（模式识别与智能系统专业论文）热释电红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现.pdf

热释电红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现 热释电红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现 专 业：模式识别与智能系统 硕士生：黄鑫 指导教师：郭雪梅副教授 摘要 人体定位是人体运动检测与理解的重要组成部分，它通过对人的运动进行识 别和跟踪来判识目标行为含义。人体运动定位是智能监控、高级人机接口、人体 运动分析、人体行为理解等领域涉及的共性关键技术。现有人体定位技术主要包 括无线射频、超声波测量、g p s 测量、基于图像和主动式红外检测法，上述方法 因为能耗和可移动性等因素限制，不适用于一些特殊环境。 热释电红外传感器因其对特定波长人体红外辐射敏感，能耗低的特性，适合 使用于人体定位领域，应用这种传感器设计一种高精度、适合应用在无线传感器 网络中的定位系统是本文研究的主要问题。 论文主要工作包括设计基于热释电红外传感器的无线传感器网络定位方法、 设计协议网关与监控终端、系统实现并进行实验验证，文中主要研究内容和方法 可以归纳为： 1 应用监控区域分割与相交细化实现人体定位。呈正三角形放置的三个热释 电红外节点的相交传感区域被分割为多个子区域，各个子区域分配不同的 位置编码，实验中通过三个节点采集的数据计算得到人体的坐标信息。 2 设计协议网关适配不同网络传输协议网络，在协议网关上提供以太网、w i f i 和串行接口，数据经过协议网关发送至监控终端。通过在协议网关所运行 的w i n d o w s c e 操作系统下开发协议转换软件，实现无线传感器网络z i g b e e 通信协议与p d a 监控终端w i f i 通信协议的适配。监控终端用于采集、处 摘要 理和分析数据，p c 监控终端主要应用于移动性要求较低但数据处理复杂度 较高的场合，p d a 监控终端主要提供便捷的移动性，适用于远程数据采集 与简单分析。 3 本文对上述设计方案进行了实验验证，采集、处理并分析数据，通过实验 验证了系统定位的性能与精度。通过相关滤波方法对定位数据进行后期处 理，结合m a t l a b 展示定位效果，文中对比了相关文献数据，验证系统效 果，指出提升系统性能的途径。 关键词：人体定位，热释电红外，分割编码，协议网关，监控终端 热释电红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp y r o e l e c t r i ci n f r a r e d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh u m a n p o s i t i o n i n gs y s t e m m a j o r ：p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m n a m e ：x i nh u a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f x u e m e ig u o a b s t r a c t t h eh u m a np o s i t i o n i n gi sa l l i m p o r t a n tp a r to fh u m a nm o t i o nd e t e c t i n ga n d u n d e r s t a n d i n g ，w h i c hd e t e r m i n e st h em e a n i n go ft a r g e t sm o t i o nb yi d e n t i f y i n ga n d t r a c k i n gh u m a n sb e h a v i o r h u m a np o s i t i o n i n gi st h ek e yt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do f i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g ，a d v a n c e dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，h u m a nm o t i o na n a l y s i s a n dh u m a nb e h a v i o ru n d e r s t a n d i n g n o w a d a y s ，h u m a np o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y i n c l u d e sr f , u l t r a s o n i c ，g p s ，i m a g eb a s e da n da c t i v ei n f r a r e dm e a s u r e m e n tm e t h o d s f o rt h ef a c t o r