CN109073774B - 用于感测空间中的改变的电容传感器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在监视的空间中定位感兴趣的物体的系统和方法。所述系统包括：用于感测空间的状态的改变的多个电容传感器(2)，其适于与地表面以非接触的方式电相互作用以便提供基于这样的改变而变化的电容，并且适于检测所述电容的至少时间演变，以及适于生成电容相关信号；滤波单元(25)，其被配置用于通过对由电容传感器(2)提供的电容相关信号进行滤波使得生成对应的经滤波的信号来降低这样的电容的所述时间演变中的噪声水平；以及中央设备，其与所述电容传感器(2)信号通信。中央设备被配置用于获取每个电容传感器(2)的经滤波的信号，和通过基于从检测所述物体的传感器(2)中的至少一个获取的经滤波的信号推断所述物体的至少距离、并且通过将所述至少距离与定义所述多个电容传感器(2)在监视的空间中的位置的位置数据进行组合来确定感兴趣的物体在所述空间内部的位置。

Description

用于感测空间中的改变的电容传感器和方法

技术领域

在本发明的最一般的方面，本发明涉及用于在监视的空间中定位至少一个感兴趣的物体、特别是用于优选地在室内环境中感测人、导电元件、电噪声源等的存在和(近似)位置的系统和方法。

背景技术

众所周知的是，电容传感器允许实现无标签感测技术以用于室内监视。为了被有效且容易地采用，感测技术需要是知晓隐私的、无标签的、小型的、低成本的、低功率的、可靠的、容易安装的。除了长范围电容感测之外，若干其它的技术可以被使用：被动红外、压力、超声多普勒频移、超声回声、RF超宽带、红外照相机等。它们中的每一个对于用于感兴趣的应用领域的室内活动监视具有特定的优点和缺点。例如，Canary系统(https://www.canarycare.co.uk/)使用基于被动红外(PIR)的传感器来监视人的活动。这是易于出错的，因为例如基于PIR的传感器仅检测移动(因此不检测比如看电视的静止活动)，它们仅在没有障碍的视线内操作，它们不测量距离，并且由于其它热源(例如，宠物、太阳、炉子等)而易于出现错误肯定。

电容传感器使用可以在以下模式中的一个下操作的电容换能器：

-负载模式–它仅需要换能器上的一个板，因为它使用人体或任何其它感兴趣的物体作为恒定电位的第二个板。换能器和身体之间的距离是改变其电容的因素之一。

-传送模式–它使用具有两个板的换能器。为了检测位置的改变，人体需要与板中的一个紧密耦合，因此使板之间的表观距离在位置改变期间变动；

-分路模式–它使用具有两个板的换能器。人体部分地屏蔽板之间的电场。

最后两个模式(传送和分路)不适合于本说明书中考虑的应用领域，因为它们需要至少两个电流耦合的板，这将使安装的复杂性和成本显著地增大；因此，从该观点来讲，第一个操作模式(负载模式)是最适合的。然而，根据现有技术，负载模式电容传感器限于与换能器的尺寸可比较的范围，这对于感兴趣的应用领域可接受的典型的换能器大小来说太短。

用于在室内环境中跟踪人的电容感测系统已在2010年6月的第8届IEEEInternational NEWCAS Conference的科学文章“Device-less capacitive indoorslocalization and activity tracking system”以及2009年3月的IEEE InternationalConference on Pervasive Computing and Communications的科学文章“TileTrack:Capacitive human tracking using floor tiles”中提出。这两个系统具有以下缺点：即，需要电容感测设备在建筑物的地板中的繁重安装(这使成本和安装时间增大)，以及对建筑房产引起的不便。另外，电容感测设备的数量和广度(大小)高，因为它依赖于要被覆盖的表面。

在负载模式下操作的现有的小型电容传感器具有降低的感测范围，通常是从近接触直到大约10cm。电和电磁噪声以及附近的导电物体干扰电容传感器的操作，并且限制它们的精度和/或感测范围。

为了被用于室内活动监视，感测范围应超过1m。然而，用于使高灵敏度负载模式电容传感器屏蔽附近的导电体的影响的现有方法不能使用小型换能器来被扩展用于较长的范围。图1中所示的方法利用围绕主(测量)场并且由测量电路以与感测场完全相同的方式驱动的补偿场。这些场在允许外部环境仅干扰它们的外层的同时在与内主(测量)场的界面处维持无噪声和干扰的电状况。因为补偿场的完整性随距离迅速地劣化，所以该技术对于小型换能器仅直到几厘米是有效的。

