CN104280134B - 基于热释电技术的静态人体位置估计装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于热释电技术的静态人体位置估计装置和位置估计方法，所述装置包括前端采集模块，旋转传动装置，数据处理传输模块，所述的前端采集模块包括有单孔信息调制罩，菲涅尔透镜，热释电传感器；所述的旋转传动装置包括步进电机，所述的数据处理传输模块包括数据处理电路，无线传输电路，数据存储电路。所述的信息调制罩用于调整人体的热红外入射量，所述的菲涅尔透镜具有增大感应距离和产生明暗交替的感应区域，所述步进电机带动前端采集模块在固定轴上按一定的速度和角度进行旋转，所述的热释电传感器将感应的人体热红外能量信号经数据处理电路处理。本发明利用多个测量的角度信息并结合成熟的定位算法对静态人体的位置信息进行估计，同时使用单一设备可对静态人体的相对方位信息进行估计。

Description

基于热释电技术的静态人体位置估计装置和方法

技术领域

本发明属于人体定位装置，特别是一种基于热释电技术的静态人体位置估计装置和方法。

技术背景

热释电效应是在自身温度发生变化时会在自身表面产生过剩的热电荷，且只对自身温度的变化率有反应。通俗的讲热释电效应就是自然界中的某些晶体受热变化而产生的固有自身电极化现象。从本质上讲，所有的传感器都是换能装置，从这个意义上说热释电红外传感器是红外辐射的光热电转换器，将看不见的红外辐射能先转换成热能，再转换为电能进行量测。

最常见及使用最广泛的为双元热释电传感器，双元热释电传感器具有两个反向串联的敏感元，具有以下特点：1、由于是两个敏感元反向串联，所以当入射能量顺序照射在敏感元上时，传感器输出的电信号是一正一负相交替的交流电压信号，其输出比单元热释电传感器高一倍。2、由于两个敏感元是反向串联，对于同时入射的能量会相互抵消，可以消除环境温度变化及太阳等固定红外热源引起的误差。3、该PZT敏感元件具有压电效应，还可以消除因振动引起的检测误差。

人体辐射的红外能量相当微弱，且热释电传感器的探测距离较近，一般为1-2米，因此为提高其探测灵敏度，需要在传感器的前面加上一套光学装置。最常见的光学装置为菲涅尔透镜。菲涅尔透镜主要有两方面作用，一方面人体辐射出的红外线聚集到PIR的敏感元上，从而加大探测的距离，另一方面也能将入射的红外线做周期的遮蔽，使PIR传感器输出连续信号[1]。

目前，被动式报警系统采用热释电红外传感器，它是基于热释电效应，能以非接触形式检测出人体特定波长红外辐射，有很强的隐蔽性，能较好地实现报警功能，而且在自动控制、接近开关、遥控等领域也有较好的应用，现在已有部分基于热释电红外传感器的报警系统，但它们对侵入侦测范围内的一切运动人体进行感应，无法智能识别，误报率较高[2-7]。

将PIR传感器应用于人体运动模式识别的研究在国内外尚属少见，人作为动态的分布式的红外源是由体貌特征及步态特征所决定的，人体不同的步行运动姿态可导致所得PIR信号不仅时域特征有差异，并且其频域信号在特定频段也会产生差异.PIR传感器可探测人体所辐射出的红外线，输出电信号.当人体沿一定路径运动时，红外辐射将以唯一的方式影响PIR传感器的探测场，进而影响传感器的输出信号[8-10]。

如果再在菲涅尔透镜前加装一个有孔的罩子，将可以调制连续波的数目并优化检测到的波形，如果将孔的宽度设计的足够小，将会得到单个波。

现在已有部分基于热释电红外传感器的报警系统，但是它们对侵入侦测范围内的一切运动人体进行感应，无法智能识别，误报率较高，由于热释电红外传感器是通过目标与背景的温差来检测目标，对运动后静止的人体无法感应。

基于热释电传感器运动检测相比其它检测的优势在于它只检测从人体发出的中到长波的红外辐射，其波长是从8到14微米且峰值在9.55微米，所以可以实时检测人体移动情况，并可以排除其他动物或移动物体的干扰[11]。