so fe n e r g yc o n s u m p t i o n ，m o b i l i t yl i m i t a t i o na n de r e ，t h em e t h o d s m e n t i o n e da b o v ea r e n ts u i t a b l ef o rs o m ec e r t a i na p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t s p y r o e l e c t r i ci n f r a r e ds e n s o ri ss u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no fh u m a np o s i t i o n i n g b e c a u s ei t ss e n s i t i v et os p e c i f i cw a v e l e n g t hi n f r a r e dr a d i a t i o ne m i t t e db yh u m a nb o d y a n dl o wi ne n e m yc o n s u m p t i o n a c c o r d i n gt ot h e s ep h y s i c a lp r o p e r t i e s ，t h em a i n p r o b l e mt h a ti ss t u d i e di nt h i sp a p e ri st od e s i g nah i g h p r e c i s i o np o s i t i o n i n gs y s t e m t h a tw o r k si nt h ee n v i r o n m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) t h i s p a p e ri n c l u d e s t h r e ep a r t s ：r e s e a r c ho fp y r o e l e c t r i ci n f r a r e ds e n s o r p o s i t i o n i n gs t r a t e g yf o rw s n ，p r o t o c o lg a t e w a ya n dm o n i t o rt e r m i n a ld e s i g n ，a n d s y s t e mv e r i f i c a t i o n t h em a i nr e s e a r c ha n dm e t h o d s c a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a p p l yt h er e g i o n a ld i v i s i o na n di n t e r s e c t i o nr e f i n i n g t or e a l i z et h eh u m a n i i i a b s t i t a c t p o s i t i o n i n g t h r e ep y r o e l e c t r i ci n f r a r e dn o d e s a rep l a c e di n t oe q u i l a t e r a lt r i a n g l e t od i v i d et h ei n t e r s e c t i o n a lr e g i o ni n t os e v e r a ls u br e g i o n s ，t h e s es u br e g i o n sa r e a s s i g n e dd i f f e r e n td i v i d e dc o d e s ，a n dt h el o c a t i o no fh u m a n c a nb ec a l c u l a t e d t h r o u g ht h ed a t ac o l l e c t e df r o mt h et h r e en o d e s 2 t h e p u r p o s eo fd e s i g n i n gp r o t o c o lg a t e w a y i st oa d a p tn e t w o r k st h a tr u nd i f f e r e n t p r o t o c o l s a l s ot h ep r o t o c o lg a t e w a yo f f e r sl a n ，w i - f ia n ds e r i a l i n t e r f a c e s d a t ai ss e n tt om o n i t o r i n gt e r m i n a lt h r o u g hp r o t o c o lg a t e w a y t oa t t a i nt h e a d a p t i o nb e t w e e nz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r