发明内容

本发明旨在通过提供用于在监视的空间中定位至少一个感兴趣的物体的系统来解决这些问题和其它问题。

此外，本发明旨在通过提供用于在监视的空间中定位至少一个感兴趣的物体的方法来解决这些问题和其它问题。

本发明的显著方面是由负载模式电容传感器检测的电容的时间演变(evolution)的滤波，以便降低检测的电容的所述时间演变的噪声水平。

这在不增大电容传感器的大小、特别是不扩展电容传感器的感测板的表面的情况下显著地扩展根据本发明的电容传感器的范围。

我们对于我们的目标应用领域提出的用于无标签长范围感测的电容传感器是由在负载模式下操作的小型电容换能器以及用于显著地增大电容传感器的感测范围(远远超过了现有的负载模式小型电容传感器的感测范围)的若干数据处理技术的新颖组合制成的。这些新的电容传感器的范围因此适合于需要人、导电元件或电噪声源的存在和近似地点的无标签、低功率室内监视(现有的小型负载模式电容传感器不能用于这个)的低成本应用。

本发明的进一步的有利特征是所附权利要求的主题。

附图说明

本发明的特征在附加到本说明书的权利要求书中具体阐述；这样的特性从以下对附图中所示的优选的且非排他性的实施例的描述将更清楚，其中：

-图1示出根据现有技术的用于使高灵敏度负载模式电容传感器屏蔽附近的导电体的影响的解决方案；

-图2示出根据本发明的实施例的电容传感器和描绘由所述传感器感测的电容的电模型；

-图3示出图2中描绘的电容传感器的内部架构的框图；

-图4示出概念性地表示由本发明的优选实施例执行的处理步骤的流程图；

-图5示出其中安装四个传感器(类似于图2中描绘的传感器)的房间的示意性顶视图；

-图6示出绘制由图5中描绘的传感器在测试会话期间收集的原始数据和经滤波的数据的曲线图；

-图7示出绘制在测试会话期间分别使用原始传感器数据和经滤波的传感器数据可获得的定位精度的曲线图；

-图8示出绘制在本发明的实施例中使用的示例性带通滤波器的传递函数的模块的曲线图。

具体实施方式

在本说明书中，对“实施例”的任何提及将指示关于本发明的实现描述的特定配置、结构或特征包括在至少一个实施例中。因此，可能在本说明的不同部分中出现的用语“在实施例中”和其它类似用语将不一定是全部涉及同一实施例。此外，任何特定的配置、结构或特征可以以被认为适当的任何方式组合在一个或多个实施例中。以下的提及因此仅出于简单的目的而被使用，并不限制各种实施例的保护范围或扩展。

参照图2，根据本发明的实施例的电容传感器2包括在负载模式下操作的感测板21(也被称为“换能器”)，该感测板21创建随离附近的人体以及离必须经由若干信号处理技术与感兴趣的人体区别开的其它静态物体和移动物体的距离而变化的电容(即，与地表面电相互作用以便表现出电容)。

换能器的电容使用检测单元24测量，该检测单元24包括在所述传感器2中，诸如优选地包括其频率依赖于换能器的电容的张弛振荡器的电容计。这样的换能器生成电容相关信号。

然而，电容换能器的灵敏度随距离急剧地减小。对于长范围，它与距离的倒数的平方或立方近似成比例地减小。例如，实验室测量表明使用4cm×4cm金属板的换能器的电容由于在它前面10cm处存在人体而导致的变化为总电容的大约1％(10E-2)，而在1m处，它下降至大约100ppm(10E-4)，这几乎不可与环境噪声区分开(并且与随距离的二次减小一致)，并且几乎不可与电容C1(金属板21和大地之间的电容)和Cb(人体和大地之间的电容)区分开，电容C1和Cb都由所述电容传感器感测。Ca是板和身体之间的电容。

因此，为了将换能器的电容的小的变化与噪声区别开，使用优选地包括以下功能块的链来对测量进行处理(进一步的细节在本说明书的下面提供)：

-在负载模式下操作的电容换能器；

-电容-频率转换器，其优选地包括以可变的周期振荡的非稳态多谐振动器，该非稳态多谐振动器的振荡周期直接依赖于换能器的电容C_a；由多谐振动器生成的电信号是电容相关信号；

-频率的直接数字转换，其通过对所选择的采样周期期间多谐振动器周期的数量计数来进行；所以通过该转换生成的信号也仍然是电容相关的；

-抽取和平均单元，其降低由数字转换引入的量化噪声和由换能器捕获的环境噪声这两者，并且还增大测量分辨率；

-检测位置的缓慢改变(稳定态)的一组滤波器；

-检测位置的快速改变(移动)的一组滤波器；

-滤波器输出数据的后处理器，其计算传感器和感兴趣的元素(例如，人体、大的导电物体等)之间的距离及其随着时间的变化。

还参照图3，电容传感器2的实施例还包括以下部分：

-处理单元22，比如中央处理单元(CPU)，其被配置用于执行用于实施用于通过所述电容传感器感测空间中的改变的方法的指令集(所述方法将在本说明书的下面详细描述)；

-存储器单元23，其至少包含允许降低由感测板21采集的数据中的噪声水平的滤波信息，并且优选地包含实现用于通过所述电容传感器感测空间中的改变的方法的指令；

-以上已经描述的检测单元24；

-滤波单元25，比如数字信号处理器、一组电感、电阻和/或电容组件等，其被配置用于降低经由检测单元24采集的信号的噪声水平，以便增大所述电容传感器的感测距离；

-输出单元26，其适于输出由滤波单元25生成的经滤波的信号，该经滤波的信号优选地指示围绕传感器2的空间中的改变的发生，输出单元26可以包括例如蓝牙、NFC(近场通信)、Wi-Fi或其它适配器，比如能够根据CDMA(码分多址)调制等接收的适配器；

