基于眾數(shù)判定的PIR傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位方法

曹志斌， 楊 衛(wèi)， 邵星靈， 康新晨， 劉希賓

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

熱釋電紅外傳感器在人體跟蹤，車輛檢測(cè)和監(jiān)視等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，它具有響應(yīng)快速，功耗低，體積小，目標(biāo)識(shí)別能力高，抗電磁干擾等特性[1-3]。配有菲涅耳透鏡的PIR傳感器能夠響應(yīng)探測(cè)區(qū)域中由物體運(yùn)動(dòng)引起的熱變化，適用于人體、車輛等的跟蹤系統(tǒng)。然而，作為被動(dòng)式傳感器，單個(gè)PIR傳感器只能獲取目標(biāo)與傳感器之間的有限方位信息而無法探測(cè)到具體位置，這對(duì)于目標(biāo)跟蹤具有諸多挑戰(zhàn)。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和紅外技術(shù)的熱釋電紅外傳感器網(wǎng)絡(luò)以其良好的人體檢測(cè)能力，在目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域日益受到關(guān)注[4-5]。使用攝像機(jī)的常規(guī)跟蹤系統(tǒng)可以獲取目標(biāo)的準(zhǔn)確位置信息，但其價(jià)格昂貴，在使用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像時(shí)，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)圖傳設(shè)備性能要求較高。以低成本、低數(shù)據(jù)吞吐量的熱釋電紅外傳感器替代價(jià)格昂貴的攝像機(jī)在監(jiān)控領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[6-7]。在本文研究技術(shù)中，采用熱釋電紅外傳感器陣列組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行區(qū)域定位，以多傳感器劃分區(qū)域提高定位精度。

近年來，利用PIR傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位的研究主要圍繞定位精度的提高。文獻(xiàn)[8]根據(jù)目標(biāo)入侵軌跡和傳感器視場(chǎng)的幾何結(jié)構(gòu)研究PIR傳感器輸出信號(hào)，提出描述入射熱通量與距離關(guān)系的平方反比律和一種可檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向的指數(shù)窗口周期圖檢測(cè)器，能有效提高遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)精度。文獻(xiàn)[9]將多個(gè)熱釋電傳感器檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行劃分和編碼，當(dāng)目標(biāo)在不同區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同的傳感器可以感測(cè)到目標(biāo)信號(hào)并進(jìn)行輸出，將這些輸出的信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制排布，就可以獲得目標(biāo)在不同區(qū)域運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的編碼值，從而得出目標(biāo)位置。當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入到傳感器定位系統(tǒng)的探測(cè)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)為目標(biāo)所在位置輸出對(duì)應(yīng)的編碼，只要將輸出編碼對(duì)應(yīng)編碼表，找出傳感器號(hào)碼及其物理坐標(biāo)就可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的目標(biāo)定位[10]，是傳統(tǒng)技術(shù)在具體應(yīng)用中提高對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)感知的方法。用這個(gè)方法只能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)的定位，并且定位精度比較低，Q. Hao[11-12]等人在上述方法的基礎(chǔ)上使用多個(gè)傳感器系統(tǒng)協(xié)作來獲取大范圍高精度的目標(biāo)位置信息。4個(gè)熱釋電傳感器系統(tǒng)構(gòu)成的分布式目標(biāo)定位系統(tǒng)中，相鄰2個(gè)傳感器組的探測(cè)區(qū)域有交叉區(qū)域，一旦有目標(biāo)進(jìn)入交叉區(qū)域就可以被兩個(gè)傳感器系統(tǒng)同時(shí)探測(cè)到，根據(jù)傳感器自身的位置與探測(cè)區(qū)域的角度關(guān)系就可以算出目標(biāo)坐標(biāo)。針對(duì)單節(jié)點(diǎn)目標(biāo)定位存在定位盲區(qū)的問題，文獻(xiàn)[13]在峰-峰值時(shí)間差測(cè)距方法的理論基礎(chǔ)上，提出了一種利用PIR傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位的理論，通過PIR傳感器動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)目標(biāo)定位。文獻(xiàn)[14]提出了一種動(dòng)靜PIR傳感器相結(jié)合的人員目標(biāo)探測(cè)、測(cè)向與定位的方法，利用感知節(jié)點(diǎn)上的靜態(tài)PIR傳感器對(duì)人員目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，同時(shí)動(dòng)態(tài)PIR傳感器以10°/s的速度對(duì)監(jiān)控區(qū)域往復(fù)掃描，通過幀差法得到目標(biāo)的角度值，融合多個(gè)傳感器的測(cè)量值進(jìn)行交叉定位。