ka n dp d a ，t h ep r o t o c o lc o n v e r s i o n s o f t w a r ei sd e v e l o p e du n d e rt h ee n v i o r m e n to fw i n d o w s c e m o n i t o r i n gt e r m i n a l i su s e dt oc o l l e c t ，p r o c e s sa n da n a l y z ed a t a , p cm o n i t o r i n gt e r m i n a li sm a i n l y u s e di nt h ef i e l do fl o wm o b i l i t yr e q u i r e m e n t sb u th i l g hi nd a t ap r o c e s s i n g c o m p l e x i t y p d am o n i t o r i n gt e r m i n a lm a i n l yu s e di nr e m o t ed a t ac o l l e c t i o na n d s i m p l ea n a l y s i s ，w h i c hh a sah i g hr e q u i r e m e n to fm o b i l i t y 3 b yc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gd a t a , w ev e r i f i e d t h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n d a c c u r a c yo fp o s i t i o n i n g t h r o u g hr e l e v a n tf i l t e r i n gm e t h o d s ，w ep r o c e s s e d p o s i t i o n i n gd a t aa n dd i s p l a y e df i l t e r e dr e s u l t sb ym a t l a b f i n a l l y , t h ew a y so f i m p r o v i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ea r ep r o v e d k e yw o r d s ：h u m a np o s i t i o n i n g ，p y r o e l e c t r i ci n f r a r e d ，d i v i d e dc o d e ，p r o t o c o lg a t e w a y , m o n i t o r i n gt e r m i n a l i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本文不包含任何其它个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乏旁红 日期： 7 年 | ，月一日 使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：t 步、力五 醐：1 年朋日 导师签名： 研幻旁 日期：乒叶年j - 月研日 热释电红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 人体运动定位是人运动检测与理解的重要组成部分，它包括对人的运动进行 识别和跟踪，并根据跟踪结果判识理解。人体运动定位是智能监控【1 1 、高级人机 接i s lt 2 1 、人体运动分析【3 1 、人体行为理解h 等领域涉及的共性关键技术。当前在 灾害救助、安防以及医疗监护方面，人体运动定位已有较为广泛的应用。 当前常见的人体运动定位的方法主要有无线射频、超声波测距、g p s ( 全球 定位系统g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 和基于图像等多种检测与定位方法。上述 方法基本能够满足人体运动检测和定位在定位精度和响应时间方面的要求，但是 这些方法也有其不足之处，如对系统数据处理运算能力要求高，需要主动发射检 测信号，系统能耗较大，以及较高通信信道资源要求等。 随着近年来传感器元件性能的改进与增强，新方法与新技术被不断引入人体 运动定位领域，其中较为典型的是红外检测技术，这种检测技术通过红外传感器 检测到一定波长的红外光谱，并将其转化为定量的电信号，从而检测出人体位置 等信息。 红外检测技术从被感知信号源来区分，可分为主动式红外检测方法和被动式 红外检测方法。主动式红外检测方法分为发射( 投光器) 和接收( 受光器) 两部 分，投光器和受光器之间投射人眼不可见的红外光，通过红外敏感材料接收红外 光谱【5 】，这类检测方法主要应用于入侵检测领域，属于点对点式检测。 相比主动式红外感知系统，被动式红外检测方法不需要主动发射单元，仅靠 接收单元独立工作，例如热释电红外传感器就是通过接收人体辐射的红外信号， 受激发产生电信号，通过放大电路输出。