用建筑信息模型(Building Information Modeling，以下简称BIM)技术对智慧家庭内部结构进行建模并进行物品的空间位置标识。

BIM技术在建筑工程的各个阶段得到了广泛的应用，其模型可以包含几何信息、功能要求和构件性能、维护管理等。BIM技术能够提供强大的室内空间信息数据。

附图1示出了常见的三室一厅一厨一卫的家庭用户的3D空间示意图。以下结合附图1来描述利用BIM技术来对室内空间进行建模的流程图。

首先，需要提取建筑物的BIM模型中的空间信息要素，获得包括平面要素在内的BIM简化模型和平面格栅图像，并结合室内户型对该平面格栅图像进行处理以获得室内区域。

然后，根据不同位置划分不同的功能区域，以【序号-功能区ID-功能区别称序号】的方式对各个区域进行命名。例如，1-WS001-001被用于标识第一个卧室。同时针对每一个具体空间，可采用M*N*Q的方式进行区域位置细分，参见以下附图2。

附图2中示出了空间区域划分的示意图。

其中，M用于标识立体区域中长度的划分段数，N用于标识立体区域中宽度的划分段数，而Q用于标识立体区域中高度的划分段数。根据M*N*Q个区域的划分，将立体空间区域标识为MaNbQc-别称ID。其中a的取值范围为{1，M}，b的取值范围为{1，N}，c的取值范围为{1，Q}。别称可由用户自行定义，默认为数字标号，如1、2、3...、M*N*Q(总共包含M*N*Q个空间)。

若上述空间代表卧室1-WS001-001，以图2中所示的区域M4、N2、Q2为例，则该卧室的区域位置标识为：M4N2Q1-4，(为简单表示起见，下文以空间A代替)。

综上所述，则A的最终位置标识为1-WS001-001-M4N2Q1-4，前半部分(房间区域标识码)表示空间A的功能区域标识，而后半部分(室内空间标识码)表示空间A的空间区域位置标识。

基于每一个空间区域的等距离划分，在某一空间区域对应的墙的位置设置一个距离传感器。当存在多个面关联墙壁的情况下，为了提高定位精度可以设置多个传感器。自然能理解，当某个区域没有任何面与墙壁关联的情况下，则不设置传感器。于是，基于上述划分，室内空间每一个位置都被指派有唯一一个标识和0-2个距离传感器。经过BIM建模和位置标识之后，室内空间区域的位置信息结构可表示如下。

{房间区域标识码(【序号-功能区ID-功能区别称序号】)(必须)，室内空间标识码(MaNbQc-别称ID)(必须)，区域关联传感器(传感器标识1、2、...、N)(必须)，附近传感器(传感器标识1、2、...、N)(可选)，位置别称(可选)，靠近区域空间码{MaNbQc-别称ID，MaNbQc-别称ID，MaNbQc-别称ID...}(可选)，上层区域标识，扩充标识{1、2、...、N}}。

针对房屋内部存在其他结构的情况，诸如柜子等，可以按照此方法依次进行空间划分，通过上层区域标识进行关联。考虑到复杂情况下由于遮挡等原因，部分传感器可能存在信号弱等情况，可在智慧家庭管理系统里面针对特殊情况使用扩充标识{1、2、...、N}进行说明。因此整个房屋空间区域划分的层级如以下附图3中所示。

如图3中所示，其中示出了室内空间的层级示意图。

第一层级代表房屋标识，第二层级代表房间标识，第三层级代表房间中的空间区域标识，而第四层级代表局部区域标识。

当然，如本领域技术人员能够领会的，上述层级的划分仅仅是示意性的，本领域技术人员完全能够根据实际需要对层级进行不同的划分，以更为方便地管理家居物品。上述划分都落在本申请的范围之内。

以下结合附图4来详细描述根据本申请的利用智慧家庭家居物品智能化管理系统并结合BIM和位置标识技术对家庭进行结构化区域划分并生成空间位置数据库的方法的流程。该方法主要包括如下步骤。

系统初始化并建模

在对系统进行初始化之后，根据家庭中的实际房屋构造，利用BIM技术对空间进行3D建模，从而获取每个房间、空间的长、宽、高等关键位置信息。

确定房屋的第一、二层级编码

其中第一层级用于对房屋进行标识，而第二层级用于对房间进行标识，参见图3。确定房屋中各个空间区域的第一、二层级编码。如果用户只有一层楼，则用序号1标识，否则依次递增。此外，例如，用KT标识客厅，用WS标识卧室。举例来说，房间区域标识码(【序号-功能区ID-功能区别称序号】)1-WS001-001就用于标识第一楼的第一个卧室，其中1表示一楼，WS001表示第一个卧室，别称为主卧，别称序号为001。

若已经对所有房间进行编码，则该流程结束。

若存在未编码房间，则选取房间进行更高层级编码

如前一步中所述，选择第一个房间(卧室)，进入更高层级的编码。其中第三层级用于对空间区域进行标识，而第四层级用于对局部区域进行标识，参见图3。

第三层级的位置建模和编码。用户输入空间区域划分为2*2*2，则将卧室分为8大区域，分别标识为M1N1Q1、M1N1Q2、M1N2Q1、M1N2Q2、M2N1Q1、M2N1Q2、M2N2Q1、以及M2N2Q2；标号区域按照自底向上，自东向西的方向标识。则位置信息标识为1-WS001-001-M1N1Q1、1-WS001-001-M1N1Q2、......依次递推。

