基于眾數判定的PIR傳感器網絡目標定位方法

曹志斌， 楊 衛， 邵星靈， 康新晨， 劉希賓

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引 言

熱釋電紅外傳感器在人體跟蹤，車輛檢測和監視等方面具有廣泛的應用前景，它具有響應快速，功耗低，體積小，目標識別能力高，抗電磁干擾等特性[1-3]。配有菲涅耳透鏡的PIR傳感器能夠響應探測區域中由物體運動引起的熱變化，適用于人體、車輛等的跟蹤系統。然而，作為被動式傳感器，單個PIR傳感器只能獲取目標與傳感器之間的有限方位信息而無法探測到具體位置，這對于目標跟蹤具有諸多挑戰。

基于無線傳感器網絡（WSN）和紅外技術的熱釋電紅外傳感器網絡以其良好的人體檢測能力，在目標跟蹤領域日益受到關注[4-5]。使用攝像機的常規跟蹤系統可以獲取目標的準確位置信息，但其價格昂貴，在使用無線網絡傳輸圖像時，數據量大，數據傳輸時間長，對圖傳設備性能要求較高。以低成本、低數據吞吐量的熱釋電紅外傳感器替代價格昂貴的攝像機在監控領域獲得廣泛應用[6-7]。在本文研究技術中，采用熱釋電紅外傳感器陣列組成無線傳感器網絡，對目標進行區域定位，以多傳感器劃分區域提高定位精度。

近年來，利用PIR傳感器對目標進行定位的研究主要圍繞定位精度的提高。文獻[8]根據目標入侵軌跡和傳感器視場的幾何結構研究PIR傳感器輸出信號，提出描述入射熱通量與距離關系的平方反比律和一種可檢測運動方向的指數窗口周期圖檢測器，能有效提高遠距離目標探測精度。文獻[9]將多個熱釋電傳感器檢測區域進行劃分和編碼，當目標在不同區域運動時，不同的傳感器可以感測到目標信號并進行輸出，將這些輸出的信號進行二進制排布，就可以獲得目標在不同區域運動產生的編碼值，從而得出目標位置。當有目標進入到傳感器定位系統的探測區域時，系統會為目標所在位置輸出對應的編碼，只要將輸出編碼對應編碼表，找出傳感器號碼及其物理坐標就可以實現簡單的目標定位[10]，是傳統技術在具體應用中提高對動態目標感知的方法。用這個方法只能實現對一個扇形區域內的定位，并且定位精度比較低，Q. Hao[11-12]等人在上述方法的基礎上使用多個傳感器系統協作來獲取大范圍高精度的目標位置信息。4個熱釋電傳感器系統構成的分布式目標定位系統中，相鄰2個傳感器組的探測區域有交叉區域，一旦有目標進入交叉區域就可以被兩個傳感器系統同時探測到，根據傳感器自身的位置與探測區域的角度關系就可以算出目標坐標。針對單節點目標定位存在定位盲區的問題，文獻[13]在峰-峰值時間差測距方法的理論基礎上，提出了一種利用PIR傳感器網絡對運動目標定位的理論，通過PIR傳感器動態掃描實現多節點目標定位。文獻[14]提出了一種動靜PIR傳感器相結合的人員目標探測、測向與定位的方法，利用感知節點上的靜態PIR傳感器對人員目標進行測距，同時動態PIR傳感器以10°/s的速度對監控區域往復掃描，通過幀差法得到目標的角度值，融合多個傳感器的測量值進行交叉定位。

在本文研究中，將PIR傳感器探測區域進行劃分編碼，通過對目標測量點落入傳感器探測區域的累積概率進行聚類分析，提出了一種基于眾數判定的目標定位方法。使用眾數法選擇性地融合有效測量點，提高目標定位精度，然后以極徑序列生成目標運動軌跡。

1 PIR傳感器和傳感器節點

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的透鏡組成。由于傳感器的響應效果與探測距離的平方成反比，在實際探測時的最大距離往往不超過6 m，為了提高探測靈敏度和增大探測距離，通常在探測器的前部裝設一個菲涅爾透鏡，與放大電路相配合可將信號放大70 dB以上，從而能測得20 m范圍內的運動目標。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，而選用鍺材質的紅外光學透鏡作為熱釋電傳感器的光學裝置。鍺材質的紅外透鏡相對于聚丙烯材料制成的菲涅爾透鏡而言具有更高的透射性，同時可更好地濾除環境中可見光和其他波段的紅外光的影響，將目標的紅外信號折射到熱釋電傳感器上，大大提高了熱釋電傳感器的探測距離及其靈敏度。此外，針對單個傳感器探測視場較小的特點，傳感器節點采用了以8路PIR傳感器集成的米字形感應模型的特殊光錐設計，該模型中傳感器視場所對應的每一條邊線為檢測線，觸發的檢測線的所有交點是測量點。