参考文献

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现有的人体位置估计装置包括单个动态人体位置估计装置，多个动态人体位置估计装置，其不足在于：

当人体在感应区域静止时，热释电传感器将感应不到变化的热辐射源，所以不能对静态人体进行检测。即，不能实现对静止人体的位置信息进行估计，也不能实现对静止人体的人体红外特征进行识别。

发明内容

本发明的目的是针对现有的动态人体跟踪装置，提供一种基于热释电技术的静态人体位置估计装置和方法，以便对静态人体相对的角度方位信息进行精确估计，以及静态人体的位置信息进行精确的估计。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于热释电技术的静态人体位置估计装置，包括前端采集模块，旋转传动模块和数据处理传输模块，所述的前端采集模块包括有信息调制罩，菲涅尔透镜，热释电传感器以及放大滤波电路；所述的旋转传动装置包括步进电机驱动，步进电机和电机供电模块；所述的数据处理传输模块包括数据处理电路，无线传输电路，数据存储电路以及电源电路，其特点是：所述信息调制罩安装在菲涅尔透镜上，所述的信息调制罩用于调整人体的热红外入射量，所述的菲涅尔透镜安装在热释电传感器上，所述的菲涅尔透镜具有增大感应距离和产生明暗交替的感应区域，所述的热释电传感器将感应的人体热红外能量信号输出端与所述的放大滤波电路相连，所述的放大滤波电路输出端与所述的数据处理传输模块中的数据处理电路的输入端相连，以便将所述的前端采集模块采集的人体热红外信息进行处理，同时将处理后的数据通过无线传输电路传输到接收端(网关)，所述的步进电机驱动器与数据处理传输模块的微控器相连，利用微控器的指令对步进电机进行控制，可以带动前端采集模块并按一定的速度和角度进行旋转，可采集静态人体的热红外信息，所述的数据存储电路与数据处理电路相连，用于存储数据处理电路处理完的数据，所述的电源电路对数据采集和处理电路进行供电，步进电机由蓄电池供电模块供电。所述的前端数据采集模块通过旋转传动模块，使数据采集模块在固定的轴上进行旋转，由于相对于静态的人体是动态的，所以可以对静态人体热红外信息进行定量获取，与现有的技术相比，本发明利用多个测量的角度信息对静态人体的位置信息进行估计，同时使用单一设备可对静态人体的相对方位信息进行估计。

所述信号调制罩有且只有一个人体热红外能量输入孔，该孔可以控制人体热红外能量摄取量，且能调整输入到热释电传感器感应的波形与波数，从而降低数据处理的复杂度。

所述数据处理电路包括有一数模转换电路和一微控器电路，该数模转换电路的输入端与前端采集模块的放大滤波电路的输出端相连接，数模转换电路的输出端与微控器电路的输入端连接，这样前端采集模块就可以与数模转换电路分离，使采集更加方便，当前端采集模块出现故障，可简单的进行更换和修理操作。

所述菲涅尔透镜为马蹄形，所述马蹄形菲涅尔透镜能增加所示热释电传感器的感应范围、形成明暗交替的感应区，将他们进行配合能决定热释电传感器所采集的人体热红外波形与波数。

所述的步进电机驱动器与数据处理传输模块的微控器相连，利用微控器的指令对步进电机进行控制，可以带动前端采集模块并按一定的速度和角度进行旋转，并可采集静止人体的热红外信息，进而对静态人体的相对方位角度信息进行估计，同时利用多个装置可实现对人体的位置信息进行估计。

所述无线通信电路能和其它拥有无线通信电路的静态人体位置估计装置进行组网。组成星型网络，网络中心将对星型网络中的数据进行实时统计和监测。

所述的电源电路包括有电池接入电路和蓄电池接入电路，电池接入电路对数据采集模块和数据处理传输模块进行供电，蓄电池接入电路对旋转传动模块进行供电，可保证旋转传动模块电压的稳定性。以提供对静态人体位置估计所需的足够的数据。

所述前端采集模块采集的人体热红外信息，经数据处理电路中的数模转换电路，将单个类正弦波的人体热红外信息传输到微控器电路，通过微控器电路内嵌差分运算机制，即如果差分运算结果超过先设置好的阈值，可以判断为有人体目标在检测区域，在一段时间内可以根据所采集信号的个数来估计检测区域静态的人数，并存储在微控器电路中。如果需要可以将所在检测区静态人体热释电的相关数据通过无线传输电路，传输到其他终端。