如果需要对卧室局部区域进行编码，则继续进行区域划分2*1*2标识衣柜的区域，则标识为M11N11Q11、M11N11Q12、M12N11Q11、以及M12N11Q12。若传感器测得衣柜位于M1N1Q1、M1N1Q2、M1N2Q1房间区域，则以按照标识方向占据横向和纵向最大的坐标角来标识。举例来说，如果衣柜M11N11Q11占据最大空间区域为M1N1Q2，则该衣柜的空间区域标识为1-WS001-001-M1N1Q2-M11N11Q11。

根据上述方法对所有房间以及房间中的物品进行位置标识，并生成空间位置数据库。

需要注意的是在基于BIM对房屋进行建模之后，需要根据每个建模房间的M、N、Q以及局部区域M1、N1、Q1进行划分，在每个区域靠墙的顶点部署距离传感器，并将传感器位置信息初始化到系统中以生成传感器信息库。在本申请的技术方案中，其实施基于BIM构建室内模型并对空间进行位置的五元组标识，即，序号-功能区ID-功能区别称序号-MaNbQc-别称ID，同时需要在被管理的物品上标注RFID和关联传感器标识码方可发挥作用。

本申请同时提出了一种基于距离传感器的位置计算方法。图5中示出了距离感应传感器和物品在空间位置中的标识示意图。

如图5中所示，物体A(圆点，事先安装有距离传感芯片和信号接收芯片)位于图中所示空间位置，其附近有若干距离感应传感器(用方块标识)。

当物体A收到系统发出的位置寻呼的时候，通过附近的距离传感器找出距离最近的N个传感器(N可由用户根据定位的精度来定义)，在本示例为8个传感器，分别被标识为C1、C2、...、和C8。计算物体A与各个传感器的距离，并按照距离远近进行排序。在本示例中，依次为：C5、C6、C3、C7、C2、C1、C8。

此时，根据房屋所有空间位置的描述去搜索BIM空间位置数据库，利用区域关联传感器和附近传感器这两个参数取交集以获取最大数目的传感器位置区域，其中关联传感器为主要判断参数，而附近传感器为参考参数。当只存在一个关联传感器时，则该关联传感器对应的区域位置标识为该物体的位置；当存在多个关联传感器时，则附近传感器的数量越多的区域标识为该位置区域。其具体算法描述如下。

1.物体A上的信号接收芯片收到通过广播寻呼来查找位置的信息后，确认是对应要查找的物体。

2.物体A向附近的传感器发出位置信息寻呼，按照收到的传感器的序号进行排序，分别为C5、C6、C3、C7、C2、C1、C8(参见附图5)。

3.物体A返回其位置信息排序给系统。

4.系统根据传感器序号去查找空间数据库中所关联的相关传感器的位置标识。例如，number{MaNbQc-1}＝X，number{MaNbQc-2}＝Y，而number{MaNbQc-3}＝0等。举例而言，区域MaNbQc-1关联的传感器数目X为1，区域MaNbQc-2关联的传感器数目Y为2，而区域MaNbQc-3关联的传感器数目为0。

5.计算Max{number{MaNbQc-1},number{MaNbQc-2},...,number{MaNbQc-N}}，则最大值所对应的区域标识即为该物品所在的位置。以上述为例，该值为Y＝2，则区域MaNbQc-2被确定为该物品所在的位置。

当然，在本申请的另一实施例中，物体A能够在收到寻呼广播之后，查找其附近的多个传感器，然后确定离其最近的传感器所在的区域作为物品所在的区域。这也是能够为本领域技术人员所能理解的。

本申请还提供了一种智慧家庭家居物品智能化管理系统。图6中示出了智慧家庭家居物品智能化管理系统的架构图。

该系统主要用于管理智慧家庭的BIM模型，对家庭空间位置以及家居物品进行智能化管理，进行物品位置查找以及物品的维护，并包含语音识别解析功能，并用于和用户进行交互。为了更好地进行智能化管理，同时保证本申请的技术反方案可以被扩充到其他更为广泛的使用环境，本系统为一种分布式系统，随着物联网技术发展，该系统可被用于各种边缘计算场景。本领域技术人员对此完全能够领会并且这些使用场景同样落在本申请的范围之内。

