基于WiFi感知的人員檢測方法

史文華

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，一大批以人為中心的智能化服務(wù)不斷涌現(xiàn)，檢測到人員的存在是提供這些服務(wù)的前提。本文提出了一種基于WiFi感知的人員檢測技術(shù)，基于信道狀態(tài)信息（CSI）幅度的動(dòng)態(tài)方差感知周圍環(huán)境的變化，生成特征指紋，并結(jié)合KNN分類算法，對(duì)比判斷當(dāng)前場景內(nèi)是否有人員存在。

關(guān)鍵詞：WiFi;信道狀態(tài)信息;人員檢測;動(dòng)態(tài)方差

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）17-0187-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Person Detection Method Based on WiFi Perception

SHI Wen-hua

（School of Electronic and Information Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215000， China）

Abstract： With the rapid development of the Internet of Things industry， a large number of human-centered intelligent services continue to emerge. Detecting the presence of personnel is a prerequisite for providing these services. This paper proposes a person detection technology based on WiFi perception， which perceives changes in the surrounding environment based on the dynamic variance of the channel state information （CSI） amplitude， generates characteristic fingerprints， and combines the KNN classification algorithm to compare and judge whether there are people in the current scene.

Key words： WiFi; CSI; personnel detection; dynamic variance

1 引言

人員檢測技術(shù)對(duì)于人們的工作生活有著重大意義，無論是在公寓、辦公室，還是在商場、車站等公共場所中，都有很大的應(yīng)用潛力。在安全領(lǐng)域，人員檢測技術(shù)可對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行排查，確定有無人員需要被救援;在商用領(lǐng)域，商家可通過人員檢測技術(shù)計(jì)算客流量，從而更好地設(shè)計(jì)營銷策略;在民生領(lǐng)域，智能家居可根據(jù)人員檢測結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光和其他用電設(shè)備，為人們提供更貼心的家居服務(wù)。

傳統(tǒng)的人員檢測的技術(shù)包括：紅外線技術(shù)、超聲波技術(shù)、超寬帶技術(shù)、視頻技術(shù)和WiFi技術(shù)。紅外線技術(shù)[1] 是人們熟悉的一種人員檢測技術(shù)，通過在房間里布置紅外發(fā)射器，當(dāng)有人觸碰到紅外線時(shí)，系統(tǒng)立刻發(fā)出警報(bào)。這種方法技術(shù)成熟，精度高，但由于紅外線只能沿直線傳播，易被遮擋，所以需要大量部署設(shè)備。超聲波方法[2] 利用超聲波的反射來檢測有人員入侵，該方法靈敏度高，但需要專門的設(shè)備，且受非視距的影響較大。超寬帶技術(shù)[3] 是一種低功耗、高帶寬的通信技術(shù)，可靠高效，但設(shè)備造價(jià)昂貴。基于視頻的方法[4] 是人們最常見的一種人員檢測方法，例如我們生活中的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。這種方法最為直觀，有很高的準(zhǔn)確率，但同樣存在一些不可忽視的問題，易受光線影響，在弱光環(huán)境下，效果不理想，且在非視距環(huán)境下，存在盲區(qū)。

如今，隨著無線感知技術(shù)的發(fā)展，基于WiFi感知的人員檢測技術(shù)[5] 得了越來越多的關(guān)注。一方面，WiFi設(shè)備廣泛部署于各個(gè)地方，成本低;另一方面，WiFi信號(hào)覆蓋面廣，受環(huán)境干擾的影響較小。早期的研究主要基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）進(jìn)行人員檢測，利用WiFi環(huán)境中提取的RSSI作為信號(hào)特征，根據(jù)RSSI數(shù)據(jù)的變化，判斷監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有無人員存在。基于RSSI的方法[6] 能獲得較好的效果，但由于RSSI易受環(huán)境的影響產(chǎn)生多徑衰落，導(dǎo)致可靠性大幅降低，因此需要找到一種更加可靠的數(shù)據(jù)信息作為替代。CSI是物理層特性，具有更高的細(xì)粒度，能測量多個(gè)子載波的頻率響應(yīng)，且穩(wěn)定性更高，可以敏銳感知環(huán)境的變化。基于CSI的人員檢測方法[7] 相較于基于RSSI的方法有更高的精度和魯棒性。

本文提出了一種基于CSI的人員檢測方法，首先通過Hampel濾波濾除CSI數(shù)據(jù)中的異常值，計(jì)算出CSI幅度的動(dòng)態(tài)方差，然后采用PCA算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，提取出主特征，最后利用KNN算法進(jìn)行分類，判斷環(huán)境中是否有人員存在。

2 信道狀態(tài)信息

無線信號(hào)在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)，造成信號(hào)衰落和相位移動(dòng)。正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種多載波調(diào)制技術(shù)，能有效減弱多徑效應(yīng)，其主要思想是將高速串行數(shù)據(jù)信號(hào)劃分成若干并行的低速數(shù)據(jù)流，并將信道劃分為若干個(gè)子信道，每個(gè)子信道上的子載波相互正交。對(duì)于每一條子載波，可以使用CSI來描述無線信道的散射、衰落和功率衰減情況。在窄帶平坦衰落信道中，信道狀態(tài)的頻域模型可以表示為：

[Y = HX + N]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中X和Y分別是發(fā)射端和接收端信號(hào)向量，H為數(shù)據(jù)包中的CSI矩陣，N為噪聲向量。對(duì)于包含K個(gè)子載波的CSI，其矩陣表示為：

[H = [h1，h2，…，hK]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中k=1，2…K， K=56/114，每個(gè)子載波hk為：