-I/O单元27，其可以用于例如更新用于实施根据本发明的用于感测空间的状态的电容改变的方法的指令集和/或检查所述传感器2的状态和/或服务所述传感器2；出于这个目的，I/O单元16可以包括例如USB(通用串行总线)端口、火线(Firewire)端口、RS232或IEEE1284端口、以太网端口、Wi-Fi或其它无线适配器；

-通信总线28，其允许在CPU 22、存储器单元23、检测单元24、滤波单元25、输出单元26和I/O单元27之间交换信息。

作为使用通信总线28的替代，CPU 22、存储器单元23、检测单元24、滤波单元25、输出单元26和I/O单元27可以借助于集线器架构连接。可选地，这些部分22-28可以被嵌入在微控制器、FPGA(现场可编程门阵列)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)等中。

还参照图4，电容换能器21通过使用感兴趣的元素(例如，人体、大的导电物体等)作为第二个板在负载模式下操作。换能器总电容因此依赖于离感兴趣的元素(例如，人体)的距离。然而，该依赖性对于感兴趣的应用领域所必要的距离可以为总的测量电容值的0.01％左右，因此远低于噪声水平。因此，来自换能器的信号需要被处理以提取具有对于应用领域足够的精度的距离信息。

振荡器(其在该示例中使用非稳态振动器，但是也可以直接使用微控制器或者另一数字或模拟电路的模拟或数字I/O来实现)的周期依赖于(在这种情况下，线性地依赖于)换能器的总电容。

振荡器的周期例如使用微控制器上的定时器测量。测量还优选地将模拟信号转换成合适的数字表示，从而在处理中添加了量化噪声。振荡器的频率的周期的测量(采样)速率远远超过其由监视的空间的状况改变而引起的变化的最大改变速率(即，它被过采样)。采样操作由作为将振荡频率转换为数字值、从而允许随后使用数字滤波器并且获得数字信号处理技术允许的优点的过采样测量块的部分的频率测量单元执行。在本发明的实施例中，频率采样操作由CPU 22(被配置为使由非稳态多谐振动器生成的频率值适应后续的信号处理步骤的微处理器)执行。

过采样和平均块后面跟着数字低通滤波器和抽取块。特别地，低通滤波器提供较平滑的形式的电容相关信号，从而去除短期波动，并且留下较长期的趋势；换句话说，它提取测量的电容的连续移动分量，即，其在时间上的平均值。抽取是后处理步骤，该后处理步骤使用过采样的信号来增大在这种情况下用于测量振荡器的周期(其与频率严格地相关)的硬件计数器的分辨率并且降低由计数操作引入的量化噪声。

后面跟着的每组滤波器降低某种特定类型的噪声。用于水平检测的滤波器是降低例如来自于电马达、光开关的高频环境噪声或来自模拟电路的热噪声的低通滤波器。用于边缘检测的滤波器是降低低频噪声(诸如由于空气湿度的水平而导致的介电常数的缓慢变化或附近物体的静电荷的缓慢变化)的高通滤波器。另外的滤波可以用于进一步增大对特定类型的噪声的抗扰性或者增大对特定样式的输入信号的灵敏度。低通滤波器的截止频率高于高通滤波器的截止频率，以便保证被视为有用的信号在电容变化要被测量的频率范围中被正确地测量，因为它们是被视为有用的信号而不是由于被视为对于电容感测系统的应用不重要的事件而导致的噪声，即，监视的空间中要被检测的改变。

以上数字信号的处理对于降低影响测量的各种类型的噪声以及增大对感测范围的远端处的电容的非常小的变化的传感器灵敏度这两者是必要的。信号处理链允许显著地扩展电容传感器的测量范围。

不同的滤波器类型可以用于更好地从环境提取不同种类的信息，诸如要被跟踪的人的当前位置、房间内的移动或附近的电器(例如，冰箱)的操作。

除了使用不同的滤波器之外，数字滤波器块还可以借助于通过I/O单元27接收的控制信号来重新配置，以便在不同的时间从传感器环境提取这些不同的特征，例如，当人在家里时人的地点、以及当人长时间段不在时冰箱的正确操作。滤波器重新配置可以通过以下来进行：即，通过空中将确定频率传递函数的至少控制信号中包括的不同的一组滤波器参数(诸如滤波器系数和抽头的数量)发送到传感器，或者以新的程序实现具有新的滤波特性的数字滤波器的这样的方式使用空中远程编程技术部分地或全部地改变传感器的程序。换句话说，滤波单元的传递函数可以借助于切换命令来变动，并且中央设备被配置用于产生切换命令；切换命令优选地在无线通信链路上发出。

