CN102913872A - 一种热释电红外传感器节点布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热释电红外传感器节点布置方法，属于物联网技术领域。本发明利用空间几何原理、菲涅尔透镜的几何特性、道路模型，构建传感器感知覆盖模型，在各种不同的工程现场情况下都可以计算出传感器的最佳安置方法。本发明根据传感器特性以及智能照明系统现有条件和所需的要求，保证热释电传感器在一定高度下感应符合人流或车辆的最大活动区域，以此计算出所需的热释电的最佳安装角度和最少数量，以此为智能照明提供稳定的传感信息减少传感器直接的干扰及感应速度也快。

Description

一种热释电红外传感器节点布置方法

技术领域

本发明涉及一种热释电红外传感器节点布置方法，属于物联网技术领域。

背景技术

智能道路照明系统中引入了无线传感器网络技术，是利用分布式的多传感器智能感知外界环境信息，并根据道路中行人和车辆的状况，实现对照明系统的智能管理和节能控制。热释电红外传感器可在一定距离内被动地感知人体和车辆辐射出的红外线，被广泛地应用于智能道路照明系统中。而在应用热释电红外传感器对道路中的行人和车辆进行信息采集时，由于受传感器的感知范围、灯杆的实际高度和传感器的摆放角度等诸因素的影响，如何科学的寻求它们的最佳组合，根据探测的任务来最大化、最优化的覆盖探测区域就成为了实际应用中必须解决的问题。而目前还没有针对智能道路照明的热释电红外传感器的应用系统。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种热释电红外传感器节点布置方法；

本发明采取的技术方案：

本发明包括如下步骤：

步骤一：根据热释电红外传感器的特性，建立热释电红外传感器在空间中的感知数学模型；

步骤二：根据小区道路环境情况建立其模型图，在模型图的灯杆上布置热释电红外传感器节点，分析影响热释电红外传感器感知区域的因素；

步骤三：随着热释电红外传感器安装在灯杆上的高度，安放角度的不同，其在地面对应的感知区域为不同的椭圆，在其感知角度和最大感知距离的限制下，确定其安装角度，使单个热释电红外传感器的感知区域最大；

步骤四：根据行人在道路中的行走习惯即当人在夜间靠近路灯侧行走和热释电红外传感器的特点，确定在小区道路对行人和车辆进行检测时所需要的传感器数量及安放角度。

本发明的原理：本发明利用空间几何原理、菲涅尔透镜的几何特性、道路模型，构建传感器感知覆盖模型，在各种不同的工程现场情况下，都可以计算出传感器的最佳安置方法。

本发明的有益效果：根据传感器特性以及智能照明系统现有条件和所需的要求，保证热释电传感器在一定高度下感应符合人流或车辆的最大活动区域，以此计算出所需的热释电的最佳安装角度和最少数量，以此为智能照明提供稳定的传感信息来减少传感器直接的干扰及感应速度也快。

附图说明

图1：热释电红外传感器的安装示意图。

图2：单个热释电红外传感器在小区道路中的感知区域示意图。

图3：热释电红外传感器节点探测区域一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

步骤一：根据热释电红外传感器的特性，建立热释电红外传感器在空间中的感知数学模型；

步骤二：根据小区道路环境情况建立其模型图，在模型图的灯杆上布置热释电红外传感器节点，分析影响热释电红外传感器感知区域的因素；

步骤三：随着热释电红外传感器安装在灯杆上的高度及安放角度的不同，热释电红外传感器在地面对应的感知区域为不同的椭圆，在热释电红外传感器感知角度和最大感知距离的限制下，确定热释电红外传感器安装角度使单个热释电红外传感器的感知区域最大；

步骤四：根据行人在道路中的行走习惯和热释电红外传感器的特点，确定在小区道路对行人和车辆进行检测时，所需要的传感器数量及安放角度。

以下所涉及到的热释电红外传感器的最大感知角度θ的取值范围在0到135度，热释电红外传感器的最大感知距离R的取值范围是不大于12米的正数。

所述步骤一的具体实施方式如下：

热释电红外传感器以它的热释电元件为中心，通过菲涅尔透镜的放大效应，感知时具有一个最大感知角度θ，如果把热释电红外传感器固定在空间中的某个位置，那么它的感知区域就可以看成是以该点为顶点，以热释电红外传感器最大感知角度θ为顶角的圆锥体，为了方便计算，将这个圆锥体的顶点设为坐标原点，得其数学模型为：

$\sqrt{x^2+y^2+z^2}\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)=(x\cos \mathrm{\α}+y\cos \mathrm{\β}+z\cos \mathrm{\γ}),$