本发明还提供一种基于热释电技术的静态人体位置估计装置的位置估计方法，所述的位置估计方法包括有单个静态人体位置估计方法和多个人体位置估计方法，所述的位置估计方法利用最小二乘法和卡尔曼滤波方法对静态人体的位置信息进行估计和滤波优化；所述的最小二乘法利用多个位置估计装置对单个静态人体测得的相对角度，来对人体的位置信息进行估计，然后利用卡尔曼滤波算法对测得的多个位置信息进行优化。

所述的最小二乘法利用多个位置估计装置对多个静态人体测得的相对角度，来对多个人体的位置信息进行估计，并利用逻辑排除法对计算出的虚拟的位置信息进行排除，最后利用卡尔曼滤波算法对估计的多个位置信息进行优化。

现有的人体热释电感应技术只有开关作用，当有动态的人体经过感应区域触发感应模块，然后触发其他终端例如，电灯，警报器等。而本发明能够提供静态人体目标的方位信息，如果采用多个位置估计装置，采集人体目标的相对方位信息,通过组合计算可实现获取静态人体的位置信息。从检测技术来看，本发明采用的硬件结构能够准确、高效和实时地获得检测人体热红外信息。

附图说明

图1为本发明前端采集模块原理框图。

图2为本发明数据处理传输模块原理框图。

图3为本发明旋转传动模块。

图4为本发明信号调制罩主视图(跟踪孔径正视图)。

图5为本发明信号调制罩俯视图。

图6为本发明前端采集模块电路框图。

图7为本发明旋转传动模块模块电路框图。

图8为本发明ACK机制示意图。

图9为本发明静态单人体定位机制。

图10为本发明静态多人体定位机制。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明。

本发明静态人体位置估计装置包括有前端采集模块1，数据处理传输模块2和旋转传动模块3，如图1所示，前端采集模块包括信号调制罩11，菲涅尔透镜12，热释电传感器13，放大滤波电路14。如图2所示，数据处理传输模块2包括有数据处理电路24，数据存储电路23，,无线传输电路22，电源电路21。如图3所示，旋转传动模块3包括电机驱动器31，电机32，电机电源33。如图4所示，在信号调制罩中部开凿一个宽1.5mm，长27mm的孔，该孔的作用是为了限制人体热红外能量的摄取量，通过该孔可以得到一个完整的类正弦波。同时把信号调制罩折成半径为16mm的圆弧，通过这个圆弧可以将8202-6型菲涅尔透镜固定，该菲涅尔透镜分为两个部分，上半部分的镜片面积大，数量较少主要收集人体上半身的热红外信息，下半部分的镜片面积较小，数量较多主要收集人体下半身的热红外信息，由于人体的上半身的热红外信息要小于下半身的热红外信息所以选择这型菲涅尔透镜。

本发明放大滤波电路14主要由TL082D型芯片组成，该芯片引脚5与热释电传感器13的引脚2相连，对热释电传感器的感应电压差进行两级放大，同时该芯片对放大的信息进行滤波，放大滤波电路14对输入给热释电传感器13的电压进行降噪，同时滤除噪音，将有效提高数据处理传输模块的计算精度和复杂度。

本发明数据处理传输模块2中包括STM32微处理器，STM32微处理器采用Cortx-M7ARM内核，工作频率高达72MHz，数据处理能力强，性能突出，该处理器采用的电容网络对电路进行了滤波与降噪。

无线传输电路中采用NRF24L01芯片，NRF24L01芯片的引脚SDO、SDI与STM32微处理器中的PB14，PB15引脚相连作为数字数据的传入传出；

所述的步进电机为CSD5607N-P型步进电机，该步进电机由24v直流电源供电(蓄电池)，并与微控器相联系，通过微控器可以对步进电机的步数和步进角度进行控制，即可以使用脉冲信号设置其旋转的速度和单个进步角度。

