CN102378996A - 用于自动存在检测的传感器的高能效级联 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在预定义空间中检测存在的方法和系统。该系统包括级联连接的传感器（s₁,s₂,…,s_n）、输出设备（1）、控制单元（2）以及处理单元（3）。该方法包括以下步骤：激活级联中的第一传感器（s₁），等待直到第一传感器检测到存在。当检测到存在时，激活级联中的后续传感器（s₂,…,s_n），并且当后续传感器（s₂,…,s_n）也检测到存在时，重复激活后续传感器的步骤直到级联中的所有传感器已经被激活。如果后续传感器（s₂,…,s_n）未检测到存在，则该方法返回到第一传感器的等待步骤。当级联中的最终传感器（s_n）检测到存在时，发送确认消息给输出设备（1）。

Description

用于自动存在检测的传感器的高能效级联

技术领域

本发明总体涉及用于检测存在的方法和系统，更为具体地涉及级联连接的传感器系统，其在保持高的检测精度的同时使能耗最小。

背景技术

自动存在检测可用于不同目的，如楼宇控制、照明调节或加热控制、监视系统、防盗报警、个人安全系统或者停车辅助。

尽管精度对所有这些应用都是重要的，但是精度的不同方面是重要的，以及针对不同的原因是重要的。对于停车辅助而言，错误的否定读数（false negative reading）可能导致对你的车的破坏，而错误的肯定读数（false positive reading）可能仅是微小的骚扰。相反，在个人安全系统中的错误的肯定读数可能导致人们受到惊吓。在监视系统中的重复错误的肯定读数可能对于被分配检查该被调查区域的安全员具有“谎报军情”的影响，从而导致将来正确的读数被忽略。触发加热或照明系统的错误的肯定读数将显著增加功耗。大多数时间这些错误读数具有自然的原因，但是有时传感器的运行被故意篡改。一些应用特别易于篡改，例如监视或防盗警报，因此期望的是这些应用中使用的传感器难以操纵。

不同种类的传感器可用于检测存在。它们基于不同的物理原理，具有不同的功率要求以及在精度方面的具有不同强度。

检测存在的最普通的方法之一是使用红外检测器。IR光的射束逆着传感器发出，并且传感器将非常精确地检测该射束何时被折断。这样的传感器通常使用在例如商店入口处，即非常窄且受限制的过道。利用基于这种类型的IR传感器的系统来检测分布式空间中的存在需要大量的射束以避免错误的否定读数的问题，例如在盗贼仅仅在射束上面或下面四处走动而没有折断射束的情况下。

因此，基于该技术的存在检测器由于发射的大量IR光束的功率需求而导致难以实现、不切实际并且耗电。另外，该系统将记录折断射束的任何对象，并且不能区分死的对象和人类。作为人的存在检测器使用的IR射束检测器将导致高的错误的肯定读数率。

然而，被动型红外检测器（PID）利用如下事实：所有对象都发射黑体辐射，实际上是红外辐射，其对人眼而言是不可见，但是其可由设计用于此目的的电子设备检测到。PID测量从在其视场（field of view）内的对象辐射的IR光。当具有一个温度的红外源（比如，人）在具有另一温度的红外源（比如，墙壁）的前面经过时，检测到明显的运动。

在该实例中术语“被动型”意思是PID设备不发射红外射束，而是仅仅被动地接受入射的红外辐射。因此，它的功耗明显小于上面描述的主动型红外检测器。然而，基于PID的系统将基于其视场内的任何移动的事物潜在地给出指示，即高的错误的肯定读数率。通常，PID不能以任何精度来区分人和其它移动的对象；如果移动的对象停止，并变得不动，则PID可能失去对它的跟踪。最后，持续的亮光可以使PID传感器饱和，并使其无法记录另外的信息。该特征使得PID作为户外的存在检测器不太可靠，并且使其相对易于操纵。

其它用于检测人的存在的方法包括超声波传感器。

超声波传感器按照类似于声纳的原理工作，并通过解释来自先前发出的信号的回声来评估目标的属性。发送信号和接收回声之间的时间间隔被计算，并且随后被用于确定到对象的距离以及对象的速度。超声波传感器不太擅长检测不动的对象。此外，基于超声波传感器的系统可能易于操纵，这是因为以下事实：覆盖对象的材料的表面形状、密度或一致性可充分地抑制（muffle）回声以使得对象对超声波传感器而言不可见。