PIR傳感器網絡包含多個傳感器節點，如圖1所示，每個傳感器節點由PIR傳感器模塊、模擬信號處理模塊、數字信號處理模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，可實現對目標信號采集、處理和無線傳輸等功能。

圖1 PIR傳感器節點邏輯結構圖

當PIR傳感器網絡中有多個傳感器單元探測到目標時，通過無線通信模塊對目標信息進行融合處理最終得到目標準確位置[15-16]。

2 PIR傳感器網絡目標定位

2.1 目標距離測定

將PIR傳感器探測區域抽象為圖2所示，點O表示感知節點的一個傳感器探測單元，線段OA到OB形成的扇形區域表示由探測單元所形成的探測視場，θ表示傳感器探測單元的探測視場角，線段OC表示需要測量的目標到探測節點的距離，在圖中用d表示。

圖2 探測區域示意圖

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l與θ確定時，目標距傳感器的距離d便能計算出來。在目標移動速度v一定的情形下通過探測視場的距離l與信號總時間T成線性關系：

目標通過探測區域信號總時間T與信號峰峰值時間差Δt近似存在以下關系：

將式(2)、式(3)代入式(1)可得：

由式(4)可以看出，在目標運動速度v和視場角θ確定的情況下，運動目標距探測單元的距離d僅與信號峰峰值時間差Δt有關。因此，只需測得目標通過探測傳感器時熱電信號峰峰值時間差Δt，根據式(4)便可計算得到目標位置處距探測傳感器的距離d。

2.2 基于眾數判定的目標定位

由于PIR傳感器的角度誤差最大值可達到30°，離傳感器節點的目標越遠，探測誤差就越大。當探測區域中目標檢測線被觸發時，在相應的檢測區域中必然至少存在一個目標。雖然檢測線可能不總是穿過目標，但目標位于探測區的重疊區域，重疊區域中的測量點更接近于目標的實際位置。該檢測模型的本質是找出測量點與重疊區域之間的關系，根據落入PIR傳感器視野的累積頻率，統計每個測量點及其對應的檢測區域。將傳感器節點的探測區域簡化為如圖3所示的16個交替的半徑較長和較短的扇形。

圖3 簡化的傳感器節點探測模型

其中（xi，yi）是第i個PIR傳感器節點的坐標。

每個PIR傳感器的輸出可以用數字信號表示，當檢測到目標時，輸出為“1”，否則為“0”。依據PIR傳感器的二進制信號對傳感器節點的8個傳感器的探測區域進行8位二進制編碼，得到傳感器模型探測區域的編碼表如表1所示。

取眾數Mk作為式（5）中簡化模型的測量點落入探測區域時的第k個測量點：

其中，Ai，Bi，···，Pi是熱釋電紅外傳感器節點各傳感器對應的扇形檢測區域。

表1 PIR傳感器節點探測區域編碼表

圖4為基于眾數判定的定位方法示意圖。假設檢測區域有4個傳感器節點和1個人體目標。每個傳感器節點都有對應由式（5）所確定的扇形探測區域，每個測量點的括號內是其出現的頻數。由圖可知，測量點c的頻數為5最高，點e的頻數為1最低。人體目標位于傳感器探測區域的重疊區域，而頻數最高的測量點即眾數點c也在重疊區域。頻數最低的測量點在所有測量點中距離真實目標點最遠。在其他測量點中，如點d具有較高頻數則更接近目標實際位置。在這種情況下，如果選擇具有最高頻數的眾數測量點作為有效交點，則可以通過融合有效交點來獲取目標的實際位置，而所有其他測量點都可以視為虛假測量點。

圖4 定位方法示意圖

對于每個測量點，以左下角PIR傳感器節點為原點建立坐標系，將測量點到原點的距離以0.5 m為組距進行分組，則對于眾數測量點有

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

當目標進入探測區域時，PIR傳感器節點可測得目標相對于傳節點的距離和角度信息。各節點將測得的目標信息通過無線通信模塊發送至上位機進行數據融合，通過上位機對角度信息和距離眾數的全局坐標位置解算，得到測量點在坐標系中的位置。獲得了目標通過探測區域時的離散測量點坐標后，由極徑序列便可得到目標通過探測區域時運動的近似軌跡。