相比起无线测量法、超声波测量法和基 于图像人体定位法，应用红外作为人体运动定位的信号源具有低功耗，低数据量 和低信道资源消耗，热释电红外传感器工作电流小于2 0 m a t 6 1 ，非常适合应用于 于需要长期监控且能量有限的工作条件。 受传感器物理特性的限制，独立传感器的检测范围和监测对象等方面都具有 第1 章绪论 一定的局限性，因此随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技术的发展和相 互融合，产生了无线传感器网络。它综合了嵌入式计算技术、传感器技术、分布 式信息处理技术以及通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域 内的不同监测对象的信息【7 1 ，其结构如图1 1 所示。因为无线传感器网络的组成 节点是能量有限的，因此在本文人体运动定位方面，传统的定位方式无法满足长 期使用的要求。因此应用超低功耗的热释电红外传感器组成无线传感器网络在监 控范围和使用寿命上均会有较好的表现。 图1 1 无线传感器网络结构刚3 3 】 节点 本文的主要目的是通过研究热释电红外传感器物理特性，提出相应的人体运 动定位算法理论、根据理论设计基于热释电红外传感器的无线传感器网络节点、 协议转换网关和监控终端，通过传感器节点间采集数据，得到的数据应用节点协 作定位算法实现对人体位置信息获取。在获取定位的基础信息后应用协议转换网 关将数据发送至监控终端，最终在终端实现实时监控，达到人机交互的目的。 1 2 国内外研究历史及现状 从2 0 0 5 年至今，杜克大学的q ih a o 博士等人对基于热释电红外传感器的人 体运动检测进行了相关的研究，提出了一些人体检测的算法，根据热释电红外传 感器对一定波长的人体辐射较为敏感的特性引，通过对多个热释电红外传感器检 测区域的划分和编码 9 1 ，可以获得人体在不同区域运动产生的码值，从而计算出 人体位置。 在该领域，主要的研究热点集中在区域分割编码【1 们、数据采集、数据处理与 2 热释电红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现 判识三个方面。对区域的不同分割编码方法直接关系到获取数据的处理方法： 数据采集主要解决电路的设计，信号完整性和抗干扰性问题，因为设计不良的红 外热释电传感器易受到外界环境的干扰，因此一个可靠的电路设计能够提供低误 码率的定位效果0 2 】【1 3 l ；对数据的加工与判识研究的是对电路采集到的原始信号 如何加工和提取有效信息的问题，主要涉及滤波算法，数据融合等方向的课题， 从处理后的数据中获得有用信息。 传统的设计方法主要是应用p c 完成对运动数据采集，这种采集策略虽然方 便对数据的加工和处理，但是不足在于移动性较差，应用p d a 正是针对这种问 题所采取的解决方案。 1 3 论文的主要工作 人体运动定位系统主要由传感部分、传输信道和监控终端三个部分组成，本 文将分章节对以上三个部分进行理论研究，提出定位算法并设计软件和硬件实验 平台，对定位算法进行验证。 传感部分主要在第2 章进行讨论，本文从理论设计着手，研究了传统人体运 动定位方法，列举出传统定位方法的优点与不足之处。依照对比研究，讨论使用 热释电红外传感器进行人体定位的可行性和目前国内外已经取得的研究进展。通 过分析已有的热释电红外定位算法缺点，在这一章最后提出了新的人体定位方法 和本文的核心理论应用无线传感器网络的红外人体定位方法，对这项理论做 了分析，并在后续章节以实验的形式加以验证。 传输信道和监控终端部分在第3 章进行讨论，针对无线传感器网络与监控终 端传输的不同特点和要求，提出了协议网关、p c 监控终端和p d a 监控终端的设 计理论。说明本文实验系统所需要完成的工作。 在理论研究的基础上，本文还实现了系统的软件与硬件平台，在制作时对器 件的实际物理特性进行了详细的测试，并且在实际环境下验证理论的正确性。这 一部分主要在第4 章和第5 章进行讨论研究。 最后我们将根据实验的结果分析系统的性能与可改进点，为进一步的研究做 准备。 第l 章绪论 1 4 论文的结构与安排 本文的主要内容是对人体运动定位问题、协议网关和监控终端和无线传感器 网络的研究，提出了一种基于区域分割编码的人体定位算法，并设计软件和硬件 平台实现。本文共分为6 章，具体内容包括： 第l 章：绪论，介绍了本课题研究领域的背景及意义、国内外研究现状，并 安排论文的结构。 第2 章：人体运动定位研究，提出了人体运动定位研究的应用领域和必要性， 对比分析了基于图像，超声等人体定位方法，重点讨论了应用热释电红外传感器 进行人体运动定位的可行性以及在无线传感器网络中实现的基本思路，提出本文 的核心定位算法。 第3 章：协议网关与监控终端研究，简要介绍了网关的含义与构成，本文使 用的z i g b e e - 以太网协议转换网关的设计实现思路，对比讨论了p c 和p d a 两种 监控终端的应用范围。 第4 章：实验系统设计与实现，详细阐述了红外无线传感器网络节点和协议 转换网关的设计，测试了传感器的响应特性。 第5 章：实验与数据分析，使用设计的红外传感器节点组成无线传感器网络， 在真实环境下测试性能表现，将数据通过协议转换网关发送到监控终端，并对采 集到的数据进行处理与分析。 