所述cosα、cosβ和cosγ分别为热释电红外传感器感知区域所形成的圆锥体中心轴线与x、y和z轴正方向形成的夹角的余弦值，并且满足：

cos²α+cos²β+cos²γ＝1。

所述步骤二的具体实施方式按如下步骤进行：

（A）小区道路模型

图1所示：在小区中设机动车道宽度为D，人行道宽度为d，将热释电红外传感器固定在距离地面h高度为H的灯杆上。

（B）影响热释电红外传感器感知区域的因素

根据热释电红外传感器自身的特性和小区道路的环境可以得出影响其感知空间的因素，这些因素包括以下4点：

（1）热释电红外传感器的最大感知距离R。

（2）热释电红外传感器最大感知角度θ。

（3）热释电红外传感器摆放在灯杆上的高度h。

（4）热释电红外传感器在空间中的摆放角度。用其在空间中形成的感知圆锥体中轴线与各坐标轴正方向形成的夹角α、β和γ表示热释电红外传感器在空间中的摆放角度。

所述步骤三的具体实施方式如下：

在对道路上的行人和车辆进行探测时，为了使热释电红外传感器不漏检目标，应使其探测区域覆盖到地面，同时当其探知的最远距离等于最大感知距离R时，其形成的感知区域最大。图2所示：假设此时将热释电红外传感器向下固定在高度为H的灯杆上某一点处O，O距离地面高度为h，为了计算需要，以O为坐标原点，平行道路的方向为x轴，垂直道路的方向为y轴，灯杆的方向为z轴，建立空间直角坐标系，则热释电红外传感器所形成的感知区域将是一个以O为顶点，中轴线OC分别与x、y和z轴正方向成α、β和γ角的圆锥体，如图2所示，设OA为热释电红外传感器探知的最远距离，最远距离值等于最大感知距离R，这时可以求出热释电红外传感器在空间摆放角λ的表达式

$\mathrm{\λ}=\arccos (-\cos (\arccos \left(\frac{h}{R}\right)-\frac{\mathrm{\θ}}{2})),$

并且满足

${\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β}=1-{\cos }^2(\arccos (h/R)-\frac{\mathrm{\θ}}{2}).$

所述步骤四的具体实施方式如下：

（A）对人行道的探测

如图2所示：当布置热释电红外传感器对人行道进行探测时，其β值可取的范围为90°≤β≤270°。行人在夜间有靠近路灯侧行走的习惯即当人在夜间靠近路灯侧行走时会出现两种情况，第一种情况是行人沿着x轴正方向靠近路灯及第二种情况行人沿着x轴负方向靠近路灯；为了使热释电红外传感器在地面形成的椭圆形感知区域最大化的覆盖行人前来的方向就需要用两个热释电红外传感器，在这种条件下的β值第一种情况取90°和第二种情况取270°，这样就得到用两个热释电红外传感器感知小区人行道的传感器摆放角度

${\mathrm{\α}}_1=\arccos \left(\sqrt{1-({\cos }^2\arccos \left(\frac{h}{R}\right)-\frac{\mathrm{\θ}}{2})}\right),$

β₁＝90°,

${\mathrm{\γ}}_1=\arccos (-\cos (\arccos \left(\frac{h}{R}\right)-\frac{\mathrm{\θ}}{2})),$

和

${\mathrm{\α}}_2=\arccos (-\sqrt{1-{\cos }^2(\arccos \left(\frac{h}{R}\right)-\frac{\mathrm{\θ}}{2})}),$

β₂＝270°,

${\mathrm{\γ}}_2=\arccos (-\cos (\arccos \left(\frac{h}{R}\right)-\frac{\mathrm{\θ}}{2})).$

（B）对机动车道的探测

热释电红外传感器可以探测运动的人体和行进的车辆，但由于其自身的特点，目前主要应用其对人员进行探测，对机动车进行探测并不是其感知的重点，因此，在对机动车道进行探测时，为了不漏检车辆需选取热释电红外传感器覆盖整个机动车道。如图2所示：只有α取90°时传感器所形成的感知区域才能在横向最大化覆盖机动车道，这时热释电红外传感器的摆放角度为

α₃＝90°，

${\mathrm{\β}}_3=\arccos \left(\sqrt{1-{\cos }^2(\arccos \left(\frac{h}{R}\right)-\frac{\mathrm{\θ}}{2})}\right),$

${\mathrm{\γ}}_3=\arccos (-\cos (\arccos \left(\frac{h}{R}\right)-\frac{\mathrm{\θ}}{2})).$