所述的热释电传感器为D205B热释电传感器，该传感器能获得人体热红外信息。同时该传感器为双元模式的热释电传感器，即是指串联在一起的两个极性相反、特性一致的探测元，外部环境或自身变化在这两个探测元上产生极性相反、大小相等的干扰信号将被抵消，达到了消除干扰的目的。该热释电传感器具有高信噪比、高灵敏度以及低功耗等优点

所述的调制罩为铝制材料或塑料材料，在该信号调制罩长108mm上，宽30mm上，开宽1.5-2.0mm，长27mm的孔，如图4所示，该孔的作用是为了限制人体的热红外能量，并使热释电传感器只采集一个有方向的正弦波。如图5所示，信号调制罩的前端为一个16mm半圆弧度加8mm的过度单元，这个结构是为了符合菲涅尔透镜的结构要求。

所述的菲涅尔透镜采用了8001-1型菲涅尔透镜，该菲涅尔分为两层，上层的单元数少，下层的单元数多，摆放时，单元数少的一面朝上，单元数多的一面朝下，它可以使探测距离增大，并使感应的波形更加有规律。

热释电传感器，信号调制罩，菲涅尔透镜按一定的顺序摆放，即传感器前摆放菲涅尔透镜，然后在菲涅尔透镜前摆放信号调制罩，并保证他们的中心都在一条准轴线上。以保证收集信号的规整。

所述前端采集模块电路，主要由热释电传感模块(包括热释电传感器，信号调制罩，菲涅尔透镜)，ADS1115数模转换器和信号放大电路构成。所述前端采集模块电路的工作原理是：

第一：热释电传感器采集到的人体热红外信息为模拟信息，首先对该信号进行放大滤波处理，然后通过数模转换器将模拟信号转换为数字信号，最后将数据传输到数据处理传输模块。

第二：锂电池(电源组模块)分别对热释电传感器，数模转换器，信号处理电路元件供电，供电分别为3.4v，5v。

所述数据处理传输模块电路包括：DS1307时钟芯片，NRF24L01无线模块，STM32F103VET6微控制器，以及78M05和AMS1117所组成的电源组模块。数据处理传输模块电路的工作原理是：前端采集模块采集的人体热红外数据，接入微控器数据入口，微控器使用阈值判断该信号是否为有效值，如果是有效值将打包并发送给网关，打包时将数据编码成40个字节的格式，从左向右依次为：两个字节的帧头，一个字节的节点ID，两个字节的节点编号，28个字节的数据，一个字节的校验位，最后为两个字节的帧尾以及四位空位。处理的结果可以通过，无线传输信道进行数据传输。由于NRF24L01一次只能发20byte的数据，所以要将编码后的数据分为两部分进行打包发送，发送给网关上相对应的NRF24L01无线模块上后进行拆包解码，发送数据时按照顺序查询的原则对数据进行发送，因此拆包时依据帧头和帧尾便可正确的将原来的数据进行组装，如果在组装过程中发现数据部分损坏或丢失，则将这组数据丢弃，再接收下一组数据。78M05和AMS1117所组成的电源组模块对锂电池电源进行稳压滤波，并将锂电池的电压值转换为个元器件工作所需要的电压值。

所述的旋转传动模块包括CSD5607N-P步进电机驱动器，5相步进电机，蓄电池，其工作原理为：利用STM32微控器对步进电机驱动器的工作模式进行设置，并将工作模式转换为脉冲信号作为驱动器的输入，当数据采集模块感应到静态人体信息时，就会将感应的数据和步进电机旋转的角度进行对应，即可得到静态人体的相对角度。同时蓄电池对驱动器进行持续的供电，其步进电机的角度计算原理如下：

探测角度＝量测脉冲数×步进角＝量测脉冲数×360/旋转一圈总步进数

可将步进驱动设置为一圈为200个步进数单位，每个步进单位对应1.8度，由于CSD5607N-P，步进电机的驱动器是5细分就是把1.8度再分成5次。所以经过驱动器的电机每一步就是1.8/5＝0.36度，所以每转一圈就是200×5＝1000个步进。