第6 章：总结与展望，对全文作了总结，并指出自己所作的工作和创新点， 以及今后研究的方向。 4 热释电红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现 第2 章人体运动定位研究 本论文的一个关键技术与创新是采用热释电红外传感器实现人体运动定位， 所以首先要对人体运动定位问题进行研究，并对现有的技术成果和新的传感器应 用加以对比。 本章将结合无线射频定位法、超声波测量法、g p s 测量法、基于图像人体定 位法和主动式红外检测等目前已有典型应用的人体运动定位方法，阐释基于热释 电红外无线传感器网络定位方法，根据热释电传感器本身的特性结合无线传感器 网络的应用特点，设计适合本系统的定位算法。 2 1 人体运动定位应用概述 人体运动定位目的是将人体从运动区域中提取出来，并根据某种方法获得人 体运动目标精确坐标信息的过程，这种技术手段包括运动检测和定位两个过程。 它是运动物体的分类与跟踪的基础，该阶段处理结果的质量对后期数据加工有很 大的影响，所以这一阶段在人体运动分析中的作用非常重要【1 4 1 。 现阶段，人体运动定位已经被应用在智能楼宇( s m a r tb u i l d i n g ) ，智能家庭 ( s m a r th o m e ) t 1 5 1 、交通管理、战场监控等领域。 1 智能楼宇和智能家庭 智能楼宇和智能家庭家庭是一个由可自动控制设备与系统所构成的住房或 生活区域，其设计目的是提高居住者生活的便利性【1 5 1 和安全性。 在提高居住者便利性方面，典型应用是通过人体运动定位技术根据用户所在 位置自动开启照明设备和其他设备【2 1 ，既可以用户提供便利，又可以自动关闭照 明和其他设备，减少能源消耗。智能空调可以根据人体和空调位置关系动态调整 风向和送风量，提高人体舒适度。 提高住房安全性方面，人体运动定位通过跟踪检测可疑目标，及时采取提醒 和报警等保卫安全措施，确保居室和住户的安全。在楼宇空间发生火灾等危险情 况时，人体运动检测系统能够向搜救人员提供人体位置坐标，为制定搜救方案提 供有效信息。 s 第2 章人体运动定位研究 2 交通管理 在交通管理方面，人体运动检测系统也发挥了越来越重要的作用。目前人体 运动检测系统配合电视监控系统、交通信号控制系统、违章监控系统、交通引导 系统、交通信息采集处理系统和快速反应系统所构成的智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a f f i cs y s t e m ) t 16 】在北京等城市已有应用。 人体运动检测在该应用中为管理系统提供被监控路段的人流和分布信息，结 合车辆检测系统反馈的车流量数据，可以及时调整红绿等时间比例，提供道路拥 塞预警，帮助驾驶员实时了解道路交通及车辆情况，同时为行人安全保障提供服 务，减轻了交通管理人员的工作负担，及时采集行人和车辆等交通参与者信息， 提高管理效率，充分利用交通资源。 3 战场监控 人体运动检测在军事上也有应用价值，通过该技术的应用，能够搜索锁定敌 方人员位置情况，并采取有效的军事行动。 例如在夜战情况下，应用人体运动定位技术可以有效检测敌方位置，同时能 够提高参战人员的隐蔽性，降低作战伤亡。在第二次海湾战争中，红外夜视系统 就发挥了非常大的作用。从已经公开的视频可以看到，美军热成像目标定位在夜 战中有效提高了战斗力，与此形成鲜明对比的是武器落后的伊拉克方面在黑夜作 战手段单一，面对美方的高科技打击基本束手无策。 2 2 典型人体运动定位技术 广义上，人体运动定位分为两大类。第一类是主动式定位，它通过主动发射 定位信号，用相应的接收装置接收反馈信号进行定位。 第二类是被动式定位，这种定位方式自身不发射信号，仅通过人体本身某种 特征实现定位。 从上述角度对定位的手段加以区分，无线射频定位法、超声波测量法和主动 式红外检测属于主动式定位。g p s 测量法、基于图像人体定位法和被动热释电红 外传感器定位属于被动式定位。 6 热释电红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现 2 2 1 无线射频定位法 无线射频定位法是基于r f i d ( 射频识别r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 的一种定位方法，这种方法利用射频方式进行非接触的双向通信，自动识别目标 对象并获取相关数据信息，实现对人员在不同状态( 移动、静止) 下的自动识别 和管理，其结构如图2 1 所示： ( 兰兰竺 ) 、- 、， 图2 1 射频识别系统组成结榭1 7 l 这种定位方法需要被识别目标携带有一个电子标签，电子标签无需内置电池 或其他能量源，当电子标签进入读写器信号范围内时，电子标签内置的振荡电路 由读写器发射的同频率射频信号激发产生能量，并由其将电子标签内置的数据发 送出去。读写器接收到电子标签内置的数据后由后端设备( 如计算机等) 判断出 对象位副1 8 】。这种人体运动定位方法具有适应性广，使用简单，电子标签本身 不需要内置能量源，因此电子标签的体积可以做到很小，使用方便。 