链中包括的所有块(诸如电容驱动的振荡器)可以优选地在低端微控制器上实现以降低电容传感器的功耗、大小和成本。

总而言之，根据本发明的用于在监视的空间中定位至少感兴趣的物体的方法包括以下阶段：

-检测阶段，其中，借助于与多个传感器2通信的检测单元24检测至少电容相关信号，其中，所述至少一个电容相关信号通过至少电容的时间演变生成，该电容基于所述监视的空间中的改变而变化；

-滤波阶段，其中，通过借助于滤波单元25对所述至少一个电容相关信号进行滤波来生成经滤波的信号，使得所述至少一个电容相关信号中的噪声水平降低；

-获取阶段，其中，由中央设备获取所述经滤波的信号；

-位置确定阶段，其中，借助于所述中央设备通过基于从检测所述物体的传感器2中的至少一个获取的经滤波的信号推断所述物体的至少距离、并且通过将所述至少距离与定义所述多个电容传感器2在监视的空间中的位置的位置数据进行组合来确定所述感兴趣的物体在所述空间内部的位置。

还参照图5，现在将描述确定人在房间中的位置的一组传感器2的使用和示例性实现。相同的过程可以用于确定另一导电或有源元件的位置和/或状态，并且将示出这可以如何被使得适于其它感兴趣的应用领域中的使用。

在该设置中，房间被定义为3m×3m空间，并且包括四个墙壁和四个传感器2：每个传感器2分别被放置在房间的一个特定墙壁的中间(在图5中用标记为节点A、节点B、节点C和节点D的圆圈示出)。每个传感器具有电容感测元件，优选地具有具有8cm×8cm表面的感测板21。具有4cm×4cm和16cm×16cm的大小的换能器板也可以被使用。换句话说，传感器的感测板21可以优选地具有16和256平方厘米之间的表面扩展。此外，所述感测板21可以优选地为正方形。在这样的设置中传感器的位置是预定的，并且对于中央设备是已知的。

检测单元24可以包括以下部分：

-以上已经描述的电容换能器；

-转换电路，其被配置用于将由电容换能器检测的电容变化转换成电信号的频率变化。所述转换电路优选地基于555非稳态振荡器。

CPU 22是与检测和输出单元信号通信的微处理器，其被配置用于对振荡器的振荡频率进行采样和量化(例如通过使用被配置为计数器的定时器单元)并且借助于输出单元26、优选地使用无线传送器将数字(频率)读数发送到基站(附图中未示出)。

存储器单元23可以存储微程序，即，包括用于管控传感器2的运作的微处理器执行的操作指令的程序代码，优选地以非易失性的方式存储。另外，单元23可以存储传感器2中包括的各种单元的操作状况，比如，例如，从I/O单元(如果存在的话)接收的或者要向其发送的命令和操作参数。它也可以存储要被传送到基站的、由检测单元检测的过去的电容值等。

当人在房间内移动时，传感器的换能器的电容由于换能器和人的身体之间的距离的变化而改变。

在图5-7中所示的实施例中，基站通过它的RF无线接收器从房间中的四个传感器节点接收数字值的四个流，例如，每秒一组新的读数。基站的无线接收器将数字值转发给基站的微控制器，该微控制器继而通过本地串行通信端口将它们发送到中央设备(例如，个人计算机或专用的集线器设备)以进行进一步的处理。换句话说，根据本发明的用于监视空间的系统包括以下部分：

-用于感测空间的状态的改变的多个电容传感器2，其适于与地表面以非接触的方式电相互作用使得所述电容传感器2中的每一个适于提供基于所述改变而变化的电容，检测所述电容的至少时间演变，并且基于所述电容的所述至少时间演变来生成至少电容相关信号；

-滤波单元25，其被配置用于通过对所述电容相关信号进行滤波使得生成对应的经滤波的信号来降低所述电容相关信号中的噪声水平；

-与所述电容传感器2信号通信的中央设备，其被配置用于执行以下步骤(例如循环地执行或者作为对显著的电容改变的检测的反应而执行)：

○获取每个电容传感器2的经滤波的信号；

○通过基于从检测所述物体的传感器获取的经滤波的信号推断所述物体的至少距离、并且通过将所述至少距离与定义所述多个电容传感器2在监视的空间中的位置的位置数据(也被称为‘位置信息’)进行组合来确定所述感兴趣的物体在所述空间内部的位置。

本发明还涉及与电容传感器信号通信的中央设备，所述电容传感器适于通过与地表面以非接触的方式电相互作用以便提供基于空间的状态的改变而变化的电容来感测所述改变，并且适于检测电容的至少时间演变以及生成电容相关信号。在本发明的实施例中，中央设备包括滤波单元，该滤波单元被配置用于通过对由电容传感器提供的电容相关信号进行滤波使得生成对应的经滤波的信号来降低电容的所述时间演变中的噪声水平。中央设备被配置用于执行以下步骤：