所述前端采集模块的数据处理流程是：

第一步：利用热释电传感器对静态人体热释电数据进行采集；

第二步：对采集到的数据进行放大滤波处理；

第三步：将滤波后的模拟数据进行数字化；

第四步：将数字化的信号数据传输到数据处理传输模块中的微控器数据接收端；

所述数据处理传输模块的数据处理流程是：

第一步：当探测到人体数据时，取热释电数据前后50单位进行差分运算，同时设置一个阈值，使差分结果实时与设置的阈值进行比较。

第二步：当实时差分结果值超过阈值时，将判断为有人，如果没有超过这个阈值将被判断为没人，并继续查询。

第三步：将人体的热释电数据以及该信号所对应的人体方位角度信息存储到存储电路。

第四步：同时将静态人体热释电数据和对应的人体方位角度信息通过网络协议传输到网关(PC端)；

所述的旋转传动模块数据处理流程：

第一步：利用STM32对步进电器驱动器进行初始化，；

第二步：提供24v电源，并启动步进电机，带动数据采集模块对静态人体的热释电信息进行采集；

第三步：将采集到的热释电信息与步进电机旋转的角度进行关联。

第四步：将关联的信息存储在存储电路，同时将该信息通过无线信道传输到数据中心(网关)

基于热释电技术的静态人体定位装置与网关的

ACK(Acknowledgement)机制：

对于该装置与网关间的通信，即NRF24L01间的通信，将采用自动应答ACK机制，如图8所示。ACK机制即接收节点(本系统中指网关节点)对接收到的每帧或者每组数据帧进行确认。发送节点(指静态人体定位装置)按照有序的方式进行数据发送，接收节点正确接收后对收到的数据报文进行ACK回复。此ACK帧的含义为接收方期待接收的下一帧，即当收到的数据无误时，接收节点将回复ACK填入接收到的数据帧序号加1的值后进行回复，否则，回复接收到的数据帧序号。此时，会有几种情况出现：其一，数据接收正确；其二，数据出现丢包现象；其三，发送节点无法收到ACK。

情况①为正常情况，网关节点正确接收到定位装置节点发送的数据帧0，接收节点回复ACK1期待接收数据帧1。定位装置节点收到ACK1后发送帧1。情况②为数据出现丢包的情况，接收节点收到帧1，但是数据校验失败，回复原数据帧序号确认帧即ACK1，发送节点收到ACK1，重传帧1。情况③为链路故障情况，发送节点无法收到ACK。可能是数据帧无法传送到接收节点，也可能是ACK无法达到发送节点。此时，发送节点将和情况②一样重传帧1。对于后两种情况，若定位装置节点重传帧1累计超过10次后仍无法正确接收到ACK，则认定接收节点无法连接，通信则被中断。

静态人体位置估计方法：

A:单个静态人体位置估计方法

步骤一：将节点1,2,3所采集的人体H热辐射信息转换为关联的

角度信息即：A1，A2，A3，然后通过无线信道传输到信息处理

中心(上位机PC系统)；

步骤二：将获取的3个角度信息通过最小二乘法，可得到人体H的位置信息；

步骤三：将得到的多组人体H的位置信息，通过卡尔曼滤波法进

行滤波，即可获得人体位置信息；

B:多个静态人体位置估计方法

步骤一：将节点1,2,3所采集的人体H1，H2的热辐射信息转换为

关联的角度信息即：A1，A2，A3，B1，B2，B3，存储到存储电

路模块中，然后通过无线信道传输到信息处理中心(PC系统)；

步骤二：将获取的6个角度信息通过最小二乘法，可得到多个真实和虚拟组成的静态人体位置信息；

步骤三：滤除由同一个节点中两个角度组信息所构成的位置信息；

步骤四：将得到的多组人体H1和H2的位置信息，再通过卡尔曼滤波法进行滤波；

步骤五：计算出估计的多个位置信息与各节点位置信息所构成的角度信息；

步骤六：将步骤四计算出的多个角度信息与步骤一实际测量的6个角度信息进行比较，如果在规定的误差阈值内，即为所需的静态人体相对的角度信息；

步骤七：将比较结果反馈到步骤二可以估计H1和H2真实的位置信息。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种基于热释电技术的静态人体位置估计装置，包括有前端采集模块，数据处理传输模块和旋转传动模块，所述前端采集模块包括信号调制罩，菲涅尔透镜，热释电传感器，放大滤波电路，所述数据处理传输模块包括有数据处理电路，数据存储电路，无线传输电路，电源电路，所述旋转传动模块包括电机驱动器，电机，电机电源，其特征在于：在所述信号调制罩中部开凿一个宽1.5-2.0mm，长27mm的孔，同时把信号调制罩折成圆弧，通过这个圆弧将菲涅尔透镜固定，所述菲涅尔透镜分为两层，上层的单元数少，下层的单元数多，摆放时，单元数少的一面朝上，单元数多的一面朝下；