在本文研究中，將PIR傳感器探測(cè)區(qū)域進(jìn)行劃分編碼，通過對(duì)目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)落入傳感器探測(cè)區(qū)域的累積概率進(jìn)行聚類分析，提出了一種基于眾數(shù)判定的目標(biāo)定位方法。使用眾數(shù)法選擇性地融合有效測(cè)量點(diǎn)，提高目標(biāo)定位精度，然后以極徑序列生成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。

1 PIR傳感器和傳感器節(jié)點(diǎn)

熱釋電紅外傳感器主要由敏感元件和由熱電材料制成的具有高熱電系數(shù)的透鏡組成。由于傳感器的響應(yīng)效果與探測(cè)距離的平方成反比，在實(shí)際探測(cè)時(shí)的最大距離往往不超過6 m，為了提高探測(cè)靈敏度和增大探測(cè)距離，通常在探測(cè)器的前部裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，與放大電路相配合可將信號(hào)放大70 dB以上，從而能測(cè)得20 m范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。本文未使用常見的與熱釋電傳感器配套使用的菲涅爾透鏡，而選用鍺材質(zhì)的紅外光學(xué)透鏡作為熱釋電傳感器的光學(xué)裝置。鍺材質(zhì)的紅外透鏡相對(duì)于聚丙烯材料制成的菲涅爾透鏡而言具有更高的透射性，同時(shí)可更好地濾除環(huán)境中可見光和其他波段的紅外光的影響，將目標(biāo)的紅外信號(hào)折射到熱釋電傳感器上，大大提高了熱釋電傳感器的探測(cè)距離及其靈敏度。此外，針對(duì)單個(gè)傳感器探測(cè)視場(chǎng)較小的特點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)采用了以8路PIR傳感器集成的米字形感應(yīng)模型的特殊光錐設(shè)計(jì)，該模型中傳感器視場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的每一條邊線為檢測(cè)線，觸發(fā)的檢測(cè)線的所有交點(diǎn)是測(cè)量點(diǎn)。

PIR傳感器網(wǎng)絡(luò)包含多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖1所示，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由PIR傳感器模塊、模擬信號(hào)處理模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)采集、處理和無線傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1 PIR傳感器節(jié)點(diǎn)邏輯結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)PIR傳感器網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)傳感器單元探測(cè)到目標(biāo)時(shí)，通過無線通信模塊對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行融合處理最終得到目標(biāo)準(zhǔn)確位置[15-16]。

2 PIR傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位

2.1 目標(biāo)距離測(cè)定

將PIR傳感器探測(cè)區(qū)域抽象為圖2所示，點(diǎn)O表示感知節(jié)點(diǎn)的一個(gè)傳感器探測(cè)單元，線段OA到OB形成的扇形區(qū)域表示由探測(cè)單元所形成的探測(cè)視場(chǎng)，θ表示傳感器探測(cè)單元的探測(cè)視場(chǎng)角，線段OC表示需要測(cè)量的目標(biāo)到探測(cè)節(jié)點(diǎn)的距離，在圖中用d表示。

圖2 探測(cè)區(qū)域示意圖

在直角?OCB中，有∠BOC=θ/2，BC=l/2，由于θ與l是已知量，則：

由式(1)可知，當(dāng)l與θ確定時(shí)，目標(biāo)距傳感器的距離d便能計(jì)算出來。在目標(biāo)移動(dòng)速度v一定的情形下通過探測(cè)視場(chǎng)的距離l與信號(hào)總時(shí)間T成線性關(guān)系：

目標(biāo)通過探測(cè)區(qū)域信號(hào)總時(shí)間T與信號(hào)峰峰值時(shí)間差Δt近似存在以下關(guān)系：

將式(2)、式(3)代入式(1)可得：

由式(4)可以看出，在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度v和視場(chǎng)角θ確定的情況下，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距探測(cè)單元的距離d僅與信號(hào)峰峰值時(shí)間差Δt有關(guān)。因此，只需測(cè)得目標(biāo)通過探測(cè)傳感器時(shí)熱電信號(hào)峰峰值時(shí)間差Δt，根據(jù)式(4)便可計(jì)算得到目標(biāo)位置處距探測(cè)傳感器的距離d。

2.2 基于眾數(shù)判定的目標(biāo)定位

由于PIR傳感器的角度誤差最大值可達(dá)到30°，離傳感器節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)越遠(yuǎn)，探測(cè)誤差就越大。當(dāng)探測(cè)區(qū)域中目標(biāo)檢測(cè)線被觸發(fā)時(shí)，在相應(yīng)的檢測(cè)區(qū)域中必然至少存在一個(gè)目標(biāo)。雖然檢測(cè)線可能不總是穿過目標(biāo)，但目標(biāo)位于探測(cè)區(qū)的重疊區(qū)域，重疊區(qū)域中的測(cè)量點(diǎn)更接近于目標(biāo)的實(shí)際位置。該檢測(cè)模型的本質(zhì)是找出測(cè)量點(diǎn)與重疊區(qū)域之間的關(guān)系，根據(jù)落入PIR傳感器視野的累積頻率，統(tǒng)計(jì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的檢測(cè)區(qū)域。將傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)區(qū)域簡(jiǎn)化為如圖3所示的16個(gè)交替的半徑較長(zhǎng)和較短的扇形。