实施例一：

根据热释电红外传感器的实际参数和小区道路环境特点，设定热释电红外传感器的最大感知距离R为9m，最大感知角度θ为120°，热释电红外传感器向下置于灯杆高度为3m的灯杆顶处，即h=3m，机动车道宽度为7m，人行道宽度为3m，将上述参数带入上面得出的热释电红外传感器节点摆放角度公式进行实际验证得图3；如图3所示：两个直线区域分别表示7m宽的机动车道和3m宽的人行道，左右两个椭圆形区域为热释电红外传感器对人行道的感知区域，中间的椭圆形区域为对机动车道的感知区域，从实际验证结果可以看出，对人行道区域的探测达到了最大化覆盖行人靠近路灯侧行走的区域，对机动车道的探测达到了最大化覆盖道路的目的。

本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种热释电红外传感器节点布置方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：根据热释电红外传感器的特性，建立热释电红外传感器在空间中的感知数学模型，其方法如下；

热释电红外传感器以它的热释电元件为中心，通过菲涅尔透镜的放大效应，感知时具有一个最大感知角度θ，如果把热释电红外传感器固定在空间中的某个位置，那么它的感知区域就可以看成是以该点为顶点，以热释电红外传感器最大感知角度θ为顶角的圆锥体，为了方便计算，将这个圆锥体的顶点设为坐标原点，得其感知数学模型为：

所述cosα、cosβ和cosγ分别为热释电红外传感器感知区域所形成的圆锥体中心轴线与x、y和z轴正方向形成的夹角的余弦值，并且满足

cos²α+cos²β+cos²γ＝1；

步骤二：根据小区道路环境情况建立其模型图，在模型图的灯杆上布置热释电红外传感器节点，分析影响热释电红外传感器感知区域的因素，其步骤如下；

<1>.小区道路模型

在小区中设机动车道宽度为D，人行道宽度为d，将热释电红外传感器固定在距离地面h高度为H的灯杆上；

<2>.影响热释电红外传感器感知区域的因素

根据热释电红外传感器自身的特性和小区道路的环境可以得出影响其感知空间的因素，这些因素包括以下4点：

（1）热释电红外传感器的最大感知距离R；

（2）热释电红外传感器最大感知角度θ；

（3）热释电红外传感器摆放在灯杆上的高度h；

（4）热释电红外传感器在空间中的摆放角度；用热释电红外传感器在空间中形成的感知圆锥体中轴线与各坐标轴正方向形成的夹角α、β和γ表示热释电红外传感器在空间中的摆放角度；

步骤三：随着热释电红外传感器安装在灯杆上的高度及安放角度的不同，热释电红外传感器在地面对应的感知区域为不同的椭圆，在热释电红外传感器感知角度和最 大感知距离的限制下，确定热释电红外传感器安装角度使单个热释电红外传感器的感知区域最大，其方法如下；

在对道路上的行人和车辆进行探测时，为了使热释电红外传感器不漏检目标，应使热释电红外传感器探测区域覆盖到地面，同时当热释电红外传感器探知的最远距离等于最大感知距离R时，热释电红外传感器形成的感知区域最大；假设此时将热释电红外传感器向下固定在高度为H的灯杆上某一点处O，O距离地面高度为h；为了计算需要，以O为坐标原点，平行道路的方向为x轴，垂直道路的方向为y轴，灯杆的方向为z轴建立空间直角坐标系，则热释电红外传感器所形成的感知区域将是一个以O为顶点，中轴线OC分别与x、y和z轴正方向成α、β和γ角的圆锥体，设OA为热释电红外传感器探知的最远距离，最远距离值等于最大感知距离R，这时可以求出热释电红外传感器在空间摆放角λ的表达式

并且满足：

步骤四：根据行人在道路中的行走习惯和热释电红外传感器的特点，确定在小区道路对行人和车辆进行检测时，所需要的传感器数量及安放角度，其步骤如下；

<1>.对人行道的探测

当布置热释电红外传感器对人行道进行探测时，其β值的范围为90°≤β≤270°；行人在道路中的行走习惯即当人在夜间靠近路灯侧行走时会出现两种情况，第一种情况是行人沿着x轴正方向靠近路灯及第二种情况行人沿着x轴负方向靠近路灯；为了使热释电红外传感器在地面形成的椭圆形感知区域最大化的覆盖行人前来的方向就需要用两个热释电红外传感器，在这种条件下的β值第一种情况取90°和第二种情况取270°，这样就得到用两个热释电红外传感器感知小区人行道的传感器摆放角度

β₁＝90°,

和

β₂＝270°,

<2>.对机动车道的探测

为了不漏检车辆需选取热释电红外传感器覆盖整个机动车道，只有α取90°时传感器所形成的感知区域才能在横向最大化覆盖机动车道，这时热释电红外传感器的摆放角度为

α₃＝90°，

2.根据权利要求1所述的一种热释电红外传感器节点布置方法，其特征在于：所述热释电红外传感器的最大感知角度θ的取值范围在0到135度，热释电红外传感器的最大感知距离R的取值范围是不大于12米的正数。 

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