面向无线传感器网络的人体红外定位装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及人体目标定位与跟踪领域，特别是一种基于无线传感器网络的人体红外检测与定位装置及方法。该装置包括：ＣＰＵ、射频模块、传感器模块、地址拨码开关、串口和电源，其中，传感器模块包括３个热释电红外传感器。该方法包括：将多个普通Ｆｒｅｓｎｅｌ透镜的视野重新划分和编码的方法，适用于无线传感器网络的簇头动态选择方法等。本发明专利技术可广泛应用室内人体目标的定位与跟踪，如监测独居老人的生活作息习惯是否正常，安防安保中对入侵目标的定位与追踪等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络
和人体目标定位与跟踪领域， 特别是涉及一种。
技术介绍
人体检测与定位是智能监控、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和广受关注的研究热点，在灾害救 助、安防以及医疗监护等方面有广泛的应用价值。无线传感器网络是传 感技术在微型化、网络化和普适化方向凝聚发展的结果，是一种覆盖范 围宽、分布密度高、容错能力强和适应范围广的新型感知计算环境，是 互联网向物理世界的延伸和扩展，对当今的信息技术己产生了广泛而深 远的影响。特别地，在实现人体检测与定位过程中引入无线传感器网络 技术，无疑会拓展人体检测与定位的作用和适应性，将在灾害搜救、长 者监护及入侵者检测与跟踪等应用领域发挥更为重要的作用。已有的人体检测与定位方法主要有1、基于无线射频(Radio)测量法该方法借助无线信号发射与接收的传播过程，依据接收信号的信号 强度或接收信号与发射信号之间的时间差计算目标的距离，并通过三 边/三角测量法，确定目标的位置。根据接收信强度来计算目标距离的方法不足之处在于电池电量的消耗同样会引起信号强度的变化，因此测 量误差较大。根据接收信号与发射信号之间的时间差的方法存在的不足 是由于电波在空气中传播速度相当快(3*108111/3)，只要测量时间差有微 小误差，都会产生较大的测量误差。因此对硬件设计实现的要求很高， 并且能耗也大。此外，该方法要求被测目标必需随身配置无线电发射装 置，这就在一定程度上制约了其适用性。2、 基于超声波(Ultrasonic)测量法该技术单独利用超声波在空气的传播速度或利用超声波与无线电 波在空气中传播的速度差计算被测目标到传感器的距离，例如，被测目 标同时发出无线电波与超声波信号，由于两者在空气中传播速度不一样， 因此传感器接收到两种信号出现时间差，据此可以确定目标与传感器之 间的距离，同样采用三边/三角测量法，获得测量目标的位置。此类方法 对硬件设计实现要求低。然而，测量结果容易受超声波遮挡或反射等因 素的影响。该方法同样需要被测目标配置相关装置才能实现定位，其适 用性受到限制。3、 基于图像的测量法此类方法利用目标在图像中的位置估算目标的实际位置。该方法依 赖于光照强度，涉及复杂的数据处理算法，计算开销大，对硬件实现要 求高，能耗也大。此外，用于人体检测与定位的图像信息不可避免涉及 个人隐私，适用场合不具有广泛性，特别难以在个人生活空间使用。对比传统的传感器网络技术，无线传感器网络节点在能量、计算和 通信等方面存在独特的约束和限制，在容错性、可扩展性、自重构和自 调节等方面有着特殊的设计要求。将上述方法嵌入到无线传感器网络的感知计算环境还面临新的挑战。主要表现在1、 在计算资源方面。上述方法分别涉及到包括三边/三角测量、图像 处理等时间和空间复杂度较高的算法，需要较强的计算处理能力和较大 的数据存储资源，这与无限传感器网络低成本和低能耗的设计目标冲突， 难以在无线传感器网络的计算环境下实施。换言之，无线传感器网络节 点的计算处理能力和存储资源难以支持上述方法的实施。2、 在通信资源方面。数据扩散是无限传感器网络最重要的关键技术 和基本功能之一，目的在于根据应用目标组织传感器测量数据的多跳路 由策略，需要重点考虑减少因通信开销产生的能耗，限制了通信的带宽 和信道的质量。上述方法涉及无线电波、超声波和图像等感知数据，并 且相应的测量算法依赖于感知数据的准确性和完整性，为此感知数据的 扩散需要较高的通信带宽和较好的信道质量，这些都是在无线传感器网 络通信资源受限的条件下难以实现的。