-获取每个电容传感器(2)的经滤波的信号；

-通过基于从检测所述物体的传感器获取的经滤波的信号推断所述物体的至少距离、并且通过将所述至少距离与定义所述多个电容传感器2在监视的空间中的位置的位置数据进行组合来确定所述感兴趣的物体在所述空间内部的位置。

在这样的实施例中，滤波单元至少部分地包含在中央设备中，并且可以要么通过硬件和软件元素的组合(例如，在PC或任何其它的电子处理设备中)来实现，要么通过软件数字滤波器来实现。在这样的情况下，滤波单元与多个电容传感器和中央设备相关联；滤波单元被配置用于降低由多个所述电容传感器提供的电容相关信号中存在的噪声水平。

在本发明的另一实施例中，滤波单元不是包括在中央设备中，而是部分地或全部地包含在电容传感器中的一个或多个中并且通过通信链路、优选地无线地连接到中央设备。在这样的情况下，本发明涉及与滤波单元信号通信的中央设备，该滤波单元被配置用于通过对由电容传感器(2)提供的电容相关信号进行滤波使得生成对应的经滤波的信号来降低由电容传感器生成的电容的时间演变中的噪声水平；电容传感器(2)适于通过与地表面以非接触的方式电相互作用以便提供基于空间的状态的改变而变化的电容来感测这样的改变，并且适于检测这样的电容的至少时间演变以及生成电容相关信号。中央设备被配置用于执行以下步骤：

-获取每个电容传感器2的经滤波的信号；

-通过基于从检测所述物体的传感器获取的经滤波的信号推断所述物体的至少距离、并且通过将所述至少距离与定义所述多个电容传感器2在监视的空间中的位置的位置数据进行组合来确定所述感兴趣的物体在所述空间内部的位置。

在本发明的实施例中，中央设备上的处理的重要功能是要在从电容传感器接收的数据携带太多噪声(即，受环境噪声影响)并且电容传感器在将它们向中央设备输出之前没有(充分地)滤掉这样的噪声的情况下，通过应用若干组数字滤波器来从传感器数据去除噪声。对原始数据进行滤波是允许我们的发明显著地扩展小型传感器的感测范围(否则受信噪比限制)的重要步骤。噪声可以来自于不同的源(例如，电器、人或物体上的静电荷、温度或湿度改变)，并且可以以不同的方式困扰传感器测量。

在图6中所示的采样中，实线受长期漂移和高音调噪声影响。例如，由电器(比如空调系统或冰箱马达的启动或停止)产生的噪声通常分布在高的频率上，该噪声通过使用低通滤波器被较好地降低，而由温度和湿度漂移引入的噪声一般分布在非常低的频率上，该噪声可以通过使用高通滤波器被衰减。依赖于感兴趣的目标(例如，环境中的电噪声的监视或人类活动)，对应的频率可以被选择以用于进一步的处理。申请人注意到，较高的采样频率将导致快速移动的较好的跟踪，同时增大功耗并且降低电池寿命。本发明的这个示例性实施例中使用的频率适合于跟踪人在其中度过大量的时间的公寓中的地点。以较高的频率(例如，10Hz)进行采样将更精确地跟踪人的移动，但是也将具有短10倍的电池寿命。因此，可以依赖于空间监视所需的时间分辨率和传感器的能量源容量来调整采样频率的选择。

漂移的幅度可以被清楚地看到比由于人的身体的位置的改变而导致的变化高得多，其通过信号水平的下移、接着再上移来表示。虚线(经滤波的数据，图6的右侧)示出信号的大部分可以如何通过滤波重构，使得它变为适合于随后被定位技术使用以推断人的位置。

滤波器可以分开地实现(级联的高通和低通滤波器)，或者使用带通滤波器来实现。为了在房间中定位单个人，对于高通滤波器，一组滤波器参数可以包括0.0001Hz的阻带频率(截止频率)和0.001Hz的通带频率，对于低通滤波器，一组滤波器参数可以包括0.02Hz的阻带频率(截止频率)和0.01Hz的通带频率，并且对于两个滤波器，一组滤波器参数可以包括40dB的阻带衰减、1dB的通带中的最大允许波纹以及1Hz的采样速率。在本发明的这个示例性实施例中，两个滤波器是有限脉冲响应(FIR)等波纹类型。本发明的这个实施例中使用的所得的通带滤波器在图8中示意性地示出。申请人注意到，该配置与具有3m×3m大小的房间中的传感器节点一起很好地工作。利用这些参数，使用滤波器输出数据的定位技术可以以小于50cm的均值误差确定人在房间中的位置。

经滤波的传感器数据被输入到中央设备，该中央设备被配置用于运行实现定位技术的指令集。定位技术通过使用传感器读数(即，经滤波的信号)作为输入来估计人在房间内的位置。

定位技术要么在训练模式下操作，要么在定位模式下操作。训练模式的目的是要允许中央设备将人在房间中的已知位置与经滤波的传感器数据的特定值确信地相关联。定位模式的目的是要从当前的经滤波的传感器数据推断人在房间中的位置。当人在房间内移动(图5)时，定位技术实时地跟踪人的身体的位置。