[hk=hkej∠hk]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中|hk|和∠hk是第k個(gè)子載波的幅度和相位。

3 基于CSI的人員檢測方法

本文所提的人員檢測方法是基于這一原理：當(dāng)環(huán)境中沒有人員存在時(shí)，環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，CSI幅度波動(dòng)較小;當(dāng)環(huán)境中有人員出現(xiàn)時(shí)，環(huán)境的穩(wěn)定性被破壞，CSI幅度會(huì)出現(xiàn)較大程度的波動(dòng)。本文旨在探究環(huán)境中有無人員的情況下，CSI幅度的波動(dòng)情況，并以此為依據(jù)進(jìn)行分類，判斷環(huán)境中有無人員存在。

圖1和圖2分別為無人和有人情況下的CSI幅度，從中可以看出，無人時(shí)，CSI幅度離散程度較小，波動(dòng)不大;有人時(shí)，CSI幅度離散程度增大，波動(dòng)劇烈。結(jié)果表明CSI幅度可作為判斷環(huán)境中有無人員的特征，本文所提方法切實(shí)可行。

本文方法主要分為離線階段和在線階段兩個(gè)部分。離線階段，首先通過Hampel濾波濾除CSI數(shù)據(jù)中的異常值，計(jì)算出CSI幅度的動(dòng)態(tài)方差，然后采用PCA算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，提取出主特征構(gòu)建離線指紋庫;在線階段，通過和離線階段一樣的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用KNN算法進(jìn)行分類，判斷環(huán)境中是否有人員存在。方法框架圖如圖3所示。

3.1 Hampel濾波

CSI是細(xì)粒度的物理信息，具有很強(qiáng)的敏感性，易受環(huán)境影響產(chǎn)生大量噪聲。Hampel濾波器能有效檢測和去除數(shù)據(jù)中的異常值，其基本思想是加權(quán)滑動(dòng)平均，對(duì)于一組數(shù)據(jù)X，首先計(jì)算出這組數(shù)據(jù)的中值Median，并求出每一個(gè)數(shù)據(jù)與Median的差值取絕對(duì)值，即計(jì)算|Xi - Median|，得到序列Y，然后計(jì)算出Y的中值M，具體公式如下：

[Xi-MedianM0.6745>t，異常值Xi-MedianM0.6745≤t，正常值]? ? ? ? ? ? ? ? （4）

其中t是定義的閾值，M是絕對(duì)中位差，其公式如下所示：

[M=medianXi-Median]? ? ? ? ? ? ? ? （5）

Hampel濾波器不直接求出方差，而是用絕對(duì)中位差作為方差的近似估計(jì)，其對(duì)極端的異常值不敏感，并且不要求數(shù)據(jù)正態(tài)分布，能起到良好的檢測和去除異常值的效果。

3.2 動(dòng)態(tài)方差

CSI幅度比較雜亂，當(dāng)環(huán)境復(fù)雜時(shí)，差異性可能更小，因此不能簡單以CSI幅度作為判斷依據(jù)，應(yīng)當(dāng)提取更有效的特征。CSI幅度方差刻畫了各個(gè)時(shí)刻CSI幅度的離散程度，能有效區(qū)分出環(huán)境的變化。圖4和圖5分別無人和有人狀態(tài)下采用100為窗口，10為步長的CSI幅度的動(dòng)態(tài)方差。從中可以看出，無人和有人狀態(tài)下CSI幅度的方差差異很大。

3.3 PCA降維

在進(jìn)行分類前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，一方面是為了降低特征的維度，使后續(xù)的分類更簡便;另一方面能夠消除原特征之間的相關(guān)度，減少信息冗余，更有利于分類的實(shí)現(xiàn)。

PCA 是一種常用的降維方法，其基本思想是從原有特征中計(jì)算出一組按照重要性從大到小順序排列的新特征，新特征是原有特征的線性組合，互不相關(guān)。原有特征在新特征上的映射值成為降維后的新樣本。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文實(shí)驗(yàn)所使用的設(shè)備是兩臺(tái)TP-link 4700v2無線路由器，分別作為發(fā)射端和接收端，無線信道頻率為5GHz。實(shí)驗(yàn)分別在空地、走廊和實(shí)驗(yàn)室三個(gè)場景下進(jìn)行，各自采集無人和有人兩種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)各2萬筆，共12萬筆數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖中可以看出，在空地、走廊和實(shí)驗(yàn)室三個(gè)場景下，本文方法的準(zhǔn)確率分別為94.2%、91.4%、89.6%。在空地環(huán)境下，不存在多徑效應(yīng)，信號(hào)不易被干擾，準(zhǔn)確率最高;在走廊環(huán)境下，準(zhǔn)確率次之;在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，場景較為復(fù)雜，準(zhǔn)確率最低。從以上數(shù)據(jù)可知，在不同場景下，本文方法均能達(dá)到很高的準(zhǔn)確率，其中最低準(zhǔn)確率依然可以達(dá)到89.6%，表明本文方法有很高的精度和魯棒性。

5 總結(jié)

本文提出了一種基于WiFi感知的人員檢測方法，通過CSI幅度的動(dòng)態(tài)方差判斷環(huán)境中是否有人員存在。利用Hampel 濾波器去除了數(shù)據(jù)中的異常值，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。采用PCA進(jìn)行特征提取，降低了數(shù)據(jù)維度，使得分類更加簡便有效。最后以KNN算法為基礎(chǔ)建立人員檢測模型，訓(xùn)練得到有效的分類器判斷場景中是否有人員存在。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法有很高的檢測精度。

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【通聯(lián)編輯：梁書】