基于熱釋電無線傳感網(wǎng)絡(luò)的人體目標(biāo)識別系統(tǒng)

焦宇浩

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥，230041）

1 人體運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識別研究

1.1 人體紅外的基礎(chǔ)知識

光是一種無線電波，其電磁輻射與無線通信波相同。目標(biāo)的形狀但是導(dǎo)彈手機(jī)由于高頻電磁波的輻射。如果這部分輻射源是由室內(nèi)溫度引起的，它們會傳導(dǎo)熱量。其中，電磁輻射是自然界分布最廣的。在運(yùn)動(dòng)中，會產(chǎn)生連續(xù)的紅外線輻射，為空氣排放提供熱量。所以，不時(shí)會有紅外線能量向外移動(dòng)。連續(xù)向外擴(kuò)散，都知道當(dāng)小物體的整體溫度較高時(shí)，分子的吸收和夸克運(yùn)動(dòng)會更加強(qiáng)烈，發(fā)出的紅外光越多，生命的能量就越大。雖然紅外探測輻射的影響是一種肉眼看不見的高能射線，但其核心本質(zhì)特征與可見光譜基本相同，其特有的物質(zhì)能量在人類的認(rèn)識中是一樣的。在性特征的情況下，紅外輻射當(dāng)然也有光的多次折射和散射。在真空環(huán)境中，紅外探測的直接輻射的再傳播速度非常快，光的有效傳播速度相同。

1.2 熱釋電無線傳感器的工作原理

熱電材料是具有熱電鏈接作用的主要材料。在本文中，研究了熱釋電傳感器的物理原理，并且不熟悉工作方法。在某種程度上，設(shè)計(jì)了由熱釋電傳感器和步兵陣列組成的傳感器關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。試圖實(shí)現(xiàn)快速識別人體運(yùn)動(dòng)中的近期目標(biāo)的基本功能。在早期階段，使用了perc材料和傳感器。材料不僅具有調(diào)節(jié)系數(shù)大和介電自變量小的突出優(yōu)點(diǎn)。另外，它具有寬的主動(dòng)響應(yīng)，高靈敏度和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)。單晶硅材料的制造過程更加復(fù)雜，成本也很高。熱電紅外傳感器通常有三種類型，即單元型，雙型和四元型。每個(gè)單位類型的傳感器都可以感應(yīng)任何溫度下室內(nèi)溫度的明顯變化。因此，有必要對溫度下降進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償以降低靈敏度。各種傳感器也稱為室內(nèi)溫度經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償傳感器。它們廣泛用于空間探測器，各種氣體分析和儀器設(shè)備，直接輻射測溫儀等。到目前為止，人體目標(biāo)檢測主要使用先進(jìn)的雙四元素多傳感器。在這個(gè)行業(yè)中，具有雙重元素的傳感器具有明顯的優(yōu)勢。歸一化后，圓瓣之間重疊區(qū)域的靈敏度將大大降低。產(chǎn)生這種不良現(xiàn)象的原因是組件的反向串聯(lián)連接，這導(dǎo)致更嚴(yán)重的衰減率，該衰減率與區(qū)域的信號重疊。熱電驅(qū)動(dòng)效應(yīng)是負(fù)電荷快速釋放的過程。熱釋電傳感器的背面受到紅外探測器輻射的影響，從而導(dǎo)致室內(nèi)溫度發(fā)生重大變化。控制電路中的電阻器也可以真正模擬這種體驗(yàn)。當(dāng)整體溫度變化時(shí)，電阻變化很大，控制電路產(chǎn)生高壓電流。