注意，在所有情况下，传感器必须被放置为使得所有感兴趣的点落在至少一个传感器的最大感测距离内。

通过将传感器的已知位置与从来自于被激励的传感器(即，检测到感兴趣的物体在它们的检测范围中的传感器)的经滤波的信号导出的距离信息进行组合，中央设备能够确定感兴趣的物体在监视的空间中的位置。这样的位置可以由安装人员以任何方式输入到设备中，并且可以在传感器由于任何原因被重新定位的情况下被更新。

训练步骤对于该定位机制是必需的，因为它允许提高精度并且对房间、公寓或建筑物中的“令人感兴趣的地点”给予有意义的“标签”。训练的种类和“标记”的种类依赖于最终的目标和跟踪必须发生的房间的特性。例如：

-如果目标是要跟踪人在房间内的准确的轨迹，则传感器可以围绕房间均匀地铺展，例如，如果房间足够小使得每一个感兴趣的点落在离至少一个墙壁的最大感测距离内，则它们可以被放置在墙壁上。相同的传感器分布适合于通过检测通常具有静态配置的地方(例如，仓库)中的突然改变来检测入侵；

-如果目标是要跟踪老年人的日常活动，则更适当的是将传感器靠近人预期度过大量的时间的每个地方(例如，椅子、扶手椅、床)或者靠近重要地点(例如，水槽、门)放置。这将确保识别这些“令人感兴趣的地点”时更大的置信度；

-如果目标是要针对安全应用检测人或物体在危险区域中的存在，则传感器需要被以所有的危险区域落在传感器中的至少一个的范围内的这样的方式放置；

-如果目标是要检测电气或电子设备或电器的异常操作或操纵，则传感器应被放置为检测在它们的操作期间产生的不同的电噪声；

-如果目标是要检测导电物体的异常移动，则传感器应被放置为覆盖感兴趣的物体的轨迹的至少某个部分。

在本发明的实施例中，中央设备被配置为在操作模式下和在训练模式下工作。在训练模式期间，中央设备被配置为获取通过将至少物体在监视的空间中的预定位置与当物体在所述预定位置中时由传感器获取的经滤波的信号相关联而产生的训练数据。在操作模式期间，中央设备被配置用于基于所述训练数据通过选择与在训练模式下获取的经滤波的信号更好地匹配的、与经滤波的信号相关联的训练数据的位置来确定所述物体的位置。如稍后将更好地描述的，这样的选择例如借助于诸如K最近邻(K-nearest neighbors)或朴素贝叶斯(

Bayes)的定位技术来执行。

在训练期间，当人在需要被“标记”的每个位置(例如，图5中的位置p1-p16)中时，对每个传感器取若干电容采样。这些采样与对应的标签相关联，并且每个定位技术使用该信息来在稍后将传感器读数分类为属于“标签”。

上述滤波器的应用和若干采样的使用确保标记处理在训练阶段期间也不易受噪声影响。

还参照图7，现在将示出传感器数据滤波对房间中人的定位的精度的有效性。在训练阶段期间，在本发明的示例性实施例中，如图7中的十字所示，传感器数据是在人占据以数字顺序在图5中示出的位置p1、…、p16时收集的。传感器(被称为节点A、B、C和D)也如图5中所示那样位于房间的四个侧面上。在这种情况下，目标是要跟踪房间内的任何地方的地点。

在图7中的顶部行上，定位技术使用在所述图7中的左上绘制的原始的、未经滤波的传感器数据来估计人体在房间中的位置。定位结果在同一张图中的右上以实线(移动轨迹)和圆圈(位置)示出。在图7中的底部行上，定位技术使用在图7中的左下绘制的经滤波的传感器数据来估计人体在房间中的位置。定位结果在同一张图中的右下以实线(移动轨迹)和圆圈(位置)示出。

通过定位技术从经滤波的数据推断的人在房间中的位置(图7中右下以圆圈示出)比从未经滤波的数据推断的位置(图7中右上以圆圈示出)更接近人在房间中的实际位置(图7中右下以十字示出)。这表明传感器数据的足够的滤波可以在不需要采用较大的感测板的情况下使传感器的距离测量的灵敏度和精度显著地扩展，直到允许电容传感器用于所考虑的应用领域(即，室内人定位)的距离。

优选实施例中使用的定位技术是k最近邻(k-NN)，其中，k＝1。该技术的步骤如下：

-接收输入数据集，该数据集优选地包括四个频率值(f1、f2、f3、f4)，其中，每个值借助于不同的传感器2读取；

-计算输入数据集和训练集中的每个数据点之间的至少一个距离，优选地为欧几里得距离；

-基于所述至少一个距离来选择训练集中的最接近输入数据集的数据点；

-返回与该最接近的训练点对应的房间位置。

作为替代，朴素贝叶斯(NB)定位技术也可以被使用以代替1-NN技术。在这种情况下，中央设备在训练阶段期间计算每个房间位置的数据点的统计均值和标准偏差。接着，当系统处于操作状况时，中央设备估计输入数据集中的给定数据点属于每个房间位置的概率，并且将该数据点分配给具有最高概率的房间位置。