圖3 簡(jiǎn)化的傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)模型

其中（xi，yi）是第i個(gè)PIR傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

每個(gè)PIR傳感器的輸出可以用數(shù)字信號(hào)表示，當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)，輸出為“1”，否則為“0”。依據(jù)PIR傳感器的二進(jìn)制信號(hào)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的8個(gè)傳感器的探測(cè)區(qū)域進(jìn)行8位二進(jìn)制編碼，得到傳感器模型探測(cè)區(qū)域的編碼表如表1所示。

取眾數(shù)Mk作為式（5）中簡(jiǎn)化模型的測(cè)量點(diǎn)落入探測(cè)區(qū)域時(shí)的第k個(gè)測(cè)量點(diǎn)：

其中，Ai，Bi，···，Pi是熱釋電紅外傳感器節(jié)點(diǎn)各傳感器對(duì)應(yīng)的扇形檢測(cè)區(qū)域。

表1 PIR傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)區(qū)域編碼表

圖4為基于眾數(shù)判定的定位方法示意圖。假設(shè)檢測(cè)區(qū)域有4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和1個(gè)人體目標(biāo)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)由式（5）所確定的扇形探測(cè)區(qū)域，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的括號(hào)內(nèi)是其出現(xiàn)的頻數(shù)。由圖可知，測(cè)量點(diǎn)c的頻數(shù)為5最高，點(diǎn)e的頻數(shù)為1最低。人體目標(biāo)位于傳感器探測(cè)區(qū)域的重疊區(qū)域，而頻數(shù)最高的測(cè)量點(diǎn)即眾數(shù)點(diǎn)c也在重疊區(qū)域。頻數(shù)最低的測(cè)量點(diǎn)在所有測(cè)量點(diǎn)中距離真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)最遠(yuǎn)。在其他測(cè)量點(diǎn)中，如點(diǎn)d具有較高頻數(shù)則更接近目標(biāo)實(shí)際位置。在這種情況下，如果選擇具有最高頻數(shù)的眾數(shù)測(cè)量點(diǎn)作為有效交點(diǎn)，則可以通過融合有效交點(diǎn)來獲取目標(biāo)的實(shí)際位置，而所有其他測(cè)量點(diǎn)都可以視為虛假測(cè)量點(diǎn)。

圖4 定位方法示意圖

對(duì)于每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，以左下角PIR傳感器節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，將測(cè)量點(diǎn)到原點(diǎn)的距離以0.5 m為組距進(jìn)行分組，則對(duì)于眾數(shù)測(cè)量點(diǎn)有

其中Dk為測(cè)量點(diǎn)到原點(diǎn)距離的眾數(shù)，w為組距，Dl、Du分別表示眾數(shù)Mk所在組的下限值和上限值，fk、fk–1、fk+1分別表示眾數(shù)所在組、與眾數(shù)組相鄰的上一組、下一組的頻數(shù)。

當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，PIR傳感器節(jié)點(diǎn)可測(cè)得目標(biāo)相對(duì)于傳節(jié)點(diǎn)的距離和角度信息。各節(jié)點(diǎn)將測(cè)得的目標(biāo)信息通過無線通信模塊發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過上位機(jī)對(duì)角度信息和距離眾數(shù)的全局坐標(biāo)位置解算，得到測(cè)量點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置。獲得了目標(biāo)通過探測(cè)區(qū)域時(shí)的離散測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)后，由極徑序列便可得到目標(biāo)通過探測(cè)區(qū)域時(shí)運(yùn)動(dòng)的近似軌跡。

2.3 目標(biāo)軌跡的極徑序列生成

假設(shè)紅外傳感器網(wǎng)絡(luò)S={S1,S2,S3,···,Sn}共有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，xSi表示節(jié)點(diǎn)Si(i=1，2，···，n)的位置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能相同且不考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t，即當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，立即通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息共享，其他節(jié)點(diǎn)能夠馬上得到其探測(cè)信息。Sij表示節(jié)點(diǎn)Si(i=1，2，···，n)的第j（j=1，2，···，n）個(gè)傳感器，t時(shí)刻發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)的角度記為探測(cè)角θij(t)以Sij為起點(diǎn)，在最大感知距離r內(nèi)θij(t)方向上的線段定義為Sij的探測(cè)線，其極坐標(biāo)表示為