1.3 熱釋電紅外傳感器的檢測原理

熱電鏈接效應(yīng)是指熱電材料吸收電荷（電子）以始終保持表面的電中性的現(xiàn)象。當(dāng)熱釋電紅外材料通過熱輻射時(shí)，整體溫度將發(fā)生變化，因此材料和電偶極矩將發(fā)生變化。為了更好地長時(shí)間保持電的中性，該材料會在表面釋放出負(fù)電荷。由具有熱電市場效應(yīng)和特殊工藝的主要材料制成的傳感器稱為熱釋電激光傳感器。當(dāng)熱光電導(dǎo)效應(yīng)的主要材料暴露于紅外檢測輻射源時(shí)，主要熱電材料的外表面將帶正電由于熱電放大作用，可以制造熱電光學(xué)傳感器。熱電的基本原理是當(dāng)材料暴露在熱成像輻射下時(shí)重新釋放電荷。因此，當(dāng)主要材料的表面暴露于紅外檢測器的直接輻射時(shí)，可以精確地測量表面電壓值。熱釋電傳感器將紅外輻射轉(zhuǎn)換成信號轉(zhuǎn)換以得到檢測結(jié)果。轉(zhuǎn)換過程分為以下幾個(gè)步驟：第一步是在接收紅外探測器的輻射后改變主材料在外表面上的溫度下降；第二步是改變表面溫度。在第二步驟中，由于外部腔室內(nèi)溫度的明顯變化，熱電材料釋放電能，這完全改變了正極上負(fù)電荷的高密度，但是并不總是保持原始的穩(wěn)定狀態(tài)。在第三步中，強(qiáng)信號將發(fā)生變化，主要材料的負(fù)電荷傳遞到內(nèi)部和外部，然后放電到電路元件或輸出阻抗電路系統(tǒng)中，以形成各種電信號。熱電傳感器的體表面積和室內(nèi)溫度的變化與形成電壓時(shí)由紅外傳感器的直接輻射形成的強(qiáng)電流成比例。這種功能特性是熱電最重要的主要特征。它成為紅外傳感器的很好的直接輻射源，人體功能的最典型室內(nèi)溫度值為37°C。正是因?yàn)槿梭w功能的溫度下降與外部環(huán)境的室內(nèi)溫度之間沒有一定的溫差，并且兩者之間將存在連續(xù)的直接熱交換。

1.4 熱釋電無線傳感網(wǎng)絡(luò)人體目標(biāo)識別方法

到目前為止，熱釋電傳感器主要用于監(jiān)視警報(bào)，但是這種警報(bào)的準(zhǔn)確性非常低。它只能準(zhǔn)確地確定是否存在許多人，而不能準(zhǔn)確地確定特定的主要位置。如何利用自身的熱釋電光電傳感器來監(jiān)測人體細(xì)胞輻射源的相對敏感化學(xué)特征，從而實(shí)現(xiàn)對人體長期目標(biāo)的更準(zhǔn)確自動(dòng)識別，是該行業(yè)在新應(yīng)用中的特殊情況。在主要可探測區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，重要區(qū)域內(nèi)的各種傳感器可以輸出信號以指示它們將受到相應(yīng)的刺激，并根據(jù)二進(jìn)制系統(tǒng)排列這些信號，然后恢復(fù)人體的生理狀態(tài)以在不同的主要區(qū)域內(nèi)移動(dòng)地區(qū)。可以基于許多代碼值來計(jì)算形成的代碼值以及人體細(xì)胞的性能。在特定內(nèi)容的位置，為了實(shí)現(xiàn)對近期目標(biāo)人工智能算法的自動(dòng)識別，在硬件和軟件系統(tǒng)中使用了熱釋電激光傳感器。大目標(biāo)的可識別精度與檢測到的人類新陳代謝的主要位置無關(guān)，可以做出更大的努力來實(shí)現(xiàn)整體覆蓋。隨著研究者對熱釋電人體識別技術(shù)研究的深入，2009年Hao Q.等人提出利用4個(gè)熱釋電傳感器節(jié)點(diǎn)組成熱釋電傳感網(wǎng)絡(luò)，并形成矩形感應(yīng)區(qū)域。當(dāng)多個(gè)人目標(biāo)在感應(yīng)區(qū)域固定的路徑上移動(dòng)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)所采集的人體熱釋電信息通過多種融合算法進(jìn)行了融合識別。但該方法對人體的移動(dòng)路徑，多人體的移動(dòng)方式以及節(jié)點(diǎn)空間位置的要求過于嚴(yán)格，不利于實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用。

近期，Zhao N.等人利用 BSS 的方法將多個(gè)在感應(yīng)區(qū)域移動(dòng)的人體目標(biāo)數(shù)目進(jìn)行了識別。開拓了將 BSS 方法應(yīng)用在人體熱釋電信息分離的先例。Xiong J.等人利用熱釋電傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的雙欄多孔結(jié)構(gòu)體來獲取人體熱釋電信息，并利用希爾伯特-黃變換實(shí)現(xiàn)了對多人體信號的識別。然而他們的數(shù)據(jù)采集平臺都利用了HAO Q.的數(shù)據(jù)采集模型，沒有人為因素和其他環(huán)境因素的干擾，并且無線網(wǎng)絡(luò)中熱釋電節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均為矩形。不能滿足實(shí)際環(huán)境中對節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的需求。同時(shí)，Guan Q.J.等人首次提出利用熱釋電傳感器矩陣獲取人體熱紅外信號，然后利用壓縮感知技術(shù)并結(jié)合最近鄰域法( nearest neighbour classifier algorithms，NN) 算法實(shí)現(xiàn)對人體的多種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行識別，但該算法計(jì)算量較大，難于達(dá)到實(shí)時(shí)識別。總結(jié)現(xiàn)階段的研究成果發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外的研究人員都利用了不同結(jié)構(gòu)的熱釋電矩陣以不同方式實(shí)現(xiàn)對人體目標(biāo)的識別，并提高了對人體的識別能力，但忽略了對人體識別的可靠性和抗干擾性。