由申请人获得的经验结果总结在以下的表格中：

以上技术可以用于推断接近监视的区域中感兴趣的地点(诸如扶手椅、水槽、床或门)的人的存在。定位技术通过对它们提供在人占据不同的感兴趣的地点时传感器的经滤波的读数被训练。原始传感器数据的滤波可以与对于房间的空间内的任意位置中的人的定位相同。这些经滤波的读数集被与对应的地点(被称为训练点)相关联地记忆在中央设备的存储器单元中；地点-读数关联的数量和地点(即，训练点)依赖于要被监视的空间的宽广和期望的空间分辨率。假设所有其它的测量条件保持不变，给定空间中的更多的训练点使地点估计的空间分辨率增大，并且使这样的估计的均值误差降低。要付出的代价可以是利用NB的更复杂的训练阶段、或者利用k-NN的更复杂的定位阶段和存储器单元的更高的占用。

人的室内定位可以用于各种应用。一个应用是辅助生活，其中，使用传感器的系统推断的定位数据(诸如地点、在每个地点度过的时间以及地点的轨迹或时间演替)可以被通过中央设备执行的第二指令集实现的上层技术使用以推断和检查行为的样式以便标记并且警告可能由于需要辅助的人的状况而导致的任何偏差。因此，在辅助生活应用中，根据本发明的传感器2或系统用于监视至少人的位置。为了降低电池消耗，如果目标是要识别人在哪里度过大部分的时间以及不同地点之间的移动的样式是什么，则可以使用低采样频率，优选地从0.1至1Hz。

安全应用可以使用以类似的方式被后处理的传感器数据以便检测人在危险区域中的存在。区域可以被以不同的方式指定为是危险的：永久地、基于时间地、或与外部事件(诸如机器操作循环等)相关地。

传感器系统也可以用于安全应用。例如，它可以用于检测应该是静态的地方(诸如存放在仓库中的商品)的改变。这样的改变可以是由于人或机器人的未经授权的入侵而导致的(这可能需要安全检查)，或者是由于下落的物体而导致的(这可能需要维护检查)。对于这样的应用，原始传感器数据被以与对于室内人监视相同的方式滤波。然而，定位技术的训练旨在仅辨识监视的空间的稳定配置，任何突然的改变应被标记为异常的。因此，在安全应用中，根据本发明的传感器2或系统用于监视至少物体或人的位置和/或状态。

其它安全应用可以检测对监视的公寓或房子的未经授权的访问。例如，基于传感器的监视系统可以检测到占用者离开地方，并且系统可以进入防入侵模式，在该模式下，感测的容量的依赖于物体的位置改变或人体的存在的任何突然的改变应触发警告。替代地，占用者可以手动地将系统切换到防入侵模式。在另一操作模式下，系统可以监视电容传感器，其除了监视的占用者的地点之外，还调查监视的空间的周边访问点，诸如窗户和门。这些访问点中的任何一个处的任何突然的改变可以被标记为未经授权的访问。对于这些操作模式，系统需要仅对通常用于从地点数据推断人的行为的上面的处理层的改变。因此，在安全应用中，根据本发明的传感器2或系统用于监视未经授权的人在空间中的存在。在这些防入侵模式中，中央设备记忆所涉及的换能器在激活时刻的经滤波的读数，并且周期性地验证由传感器2实时地接收的电容的经滤波的读数是否对应于先前记忆的那些读数(考虑认可的容差)。

所以，在本发明的实施例中，从由电容传感器2生成的电容相关信号导出的经滤波的信号的获取以及位置确定由中央设备以某个时间周期周期性地重复；中央设备被配置为监视所述经滤波的信号的时间演变以便在感兴趣的物体被检测到是静态的时追踪它的电状态和/或在所述物体被检测到在运动中时追踪它的路径。在本发明的一些实施例中，该周期可以变动，例如以便如果某个事件发生(例如，入侵)则更频繁地监视电容的时间演变和/或更好地追踪在监视的空间内检测到的新物体的位置。该周期改变可以要么考虑设备的操作状况由中央设备基于记忆在设备的非易失性存储器中的某些指令自动地触发；替代地或另外地，它可以由设备的用户变动，如果系统的应用需要这样的改变的话，例如，出于节能的目的，可以增大时间周期。

在本发明的一些实施例中，中央设备被配置为检测新物体在监视的空间中的出现，并且也监视变为感兴趣的物体的新物体的位置和/或电状态，该新物体在监视的空间中的出现引起由电容传感器2中的至少一个检测的电容变化。