但是针对人体运动定位系统应用来说，无线射频定位法也有一定的不足：首 先，被检测者需要事先携带电子标签，并且电子标签内部的数据与被检测者一一 对应；第二，读写器的读写范围有局限性，如果信号强度高，则感应范围大，但 定位精度很低，如果感应范围设置较小，虽然能提高定位精度，但是却需要大量 布置接收器；第三，接收器本身需要主动发射r e 信号，而现有的r f 发射单元 能耗较高，必须使用外部电源供电，这样限制了接收器的灵活性，并且在发生电 源损坏的情况下整个系统将无法工作。 由于以上原因的限制，无线射频系统较多的应用在办公室门禁，就餐刷卡机， 无线自动结账等应用领域。 7 第2 章人体运动定位研究 2 2 2 超声波测量法 超声波测量系统是由超声波发生器和超声波接收器两部分构成，根据发射的 超声波信号与反射回的超声波信号时间差判断传感器与目标之间的距离。其结构 及工作原理如图2 2 所示，控制电路接收到外部启动检测指令后控制脉冲发生器 ( p u l s eg e n e r a t o r ) 发射超声波信号并开始计时，超声波达到目标后产生回波，当回 波检测器( e c h od e t e c t o r ) 检测到回波脉冲时停止计时。假设从发射到接收到回波 的时间为丁，声速为y ，则从传感器至目标的距离d = a txv 2 超声波传感器 图2 2 超声波传感器结构及工作原理 对比无线射频法，超声波测量法克服了无线射频定位法在功耗方面的问题， 因此可以在能量有限的情况下，持续工作较长时间，并且在介质中传播的距离较 远，在精度要求范围内能够实现较大面积区域的覆盖。但是由于超声波传感器无 法辨识人体与其他非人物体的运动，且超声波指向性强，如果要实现全部检测环 境的无盲区覆盖，则必须在布设时有指向各个方向对应的脉冲发生器和回波检测 器。但是在布设时也不能够过度密集，因为回波有部分散射，如果摆布过密，则 脉冲发生器发射的超声波信号会干扰相邻的回波检测器工作，如图2 3 所示： 图2 3 相邻超声波传感器互相干扰示意图 8 热释电红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现 因为上述精度与干扰的矛盾，限制了超声波测量的应用。并且该系统在工作 时会发出噪声，对监测环境产生影响。因此超声波系统应用多在低精度且环境比 较简单情况下的人体定位，以及在机器人运动中作为避障检测传感器使用。 2 2 3g p s 测量法 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是一个由2 4 颗卫星以及1 个主控 站、3 个数据注入站和5 个检测站及作为用户端的g p s 接收机组成的中距离圆形 轨道卫星导航系统。它可以为地球表面约9 8 的地区提供准确的定位、测速和高 精度的时间标准。最少只需要4 颗卫星，就能确定用户的经纬度和海拔高度，所 能收到信号的卫星数越多，得到的位黄信息就越精确【2 0 1 。 在人体运动定位上，g p s 结合无线移动通信网络的人体位置信息获取方法 ( a g p s ：a s s i s t e d g p s ) 在同本，美国和韩国等发达国家已经有非常广泛的应用。 a g p s 手机将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器，位置服务器根据该 手机的大概位置传输与该位置相关的g p s 辅助信息到手机，手机a g p s 模块根 据辅助信息接收g p s 原始信号，手机在接收到g p s 原始信号后解调信号，计算 手机到卫星的伪距( 伪距为受各种g p s 误差影响的距离) ，并将有关信息通过网 络传输到位置服务器，位置服务器根据传来的g p s 伪距信息和来自其他定位设 备( 如差分g p s 基准站等) 的辅助信息完成对g p s 信息的处理，估算该手机的 位置，位置服务器将该手机的位置通过网络传输到定位网关或应用平刽2 1 】【2 2 1 。 因为在位置服务器上有移动终端用户的位置信息，因此网络服务商可以向其 他用户提供持有a g p s 手机用户的坐标信息，为了保护个人位置信息的隐私性， 获取持有a g p s 手机用户坐标信息需要经过授权过程。 相比前文所陈述的人体运动定位方法，基于g p s 的测量法精度高，可用性 强和覆盖范围大，并且开销合理【2 3 l 。但是这种定位方式也存在着不足。 首先用户必须持有支持a g p s 功能的移动终端才可以使用该项服务；其次， 该服务是显性定位服务，即需要事先授权，因此在战争等情况下不适用；第三， 在室内和地下室等无法接收g p s 信号的区域，不能定位；第四，a g p s 服务增 加了电池消耗，缩短手机使用时间。 9 第2 章人体运动定位研究 2 2 4 基于图像人体定位法 基于图像人体定位法是对图像序列中的运动目标进行检测，提取、识别和跟 踪，获得运动目标的运动轨迹，从而进行处理与分析，实现对运动目标的行为理 解。其工作流程如图2 4 所示： 图2 4 人体跟踪流程图【2 4 】 由上图可知，基于图像的人体定位系统由图像采集装置( 摄像机等) ，计算 机两部分组成。这种定位方法已经能够达到厘米级精度，并且方法成熟，在仿生 学研究上，可以应用两台摄像机和视差的比例关系实现3 d 定位【2 6 】。基于图像序 列的定位方法具有非接触，自身不发射信号隐蔽性强和定位精度高的优点，同时 系统覆盖面大，单一视频采集装置可以覆盖大于1 0 0 平方米的区域，而高分辨率 的视频采集装置可以覆盖更大范围，因此单位覆盖面积的成本非常低。 