3、 在能量资源方面。上述方法都是采用主动测量模式，即涉及的无 线电波和超声波的发送和接受，以及图像的采集等过程都是需要持续不 断的，因此传感器都要处于连续的工作状态，也就需要持续不断的能量 供给。无线传感器网络的能量资源是受限和不可再生的，需要合理调度 和管理传感器节点，以有效利用有限的能量资源，这些对于上述方法采 用的传感器感知模式是难以发挥的作用。换言之，无线传感器网络固有 的能量约束无法支持上述方法测量的模式。综上所述，计算、通信和能量等资源受限制约了上述已有人体监测 与定位技术在无线传感器网络环境中的应用，有必要探索新的适合无线 传感器网络设计模式的人体检测与定位方法，这正是本专利技术专利主要的动机和目的。
技术实现思路
针对以上的不足，本专利技术提出了一种面向无线传感器网络的人体红 外定位装置及方法。面向无线传感器网络的人体红外定位装置，它包括CPU、射频模块、传感器模块、地址拨码开关、串口和电源，其中，每个传感器模块包括3 个热释电红外传感器，每个传感器采用特殊Fresnd透镜编码设计方法。 面向无线传感器网络的人体红外定位方法，它的步骤包括一、 人体红外定位装置初始化1) 将传感器节点以m为正三角形的边长安装在目标区域；2) 用Fresnel透镜将每个传感器的视野沿半径方向等分成7份，每 个区域按顺序用编码编号，设置灰色区域为屏蔽区域，即目标在该区域 时，该传感器不能检测到目标，输出为0，反之，输出为l;二、 单个传感器节点初步定位目标所在位置根据传感器节点中的三个传感器的输出确定目标所在环数n，进而确定目标距离传感器节点中 心的水平距离dd = (n-l)*(m/7)+ (m〃)/2三、 根据三个传感器节点进一步确定目标位置设传感器节点1、2、3的圆心分别为01(;djl)、 02(x2,y2)、 03(x3j3)点， 各圆心坐标已知，目标处于P(x,;;)点，传感器节点测得目标与自己中心的 水平距离分别为"l、 W、 W，从而得出一个超定方程组<formula>formula see original document page 8</formula>可以用最小二乘解法求出x，即问题转换为求x，使llHx-4最小，式(7)的最小二乘解为:x= HTH Hf(16)。所述步骤(三)中三个传感器节点采用簇头动态选择方法。本专利技术专利与现有技术相比，具有如下优点和有益效果1、低成本、低能耗。由于热释电红外传感器本身的特点，在其感知范围内无人运动时，其消耗的电流仅为几个UA，而且此时CPU可以处 于低功耗的睡眠状态， 一旦有运动目标进入传感器感知范围，传感器将 自动输出一个高电平唤醒CPU开始工作。如果采用其他类型的传感器，如无线电波、超声波、图像等传感器，需要CPU不断读取传感器的数据 才能判断是否有目标进入，而大多数时间里，是无运动目标的，CPU在这段时间内消耗了大量的能量做无用功。2、 定位精度高。对人体目标定位的精度可达到0.5米。3、 便于室内大规模布置。现有的一些红外传感器需安装在侧面墙上， 容易出现很多死角，要求传感器布置得较密，而且各区域内的测量精度 差别很大，不利于大规模布置。本传感器节点布置在天花板上，各节点 之间的距离可达3-6米(视天花板离地面高度而定)，便于大规模布置。4、 不需被测目标携带任何装置。采用无线电波、超声波等方法测量 时需要被测目标携带相关发送和接收装置，大大限制了其实用性。5、 不受环境噪声的影响。采用超声波测量时会受环境噪声的影响。6、 不受光照度强弱的影响。采用基于图像的测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向无线传感器网络的人体红外定位装置，其特征在于，该装置包括ＣＰＵ、射频模块、传感器模块、地址拨码开关、串口和电源，其中，每个传感器模块包括３个热释电红外传感器，每个传感器采用特殊Ｆｒｅｓｎｅｌ透镜编码设计方法。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：申柏华，王国利，黄鑫，侯超钧，黄超，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]