如图6中所示，该管理系统主要包括以下模块：

RFID设置模块，用于对物品进行RFID设置；

物品入库模块，用于扫描物品的RFID并入库以生成物品信息；

BIM建模模块，用于基于物品的RFID来生成BIM模型和物品的空间位置；

语音输入模块，用于接收用户语音输入；

语音分析模块，用于解析用户语音输入以提取物品名称，并基于物品名称发出寻呼命令；

物品搜索模块，用于基于寻呼命令来搜索所述物品；以及

语音播报模块，用于播放搜索结果；

传感器管理模块，用于对所述物品的区域管理传感器和邻近传感器进行管理；以及

数据库，用于存储BIM模型、空间位置、物品信息以及与空间位置相关联的区域关联传感器信息，

其中搜索结果是基于其中包含最多数量的传感器的特定空间区域编码或距离物品最近的传感器的特定空间区域编码来生成的。

以下结合图7来详细描述利用本申请的智慧家庭家居物品智能化管理系统、基于BIM建模技术并集合上述智慧家庭室内定位方法来对智慧家庭家居物品进行智能化管理的过程。该过程主要分为以下步骤。

S1：系统启动。

利用BIM技术，针对个人家庭进行室内BIM建模，按照图5中所标识的流程进行BIM空间建模和位置标识。并且搭建和部署了智慧家庭家居物品智能化管理系统。根据上述建模结果能够将位置信息输入到智慧家庭家居物品智能化管理系统并进行初始化以生成位置数据库和传感器信息库。

针对个人家庭物品进行RFID设置和扫描入库，生成物品信息库。

S2：等待用户输入

启动语音识别模块开始等待用户输入。

S3：用户输入

检测到用户语音输入，诸如，用户输入“我家的XX在哪里”。

S4：语音解析

收到语音命令之后，语音分析模块对上述语音进行语义解析，以提取例如“XX”的物品名。

S5：发出位置寻呼命令

系统查找基础信息模块找到与“XX”对应的ID，并向贴有RFID标识的所有物品发出包含该物品ID的广播信息。

S6：收到寻呼确认

所有贴有RFID标识的物品在接收到该广播信息之后，根据该RFID标识进行核对，对该ID作出确认的物品向周边的传感器发出距离感应信息，传感器反馈(经由传感器编码、距离等)信息。

S7：物品计算与传感器的距离

当贴有该RFID标识的物品收到寻呼命令之后，利用其内置芯片进行计算，以找到距离最近的N(例如8)个传感器。

S8：反馈传感器编码

XX将N个邻近传感器的编码反馈给系统。

S9：查找传感器信息库

系统通过搜索传感器管理模块找到该传感器对应的位置以及邻近空间位置的标识。

S10：定位区域编码

通过区域关联传感器(传感器标识1、...、N)(必须)以及附近传感器字段来计算最有可能的区域编码。

S11：查找上层级空间编码

根据空间区域编码层级查找上面层级的空间编码。

S12：生成最终位置编码

根据区域编码和上层空间编码生成物品的最终位置编码。

S13：根据最终位置编码找出位置别称

系统查找空间位置数据库找到具有该传感器的最终位置编码并找到对应的位置别名。

S14：生成语音结果

根据上述位置别称来生成语音结果。

S15：播放物品位置信息

语音播报模块对语音结果进行播放，诸如，“您的XX放在卧室柜子的第一个区域”。

如果等待寻呼超时，则系统会播放没有该物品信息的提示。

因此，通过利用本申请的智慧家庭家居物品智能化管理系统、基于BIM建模技术并集合智慧家庭室内定位方法，用户就能够对智慧家庭中的家居物品进行智能化管理，并能高效地管理家庭，从而提高了智能生活的便利性。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下优势。

第一，利用BIM空间建模技术，从而能够对智慧家庭家居物品的位置进行标识，并建立相应的模型和数据库，以方便后期操作。

第二，提出了一种新型的对智慧家庭家居物品进行智能化管理的系统架构和设计，能够方便用户以智能化的手段管理家居物品，提高了生活的便利性。

第三，提出了一种对于家庭室内空间区域划分和传感器定位的方法，从而能够细化诸如家庭房间、甚至局部区域的空间管理。

应该理解，所公开的方法中各步骤的具体次序或阶层是示例性过程的解说。基于设计偏好，应该理解，可以重新编排本文描述的方法或方法体系中各步骤的具体次序或阶层。所附方法权利要求以样本次序呈现各种步骤的要素，且并不意味着被限定于所呈现的具体次序或阶层，除非在本文中有特别叙述。

提供先前描述是为了使本领域任何技术人员均能够实践本文中所述的各种方面。对这些方面的各种改动将容易为本领域技术人员所明白，并且在本文中所定义的普适原理可被应用于其他方面。因此，权利要求并非旨在被限定于本文中所示出的各方面，而是应被授予与权利要求的语言相一致的全部范围，其中对要素的单数形式的引述并非旨在表示“有且仅有一个”(除非特别如此声明)而是“一个或多个”。除非特别另外声明，否则术语“一些”指的是一个或多个。引述一列项目中的“至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“a、b或c中的至少一者”旨在涵盖：至少一个a；至少一个b；至少一个c；至少一个a和至少一个b；至少一个a和至少一个c；至少一个b和至少一个c；以及至少一个a、至少一个b和至少一个c。本公开通篇描述的各种方面的要素为本领域普通技术人员当前或今后所知的所有结构上和功能上的等效方案通过引述被明确纳入于此，且旨在被权利要求所涵盖。此外，本文中所公开的任何内容都并非旨在贡献给公众，无论这样的公开是否在权利要求书中被显式地叙述。