目前该领域的研究的重点主要集中在人体识别与行为辨识上，因为普通光学 摄像机无法直接识别人体与其他运动物体，因此必须通过计算机后期模式识别算 法协助判断，这是基于图像人体定位法的不足。 其次，普通光学摄像机对光强有一定要求，当光照度低于一定强度时必须加 以辅助照明，而夜视摄像机因为成本过高等因素的限制，不适用于普通监控领域， 目前国内交通电子警察即是普通光学摄像机配合夜间辅助照明设备协同工作。 另外在一些场合因为涉及到隐私或者保密的原因，不适合使用基于图像的人 体定位方法。 最后，基于图像方法有一个无法回避的问题是数据处理的数据量与运算复杂 1 0 热释屯红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现 度的矛盾，为了取得更高精度，必须使用分辨率更高的摄像机和处理能力更高的 计算机，这增加了数据量和对计算速度的要求，因此不适合无线传输，也无法在 能量与运算能力有限系统运行。 2 2 5 主动式红外检测法 主动式红外检测法现在已经被广泛的应用在了安全防范领域，主动式红外检 测器主要由红外发射器，红外接收器和控制器三部分组成( 图2 5 ) 。发射器向 接收器方向投射一定波长的红外射线，相当于在发射和接收器之间有红外光涉 嫌，当人体经过这条红外线路径的时候，因为遮挡了来自红外发射器所投射的红 外光，因此在接收器上会产生电平值变化，控制器可以根据电平变化情况分析出 人体分布情况。 图2 5 主动式红外检测装置结构图1 1 9 1 由结构图可以看出，主动式红外检测装置所探测的是点到点的对应关系，而 不是对一个面进行检测，因此检测的精度可以达到很高要求。但是如果需要在一 定空间内进行检测和定位，则必须从不同角度和位置进行安装，与此同时，和超 声检测法类似的缺陷是，当使用较多的主动红外探测器安装时也需要注意消除射 束的交叉干扰。因为该系统价格较高，因此在大量布设时成本非常昂贵。并且发 射器和接收器之间的对射距离仅能达到1 5 m 至2 5 m 。 综上原因，该系统应用范围有限，在大型区域进行人体运动定位时不适用此 种方法。 第2 章人体运动定位研究 2 3 基于热释电红外传感器的人体运动定位方法 根据前文所陈述的人体定位方法对比讨论，我们可以看出在能耗、精度、覆 盖范围和工作环境要求上，各种方法均有自己的适用范围与不足之处，多数方法 在区分人与非人运动目标上不能取得较好的效果，归结其原因在于无法准确提取 人体特有的信息，综合上述问题的共性，产生了对新定位方法的研究基于热 释电红外传感器进行人体运动定位。其思路是通过将空间可视区域( f o v ：f i e l d o f v i e w ) 进行分割和标记编码，依靠热释电红外传感器对不同区域检测到目标时 反馈电平信号的不同响应编码获得目标所在的位置，从而实现人体运动定位。 2 3 1热释电红外传感器工作原理与特性 热释电探测器是利用热释电材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电 效应来探测红外辐射能量的器件【2 7 1 ，它具有响应速度快、探测率高、频率响应 宽、可在室温下工作【2 8 1 的特点，因此已经被广泛的应用于军事、航天等高科技 领域与家电、自动化控制以及热成像等民用部门。 热释电红外传感器( p i r ：p y r o e l e c t r i ci n f r a r e ds e n s o r ) 是由热释电红外材料制 成的一种传感器，这种传感器对于8 1 4 p m 波长范围的辐射反应灵敏【2 9 1 ，而人体 热释红外辐射波长( 3 7 或9 8 f 时) 的典型值为9 5 5 p m ( 图2 6 ) 。单位面积人 体辐射功率1 0 0 w m 2 ，故红外热释电传感器能够在一定距离内检测人体辐射。 波长( r i m ) 图2 6 人体3 7 黑体( b i a c kb o d y ) 辐射曲线f 2 9 l 1 2 热释电红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现 热释电红外传感器的外观和结构如图2 7 所示。它包括三个部分1 3 0 】： 1 截止波长为8 1 4 9 i n 的滤光晶片，此波长范围与人体辐射的红外中心波长 9 5 5 1 a m 对应，实现带通滤波，区分人和其他目标。 2 热释电红外材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成的探测 元件，将透过滤光晶片的红外辐射能量变化转换成电信号，即热释电转换。 3 场效应管匹配器，它起初级放大和阻抗匹配的作用，输入有很高的阻抗， 输出为较低的阻抗。 图2 7 热释电红外传感器及其结构图 热释电红外传感器正常工作时需要在晶片前安装菲涅尔透镜( f r e s n e ll e n s ) ， 菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料制作的，这种透镜的作用有两个： 1 聚焦作用，即将热释红外信号折射( 反射) 在p i r 上，增加热释电传感感 应的角度和区域。 2 将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温 度变化的形式在p i r 上产生交变的热释红外信号【3 1 1 。 