更为精确的存在检测将需要更为复杂的方法，例如：音频或视频分析。视频分析不仅允许区分人类和对象，而且允许区分个体以及跟踪它们，并且检测移动和活动。使用摄像机的另一优点在于可以检测到不动的个体。音频分析（其中麦克风记录室内的声音和被训练用来识别典型的声音模式的算法）可以用来区分不同的活动。

音频/视频场景分析是很复杂的过程。为了实现鲁棒性，算法必须在计算上要求高。在芯片上连续运行这种算法所需的平均功耗是巨大的。

如在上面示例中可见，高精度典型地伴随着高功耗。因此，需要有一种在获得高检测精度的同时保持功耗的存在检测系统。

发明内容

因此，本发明优选地设法单独地或以任何组合方式来减轻、缓解或消除本领域的上述缺陷和缺点中的一个或多个，并通过提供按照所附专利权利要求的方法和系统来至少解决上面提及的问题。

本发明要解决的问题是创建一种方法和系统，其通过减少错误的肯定读数和错误的否定读数两者的次数在获得高精度的同时保持低的总功耗。

按照本发明的一方面，通过如下方式解决所述问题：级联连接不同类型的传感器，然后仅仅逐渐地激活更精确和更耗电的传感器，当较简单的传感器已经指示了存在时，利用这些传感器获得的信息来决定是否请求另外的、甚至更耗电的分析，由此保持该存在检测系统的总功耗处于低水平。

本发明的另一方面是通过当更精确的传感器被激活时去激活每个中间传感器来进一步降低总功耗。

本发明的另一方面是通过随机地或周期性地激活级联中最终的传感器来进一步减少错误的否定读数的次数，即使在前的传感器尚未检测到存在。

本发明的另一方面是通过以下操作来实现被检测对象或人的活动分析：激活检测后传感器，汇集检测后传感器所收集的信息，处理所汇集的信息，以及向输出设备发送活动消息。

附图说明

可以参考以下附图来更好地理解如权利要求中所定义的本发明。附图内的部件不必相对于彼此成比例，而是将重点放在清楚地图示本发明的原理。

图1是存在检测系统的示意图；

图2是图示本发明的方法的流程图；

图3是图示本发明的可替代实施例的流程图；

图4是图示本发明的另一实施例的流程图。

具体实施方式

下面要描述的本发明适用于存在检测，并且更具体地适用于级联连接的传感器系统，其在保持高检测精度的同时使功耗最小。

下面将参考附图更详细地描述本发明的若干实施例，以便使本领域技术人员能够实现本发明。然而，本发明可以用多种不同形式来体现，并且不应被解释为限于这里阐述的实施例。相反，这些实施例被提供，以使得本公开将是透彻和完整的，并且将向本领域普通技术人员完全地传达本发明的范围。这些实施例不限制本发明，而是本发明仅仅受限于所附专利权利要求。此外，附图中图示的具体实施例的详细描述中使用的术语并非旨在限制本发明。

图1中布设的系统包括四个传感器s₁, s₂, s₃, s₄。此外，它还包括输出设备1、控制单元2和处理设备3。

在该系统的第一优选实施例中，三个传感器s₁, s₂, s₃级联连接，且控制单元2连接到每个传感器。

第一传感器s₁包括用于检测运动的被动型红外检测器（PID）。PID s₁无法检测到被检测对象的距离，而是只能检测到在其敏感范围内的某处存在活动。PID s₁总是被激活，但是由于PID s₁在没有首先发射红外光的情况下操作，因此这对总功耗只有很小的增加。偶尔，由于例如入射阳光，PID s₁可能给出错误的肯定读数。低功耗也补偿了PID s₁的相对低精度。

第二传感器s₂包括超声波传感器，其保持去激活直到第一传感器s₁向控制单元2指示存在，且控制单元2继而向超声波传感器s₂发出激活指令。超声波传感器s₂的确比PID s₁ 消耗稍微多一些的功率，但是作为回报，它提供更精确的存在检测。例如，超声波传感器对入射阳光不敏感，其意味着先前传感器这方面的弱点被补偿。在超声波传感器s₂未检测到存在的情况下，控制单元2再次将其去激活。

如果超声波传感器s₂支持（second）PID s₁检测且被检测对象处于预定义距离内，则控制单元2命令包括摄像机的第三传感器s₃激活，并且同时命令超声波传感器s₂去激活。利用包含在处理单元3中的处理装置分析视频信号，如果证实移动对象是人类，则控制单元2向输出设备1发送确认消息，所述输出设备1可以是计算机屏幕、发声喇叭或被设计用来激活另一系统（例如楼宇控制系统或照明、加热或媒体系统）的触发设备。