2.3 目標軌跡的極徑序列生成

假設紅外傳感器網絡S={S1,S2,S3,···,Sn}共有N個節點，xSi表示節點Si(i=1，2，···，n)的位置，每個節點的性能相同且不考慮網絡傳輸的延遲，即當一個節點發現目標時，立即通過無線網絡進行信息共享，其他節點能夠馬上得到其探測信息。Sij表示節點Si(i=1，2，···，n)的第j（j=1，2，···，n）個傳感器，t時刻發現目標時的角度記為探測角θij(t)以Sij為起點，在最大感知距離r內θij(t)方向上的線段定義為Sij的探測線，其極坐標表示為

假設系統監測過程中發現目標D次，得到D個探測角，對應探測線序列為其輸出結果表示為

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

假設目標軌跡為它在探測線序列上的點列P1，P2，P3，···，PD，即xT（tk）=Pk。則：

其中ρk(k=1，2，···，n)為Pk的位置參數，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軌跡。

如圖5所示，以最小感知單元的4個節點為例，其中Si1、Si2、Si3、Si4為節點的位置，其坐標已知。當節點發現目標時，都會對應有感知線li1j1、li2j2、li3j3、li4j4，這樣就可以建立一個線性方程，只要解算出極徑就可以得到目標的軌跡。

圖5 目標定位分析

3 實驗驗證

3.1 目標定位仿真

設定4個PIR傳感器節點以20 m的間距分布在正方形區域的4角，以左下角傳感器節點為坐標原點建立坐標系，X為區域的橫坐標，Y為區域的縱坐標。考慮采樣精度和硬件處理能力，PIR傳感器的采樣頻率設為50 Hz。1）假設目標起始坐標為(1，0)，角度為50°，以1.2 m/s的速度進入PIR傳感器網絡的探測區域，結果如圖6（a）所示。2）假設目標起始坐標為(20，10)，角度為170°，以1.2 m/s的速度進入PIR傳感器網絡的探測區域，結果如圖6（b）所示。

圖6 目標定位仿真結果

由仿真結果可以看出，該方法可以有效實現對不同位置、角度進入探測區域目標的定位，并預推目標的運動軌跡。

3.2 目標定位實驗

使用如圖7所示雙元熱釋電紅外傳感器目標感知平臺作為PIR傳感器節點，它由PIR傳感器、信號處理模塊、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，靈敏度高且對溫度變化具有較高的穩定性，對外部噪聲具有一定抗干擾能力。PIR傳感器對進入感知區域的目標進行信號采集，輸出的熱釋電信號經信號處理模塊放大、濾波和ADC等處理后，通過采用AT86RF212B射頻收發芯片的無線通信模塊傳至上位機。

圖7 PIR目標感知平臺

將4個PIR傳感器節點以20 m的間距分布在正方形區域的四角組成傳感器網絡感知單元。目標（人體）以1.1～1.5 m/s的速度從（1，0）點出發勻速通過探測區域，實驗結果如表2所示。

表2 本文方法實驗結果

為更好地觀察定位效果，選擇文獻[14]中動靜PIR結合的目標定位方法作為對照組，在相同條件下進行對比實驗，實驗結果如表3所示。

表3 對比方法實驗結果

由實驗結果可知，目標在進入探測區域的過程中，均多次被PIR傳感器探測到。由于受環境中其它熱源、光源干擾的影響，對照組實驗結果中測量位置誤差存在一些不確定性的大幅度波動。本文方法通過眾數判定對虛假測量點進行剔除，減小了因環境因素導致的傳感器探測誤差，使得到的目標位置坐標誤差均保持在0.5 m以內，定位精度一定程度上有所提高。

4 結束語

本文利用多PIR傳感器節點組成的傳感器網絡對目標進行探測，通過對測量點落入傳感器探測區域的眾數判定實現對運動目標的準確定位。由于PIR傳感器對環境中紅外輻射較為敏感，所以易受環境變化影響而產生誤報。經實驗驗證，本方法可以有效提高定位精度，減小因傳感器誤報對目標定位產生的影響。在監控領域應用中，具有一定的實際意義。