这种透镜在有效光学聚焦下能大幅度提高传感器的接收灵敏度并减少白光 的干扰。当没有透镜时，传感器的探测距离仅有l m ，安装透镜后探测距离可以 达到3 - 6 m 。 热释电红外传感器的功耗很小，典型工作电流为8 - 2 4 1 a a ( r e 0 3 b 型热释电 红外传感器) ，因此可以在电池供电能量有限的情况下长时间正常工作。在工作 过程中是通过接收人体辐射的热释红外完成检测，本身不向外发射任何的辐射信 号，隐蔽性好，因此不易被常规手段检测到，被广泛的使用于安全监控等领域。 第2 章人体运动定位研究 2 3 2 基于热释电红外传感器的人体运动检测与定位方法 热释电红外传感器以往多被应用与监控报警器，但是这种报警器精度很低， 只能判断是否有人存在，而无法进行定位。如何利用热释电红外传感器对人体辐 射敏感的特性，实现人体运动定位，是对这种传感器新应用领域的具体研究。杜 克大学相关的课题小组在这个研究领域起步较早。 从2 0 0 5 年至今，杜克大学q ih a o 博士等人对基于热释电红外传感器的人体 运动检测进行了相关的研究并提出了一些人体运动检测与定位的方法，根据热释 电红外传感器对一定波长的人体辐射较为敏感的特性，通过对多个热释电红外传 感器监测区域的划分和编码，当人体在不同区域运动时，激发不同的传感器输出 信号，将这些信号按照二进制排布，可以获得在人体在不同区域运动产生的编码 值，从而计算出人体位置。其设计思路如下1 9 1 ： 1 对光电信号进行调制处理，把8 个传感器按照一个扇形区域进行分布，使 得检测区域覆盖一定范围，将每个传感器的可见区域进行编码，为了提高 精度，相邻传感器之间的可见区域有重叠。 2 在监控终端、基站和节点上分配计算负载，按照信号滤波、阈值判断、运 动理解、误码检测和路径跟踪的过程设计系统。 3 均衡性能与开销，在信号处理上使用快速傅立叶变换( f f t ) 作为滤波算法。 4 改进通信协议，为了减少无线通信耗费的能量，因此需要为能量有限系统 选择一个合适的通信协议以延长使用时间。 该系统对区域分割效果如图2 8 所示，这个系统共使用了8 个热释电红外传 感器，每个传感器既有本身的独立感应区域( 编号为l ，3 ，5 ，7 ，8 ，l o ，1 2 ，1 4 的区域) 和与相邻传感器的相交叠的区域( 编号为2 ，4 ，6 ，9 ，1 1 ，1 3 的区域) ，以此划分，以 定位系统为中心向外辐射的扇形范围被划分为1 4 个子区域，这些子区域的区域 编号分别是1 1 4 ，热释电红外传感器的编号为1 8 ，每个传感器有输出时对应位 的二进制编码值为l ，没有输出对应位二进制编码值为o ，则输出编码与区域编 号编号之间的关系如表2 1 所列出，按照以上设计思路设计的实验系统如图2 9 所示。 1 4 图2 i8 人体定位系统区域分割效果图【9 l l 【l00000 00 2 【11o0o000 】 3 01o0 00oo 4 o1100000 5 【o010000 0 】 6 oo1 1o000 7 0o010 0oo 8 oo001ooo l 9 oooo1 1o0 1 1 0 ooo oo1o0 1 11 oo00 0110 】 1 2 o0000 010 】 1 3 ooooo o1 l 】 1 5 第2 章 体t 动定位研究 嘲2 9 缸外人体定位系统实物 由上表可见，当人在编号为1 1 4 的区域运动时系统会因为人在不同的区 域而输出不同的编码，只需要对编码和实际的物理坐标做一简单的对应即可实现 最简单的人体定位。 此方法仪能够实现对一个扇形不同方向的定位，但是在区域l 一区域1 4 内的 具体坐标则无法通过一套热释电红外传感器系统获得。为了在区域卜区域1 4 内 获得具体坐枷；位置，q ih a o 使用多个热释电红外传感器系统协作来达1 4 精确位 置信息的获取。其设汁原理如图2 一1 0 所示： 一 幽2 】0 分布式( o m r i b m e d ) 热释电红外传感器龋 体定位方往 i6 热释电红外无线传感器网络人体定位系统设计与实现 从图中可以看到，由四个热释电红外传感器系统构成的分布式人体定位系统 中，相邻传感器组的检测范围有交叉区域，编号分别为i 、i i 、i i i 、i v ，在交叉 区域内运动的人体可以由两个传感器组同时检测到，根据两个传感器组本身位置 和检测区域的角度关系可以推算出人体坐标信息( 图2 1 1 ) 。 ，、 图2 i l 定位算法示意图 已知a ( x z , y d ，b ( x 2 , y 2 ) 为传感器1 和2 所在的位置坐标， 所在位置坐标，4 b 之间长度l ( a b ) = d ，则由坐标关系易知： d ：瓜i 了丽；j 了 ( 2 1 ) 又因为根据传感器组1 和2 获读取编码值司知9 和妒的角度值，1 发设 m c ) = d l ，z ( b c ) = d 2 ，l ( c d ) = h ，则刃，以和h 有以下关系： f t a n ( o ) = h d j i 切n ( 9 ) = h d 2 ( 2 2 ) 【西+ 吐= d 根据坐标与三角形边长度关系： l ( a d ) = 碣2 十厅2 l ( b d ) = 吃2 + 厅2 i ( a d ) ：4 ( x 3 - x ! ) 2 + ( 5 3 - y 1 ) 2 q 3 l ( b d ) = 厄j 了瓦i 万 理想情况