所述放大滤波电路由TL082D型芯片组成，该芯片引脚5与热释电传感器的引脚2相连；

所述数据处理传输模块中包括STM32微处理器，STM32微处理器采用Cortx-M7ARM内核；

所述无线传输电路中采用NRF24L01芯片，NRF24L01芯片的引脚SDO、SDI与STM32微处理器中的PB14，PB15引脚相连作为数字数据的传入传出；

所述电机为CSD5607N-P型步进电机，该步进电机由24v直流电源供电，并与微控器相联系，通过微控器对步进电机的步数和步进角度进行控制，即使用脉冲信号设置其旋转的速度和单个进步角度；

所述的热释电传感器为D205B热释电传感器，该传感器能获得人体热红外信息，同时该传感器为双元模式的热释电传感器，即是指串联在一起的两个极性相反、特性一致的探测元，外部环境或自身变化在这两个探测元上产生极性相反、大小相等的干扰信号将被抵消，达到了消除干扰的目的；

所述热释电传感器，信号调制罩，菲涅尔透镜按一定的顺序摆放，即传感器前摆放菲涅尔透镜，然后在菲涅尔透镜前摆放信号调制罩，并保证他们的中心都在一条准轴线上；

所述前端采集模块电路，由热释电传感模块，ADS1115数模转换器和信号放大电路构成，其中热释电传感模块包括热释电传感器，信号调制罩，菲涅尔透镜；

所述数据处理传输模块电路包括：DS1307时钟芯片，NRF24L01无线模块，STM32F103VET6微控制器，以及78M05和AMS1117所组成的电源组模块；

所述的旋转传动模块包括CSD5607N-P步进电机驱动器，5相步进电机，蓄电池。

2.利用权利要求1所述的基于热释电技术的静态人体位置估计装置的位置估计方法，其特征在于：所述的位置估计方法包括有单个静态人体位置估计方法和多个人体位置估计方法，所述的位置估计方法利用最小二乘法和卡尔曼滤波方法对静态人体的位置信息进行估计和滤波优化；所述的最小二乘法利用多个位置估计装置对单个静态人体测得的相对角度，来对人体的位置信息进行估计，然后利用卡尔曼滤波算法对测得的多个位置信息进行优化；所述的最小二乘法利用多个位置估计装置对多个静态人体测得的相对角度，来对多个人体的位置信息进行估计，并利用逻辑排除法对计算出的虚拟的位置信息进行排除，最后利用卡尔曼滤波算法对估计的多个位置信息进行优化；

所述单个静态人体位置估计方法包括：

步骤一：将节点1,2,3所采集的人体H热辐射信息转换为关联的角度信息，即：A1，A2，A3，然后通过无线信道传输到信息处理中心；

步骤二：将获取的3个角度信息通过最小二乘法，得到人体H的位置信息；

步骤三：将得到的多组人体H的位置信息，通过卡尔曼滤波法进行滤波，获得人体位置信息；

所述多个静态人体位置估计方法包括：

步骤一：将节点1,2,3所采集的人体H1，H2的热辐射信息转换为关联的角度信息，即：A1，A2，A3，B1，B2，B3，存储到存储电路模块中，然后通过无线信道传输到信息处理中心；

步骤二：将获取的6个角度信息通过最小二乘法，得到多个真实和虚拟组成的静态人体位置信息；

步骤三：滤除由同一个节点中两个角度组信息所构成的位置信息；

步骤四：将得到的多组人体H1和H2的位置信息，再通过卡尔曼滤波法进行滤波；

步骤五：计算出估计的多个位置信息与各节点位置信息所构成的角度信息；

步骤六：将步骤四计算出的多个角度信息与步骤一实际测量的6个角度信息进行比较，如果在规定的误差阈值内，即为所需的静态人体相对的角度信息；

步骤七：将比较结果反馈到步骤二估计H1和H2真实的位置信息。