假設(shè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)D次，得到D個(gè)探測(cè)角，對(duì)應(yīng)探測(cè)線序列為其輸出結(jié)果表示為

其中ik=1，2，···，N；jk=1，2，···，N；t1≤t2≤···≤tk≤···≤tD。

假設(shè)目標(biāo)軌跡為它在探測(cè)線序列上的點(diǎn)列P1，P2，P3，···，PD，即xT（tk）=Pk。則：

其中ρk(k=1，2，···，n)為Pk的位置參數(shù)，決定Pk在方向θij(t)上的徑向距離，即極徑。所以若能確定極徑就可以得到目標(biāo)軌跡。

如圖5所示，以最小感知單元的4個(gè)節(jié)點(diǎn)為例，其中Si1、Si2、Si3、Si4為節(jié)點(diǎn)的位置，其坐標(biāo)已知。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，都會(huì)對(duì)應(yīng)有感知線li1j1、li2j2、li3j3、li4j4，這樣就可以建立一個(gè)線性方程，只要解算出極徑就可以得到目標(biāo)的軌跡。

圖5 目標(biāo)定位分析

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 目標(biāo)定位仿真

設(shè)定4個(gè)PIR傳感器節(jié)點(diǎn)以20 m的間距分布在正方形區(qū)域的4角，以左下角傳感器節(jié)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，X為區(qū)域的橫坐標(biāo)，Y為區(qū)域的縱坐標(biāo)?？紤]采樣精度和硬件處理能力，PIR傳感器的采樣頻率設(shè)為50 Hz。1）假設(shè)目標(biāo)起始坐標(biāo)為(1，0)，角度為50°，以1.2 m/s的速度進(jìn)入PIR傳感器網(wǎng)絡(luò)的探測(cè)區(qū)域，結(jié)果如圖6（a）所示。2）假設(shè)目標(biāo)起始坐標(biāo)為(20，10)，角度為170°，以1.2 m/s的速度進(jìn)入PIR傳感器網(wǎng)絡(luò)的探測(cè)區(qū)域，結(jié)果如圖6（b）所示。

圖6 目標(biāo)定位仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出，該方法可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置、角度進(jìn)入探測(cè)區(qū)域目標(biāo)的定位，并預(yù)推目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.2 目標(biāo)定位實(shí)驗(yàn)

使用如圖7所示雙元熱釋電紅外傳感器目標(biāo)感知平臺(tái)作為PIR傳感器節(jié)點(diǎn)，它由PIR傳感器、信號(hào)處理模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。傳感器采用muRata IRA-E700型PIR傳感器，靈敏度高且對(duì)溫度變化具有較高的穩(wěn)定性，對(duì)外部噪聲具有一定抗干擾能力。PIR傳感器對(duì)進(jìn)入感知區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行信號(hào)采集，輸出的熱釋電信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理模塊放大、濾波和ADC等處理后，通過采用AT86RF212B射頻收發(fā)芯片的無線通信模塊傳至上位機(jī)。

圖7 PIR目標(biāo)感知平臺(tái)

將4個(gè)PIR傳感器節(jié)點(diǎn)以20 m的間距分布在正方形區(qū)域的四角組成傳感器網(wǎng)絡(luò)感知單元。目標(biāo)（人體）以1.1～1.5 m/s的速度從（1，0）點(diǎn)出發(fā)勻速通過探測(cè)區(qū)域，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 本文方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為更好地觀察定位效果，選擇文獻(xiàn)[14]中動(dòng)靜PIR結(jié)合的目標(biāo)定位方法作為對(duì)照組，在相同條件下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 對(duì)比方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，目標(biāo)在進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的過程中，均多次被PIR傳感器探測(cè)到。由于受環(huán)境中其它熱源、光源干擾的影響，對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中測(cè)量位置誤差存在一些不確定性的大幅度波動(dòng)。本文方法通過眾數(shù)判定對(duì)虛假測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行剔除，減小了因環(huán)境因素導(dǎo)致的傳感器探測(cè)誤差，使得到的目標(biāo)位置坐標(biāo)誤差均保持在0.5 m以內(nèi)，定位精度一定程度上有所提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用多PIR傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，通過對(duì)測(cè)量點(diǎn)落入傳感器探測(cè)區(qū)域的眾數(shù)判定實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。由于PIR傳感器對(duì)環(huán)境中紅外輻射較為敏感，所以易受環(huán)境變化影響而產(chǎn)生誤報(bào)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本方法可以有效提高定位精度，減小因傳感器誤報(bào)對(duì)目標(biāo)定位產(chǎn)生的影響。在監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用中，具有一定的實(shí)際意義。