鑒于國內(nèi)外對熱釋電識別技術(shù)的研究大部分停留在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)階段，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沒有環(huán)境因素和人為因素的影響，同時(shí)部分研究團(tuán)隊(duì)為了得到完整的人體熱釋電數(shù)據(jù)和相應(yīng)的結(jié)論，簡單的應(yīng)用了單個(gè)節(jié)點(diǎn)或固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對人體熱紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。而在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用環(huán)境和策略中，所得結(jié)論并不穩(wěn)定可靠，并且應(yīng)用場景也受到一定的限制，所以需要設(shè)計(jì)并建立一套能在真實(shí)環(huán)境中以應(yīng)用為基礎(chǔ)的融合策略和算法，來彌補(bǔ)單個(gè)傳感器或多個(gè)簡單疊加的傳感器在實(shí)際應(yīng)用過程中所存在的缺陷，即單個(gè)傳感器識別能力較弱且不穩(wěn)定、多個(gè)簡單疊加的傳感器所組成的傳感網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用模式存在局限，都不能滿足實(shí)際需求。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熱釋電傳感器的輸出能力信號是低壓實(shí)際模擬信號。必須先生成信號，然后將其放大到5V以上，以執(zhí)行閾值以做出判斷和處理。在熱物理信號被放大顯示控制電路最大化后，它被傳輸?shù)絋TL電路連接，并且TTL電路的一部分輸出容量。熱電輸出的高電平電壓值高于2.4V，低電平輸出電壓可低于0.4V。在正常條件下，熱釋電可輸出的高電平輸入電壓值為3.5V；當(dāng)插頭輸出電流為9V時(shí)，熱放電光傳感器將通過電位輸出電壓信號表示，輸入電壓為典型特性值20mV，最大輸出約為50mV。因此，要生成信號然后放大幾千倍，則需要再放大100倍。選擇使用另一個(gè)無限放大100倍的前置放大器，這很容易導(dǎo)致高放大倍數(shù)的信號噪聲。因此，信號的產(chǎn)生必須無限擴(kuò)展到100倍，設(shè)計(jì)了放大顯示的軟件系統(tǒng)。電路系統(tǒng)的重要功能是對控制信號進(jìn)行校正，對控制信號進(jìn)行預(yù)處理和放大，然后通過電磁耦合的方式將信號傳輸?shù)降诙夁\(yùn)算過程功率放大器進(jìn)行二級放大。為了和數(shù)字控制電路相匹配，各種真實(shí)模擬信號被送入由比較器組成的幅度鑒別器，它可以檢測各種有效信號并輸出高低TTL電平。熱電紅外傳感器模塊的電源由主板的擴(kuò)展接口提供。傳感器功能模塊可以通過引腳固定在主板上。為了更好地簡化模塊的整體結(jié)構(gòu)，該引腳為2.54mm引腳，這引腳依次為信號控制輸出引腳（OUT），插入板io端口（vcc）和接地墊（GND）。該信號使用次級運(yùn)算放大器的功率放大器和鑒頻器，并且可以按照相同的規(guī)定由數(shù)字信號/實(shí)際模擬信號表示，并且觸發(fā)信號輸出功能芯片引腳。LM324的最大耐壓為32V，因此VCC芯片引腳也可以連接到主板的主板上。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)母板的硬件實(shí)現(xiàn)

多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的主板是傳感器系統(tǒng)模塊的背板以及系統(tǒng)模塊ZigBee的模塊。通過插針位置固定在主板上，因此它成為傳感器的非常關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)。主板的幾個(gè)功能是：1.插入擴(kuò)展系統(tǒng)模塊，然后使用插件模塊完全更改主板的基本功能。根據(jù)以上實(shí)際數(shù)據(jù)，將及時(shí)選擇主板的功能。2.電壓穩(wěn)定性和電壓轉(zhuǎn)換熱電工作，電壓傳感器為9V，而CC2430僅需要3.3V。這功能模塊已插入主板電源模式，因此在使用主板時(shí)，它們可以提供電源和電源電壓調(diào)節(jié)的基本功能。對高頻放大器的實(shí)際數(shù)據(jù)測試發(fā)現(xiàn)，集成電路3.3V的連續(xù)輸出不是理想的DC電平，沒有與周期性電脈沖機(jī)械噪聲混合，其幅度大約是一個(gè)正數(shù)，以免影響ATV。對于通信設(shè)備，在電路連接部分設(shè)計(jì)的輸入和輸出引腳上安裝了大小不一的濾波電感器，以確保穩(wěn)定的運(yùn)行電壓值。