在另一个实施例中，摄像机s₃继续收集检测后信息，甚至在已经发送确认消息后；并且处理单元3继续处理该信息以推断正在进行什么类型的活动。然后，活动消息被发送到输出设备1。最近，能够同时实时获取图像及其深度的传感器已经被开发。飞行时间（TOF）相机是这样的传感器，其利用按照已知频率脉动的多个IR发光二极管（LED）照射场景，并利用对IR光敏感的相机来捕获被照射的场景。给定每个像素中相机捕获的信号和LED发射的信号的光学相关，有可能计算离传感器捕获的场景的相机的距离。

结构化的光扫描给出类似结果。如果光的已知模式被投射到对象上（该对象同时被摄像机捕获），则有可能通过利用已知空间分布来获得所获取的图像的深度。这些方法可以被用于实时的面部识别和标识。这些传感器的缺陷再一次是功耗大。

在又一个实施例中，包括麦克风的音频传感器s_n+1连接到所述系统，用于检测后使用。当控制单元2发送确认消息时，音频传感器s_n+1被激活，并且通过处理单元3中组合的音频/视频分析，可以获得关于被检测人的附加消息，比如活动的类型、属性以及人类的身份。

在又一个实施例中，控制单元2间歇地命令包括摄像机的第三传感器s₃激活，即使包括超声波传感器的第二传感器s₂先前尚未检测到存在。这是为了证实被认定空的预定义空间真的是空的。这种类型的循环激活可以周期性地或随机地进行。这缓解了先前传感器例如检测固定对象或其它错误读数的有限能力，而且通常降低了其它差错来源（如故障或操纵）的影响。在该实施例的其它版本中，传感器（s₂,…s_n）之外的另一传感器被循环激活。

所有这些实施例的共同之处在于，系统中包括的传感器应按照功耗来放置。因此，即使本说明书描述了PID是第一传感器，超声波传感器是第二传感器，应理解，根据传感器的未来发展，将来它可以是反过来的。然而，还应注意各个传感器的强势和弱点。如果两种类型的传感器具有的功耗适合特定的级联水平，那么应选择可以增补级联中包括的其它传感器的强势或者补偿级联中包括的其它传感器的弱点的传感器。通过使用多个传感器的这种组合以及级联（该多个传感器布设于其中）的特定配置，正确检测的次数可被最大化，同时功耗将最小化。

本发明可以以任何适当形式来实现，包括硬件、软件、固件或这些的任何组合。本发明实施例的元件和部件可以以任何适当方式物理地、功能地和逻辑地实现。实际上，所述功能可以在单个单元中、在多个单元中实现或者作为其它功能单元的部分来实现。同样，本发明可以在单个单元中实现，或者可以物理地和功能地分布在不同单元和处理器之间。

图2是图示按照本发明方法的第一实施例的流程图。在第一步骤100中，图1描述的控制单元2激活第一传感器s₁。之后，在步骤102中，控制单元2等待第一传感器s₁检测存在。如果检测到存在，则在步骤104中，控制单元2激活第二传感器s₂。如果第一传感器s₁未检测到存在，控制单元2将保持等待直到检测到存在。之后，在步骤106中，控制单元2等待预定时间以便第二传感器s₂检测存在。该预定时间被设置成使得它足够长以便第二传感器s₂进行适当扫描。如果在该预定时间内第二传感器s₂没有作出检测，则控制单元2返回步骤102。

然而，如果第二传感器s₂确认第一传感器s₁的检测，则在步骤108中，控制单元2将激活第三传感器s₃。在步骤110中，控制单元2等待预定时间直到第三传感器s₃已经作出适当扫描。如果在预定时间内没有作出检测，则控制单元2返回步骤102。然而，如果第三传感器s₃已经作出检测，则控制单元2在步骤112中向输出设备1发送确认消息。该确认消息可以是显示器上的消息、声音消息或向该系统的用户确认检测的某些其它方式。

图3是图示按照本发明方法的第二实施例的流程图。第二实施例基本上对应于结合图2描述的实施例。因此，步骤120－132与图2中的步骤100－112相同，因此不再描述。然而，第二实施例还包括步骤134，其与图2中描述的方法并行运行。在第一实施例中，后一传感器仅在前一传感器已经检测到存在的情况下被激活。作为替换方案，在步骤134中，传感器还可以间歇地或随机地被激活。这在第一或第二传感器发生故障、给出错误读数或正在被篡改的情况下将是有利的，因为第三传感器s₃将以某预定频率或者随机地激活，即使先前的传感器尚未检测到存在。

同样，图4示出了基本上对应于图2所示实施例连同图3所示额外步骤的方法的实施例。图4中与图2和3中相同的步骤不再描述。按照图4的方法包括两个附加步骤：156和158，其在确认消息已经被发送之后激活。在步骤156中，控制单元2激活检测后传感器，该传感器汇集关于先前传感器已经检测到的对象的信息。因此，它汇集关于建立用于检测存在的系统所在的空间中正在进行的活动的信息。在步骤158中，该活动的报告被发送给适当的输出设备。

应理解，还可能在没有间歇步骤154的情况下，将步骤156和158直接加入到图2所示的方法中。

尽管以上已经参考具体实施例描述了本发明，但意图并不在于将其限制于本文所提出的具体形式。相反，本发明仅由所附权利要求来限制，并且在这些所附的权利要求的范围内，除了上述具体实施例之外的其它实施例同样是可能的。作为示例，本发明还可以被部署为完整的系统或一个或多个模块。

在权利要求中，术语“包括/包含”不排除其它元件或步骤的存在。此外，尽管单独列出，但是多个装置、元件或方法步骤可以由例如单个单元或处理器来实现。此外，尽管各个特征可能包含在不同的权利要求中，但是这些特征可能可以有利地组合，并且包含在不同的权利要求中并不意味着特征的组合不是可行的和/或有利的。另外，单数引用不排除多个。措辞“一”、“一个”、“第一”、“第二”等不排除多个。权利要求中的附图标记仅仅作为澄清性示例来提供，且不应理解为以任何方式限制权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种用于利用包括级联连接的传感器（s₁,s₂,…,s_n）的系统来检测预定义空间中的存在的方法，包括以下步骤：

激活级联中的第一传感器（s₁），

等待直到第一传感器检测到存在，并且当检测到存在时，

激活级联中的后续传感器（s₂,…,s_n），并且当后续传感器（s₂,…,s_n）检测到存在时，重复步骤c)直到级联中的所有传感器已经被激活，或者当所述后续传感器（s₂,…,s_n）未检测到存在时，返回到步骤b)，

响应于级联中的最终传感器（s_n）检测到存在，向输出设备（1）发送确认消息。

2.按照权利要求1所述的用于检测存在的方法，其中每次仅级联中的中间传感器（s₂,…,s_n-1）之一是活动的。

3.按照权利要求1所述的用于检测存在的方法，还包括以下步骤：

随机地或周期性地激活级联中的另一传感器，即使在前的传感器尚未检测到存在。

4.按照权利要求3所述的用于检测存在的方法，其中所述另一传感器是最终传感器（s_n）。

5.按照权利要求1所述的用于检测存在的方法，其中发送确认消息触发如下步骤：

汇集由最终传感器（s_n）收集的信息。

6.按照权利要求1所述的用于检测存在的方法，其中发送确认消息触发如下步骤：

激活检测后传感器（s_n+1），以及

汇集由检测后传感器（s_n+1）收集的信息。

7.按照权利要求6所述的用于检测存在的方法，其中发送确认消息触发如下步骤：

处理所汇集的信息，以及

向输出设备（1）发送活动消息。

8.一种用于在预定义空间中检测存在的系统，该系统包括：至少三个级联连接的传感器（s₁,s₂,…,s_n）；控制单元（2），其用于控制传感器以使得当在前的传感器检测到存在时激活级联中的后续传感器；输出设备（1），其被配置成响应于最终传感器（s_n）检测到存在来发送消息，其中所述传感器按照它们相应功耗在级联中排序。

9.按照权利要求8所述的用于在预定义空间中检测存在的系统，其特征还在于，它包括级联连接的检测后传感器（s_n+1）和处理单元（3），该处理单元（3）被配置成执行对由最终传感器（s_n）和/或检测后传感器（s_n+1）收集的信息的汇集和分析，以及响应于此，向输出设备（1）发送活动消息。

10.按照权利要求8所述的用于在预定义空间中检测存在的系统，其中级联中的至少一个传感器是IR传感器。

11.按照权利要求8所述的用于在预定义空间中检测存在的系统，其中级联中的至少一个传感器是超声波声纳。

12.按照权利要求8所述的用于在预定义空间中检测存在的系统，其中级联中的至少一个传感器是摄像机。

13.按照权利要求9所述的用于在预定义空间中检测存在的系统，其中检测后传感器（s_n+1）包括麦克风。

14.按照权利要求8所述的用于在预定义空间中检测存在的系统，还包括具有音频或视频处理器的处理单元（3），用于处理由至少一个传感器收集的音频或视频信息。

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