在另一实施例中，中央设备被进一步配置为检测所述经滤波的信号中的至少一个是包括在第一集合中还是第二集合中，其中，所述第一集合包含被中央设备视为所述监视的空间的正常的、非警告的状态的经滤波的信号，而所述第二集合包含被中央设备视为所述监视的空间的异常的、警告的状态的经滤波的信号，并且其中，中央设备还被配置用于用信号通知检测到所述空间的正常或异常状态。典型的应用是防入侵应用，在该应用中，在训练阶段期间，某一组经滤波的信号被中央设备关联到非入侵状态，并且不包括在这样的第一集合中的任何其它一组这样的信号被中央设备视为用信号通知入侵。当然，优选地在被视为正常的、非警告的状态的经滤波的信号的值中引入一些容差以用于避免错误警报。另外，为了排除由传感器2检测的电容的缓慢的、但是相当大的改变引起错误警报，可以测量与入侵独立的影响电容的温度、湿度或其它物理参数。

在一些实施例中，电容监视系统的防入侵应用相对于身体位置监视应用可以具有不同的期望的特性。例如，应能够检测与经常存在于监视的环境中的那些实体不同的实体(例如，宠物、较矮或较高的人)的入侵。而且，为了跟踪快速移动的入侵者，应增大采样频率，并且必须相对于辅助生活场景改变滤波器参数，因此使电池寿命下降。如果在其期间必须检测入侵的不在场通常短于人在家里度过的时间，这可能是可接受的，否则必须使用更强劲的电池来支持该功能。在这样的情况下，有利的是作用于传感器中的全部或者仅一些上的滤波器的特性(例如，截止频率、通带值或阻带值)是可重新编程的或可重新配置的，以便使系统的检测特性适应由于相同硬件的新应用而导致的不同要求。有利地，这样的特性可以与对应的应用相关联地被记忆在中央设备的存储器中，使得当应用切换必要时，合适的配置可以例如从中央设备通过空中上载在传感器上以便重新配置系统。

电器的操作可以与电器所在的公寓中人的正常行为相关，以增强行为样式发现或者检测电器的异常操作。为了检测这些电器的操作，它们需要在至少一个传感器的范围中，并且应使用旨在检测由这些电器(例如，冰箱的压缩机的启动/停止、冰箱门打开或者电视机开启)生成的特定的噪声样式的另外的多组滤波器来处理原始传感器数据。

从这些特定的滤波器链的输出，上面的处理层可以推断电器的状态并且将它们与人的行为相关。偏差可以作为要么对于人正需要辅助(例如，对冰箱的不规则访问可能指示无规律的进食)要么对于电器(例如，冰箱压缩机的过度操作可能是由于它的门开着或者故障而导致的)而被通知。

其它实施例和概括

在到目前为止描述的实施例中，一些外围感测设备2实施监视的空间的状态的改变检测的初始步骤，而中央设备执行这样的步骤的最后步骤。这是基于针对给定的处理吞吐量允许某个功耗的信号处理技术的当前性能的优选解决方案。当然，在作为电容感测系统的部分的设备之间，其它任务分配是可能的，因此，其它种类的设备在处理中被涉及。每一处理单元的功耗/能耗连续地降低，因此感测系统的新配置在未来可以变得方便。

例如，滤波操作的部分可以在外围感测设备2中执行，并且已经部分地或全部地滤波的数据可以被发送到中央设备，该中央设备可以基于从感测设备2累积地接收的数据仅执行人体的最终定位处理，或者更一般地，监视的空间的最终状态估计。

在另一实施例中，用于给定空间的电容监视系统的传感器2中的至少一个也可以充当中央设备。在该实施例中，这种更复杂的传感器将包含执行监视的空间的状态估计(比如在这样的空间内部移动的人体的定位)所必要的所有块。它还将接收并且处理监视同一空间的其它部分的其它传感器的未经滤波的电容相关读数，因此I/O单元将接收这样的数据并且将它们与本地执行的读数一起进行滤波。

相反地且等同地，中央设备也可以充当感测设备，并且包括感测设备，因此包括换能器。在这样的情况下，将仅存在对本地来自于电容板的电容相关信号执行所有的信号处理操作的一个CPU。

数字信号处理(比如过采样、平均、抽取、滤波)和状态估计中的至少一些可以由在通用计算机或包括处理器的其它计算设备(诸如平板、PC、智能电话、笔记本等)的处理器上运行的专用软件执行。这样的处理中的一些可以由针对该目的优化的专用电子芯片中以任何形式包含的专用固件执行。在要对现有基础设施(比如墙壁、灯柱等)的影响非常小地被定位在环境中的小的组装电子设备的情况下，这个第二实施例是优选的。

应注意的是，本发明并不是仅在人类个体的位置和活动的监视中找到应用，而且还一般地在通常可以是室内、但是也可以是户外的环境的监视中找到应用。例如，根据本发明的系统可以如在建筑物或公寓的居住者不在时要被监视的建筑物或公寓的监控装备中那样使用。在这样的情况下，在安装和训练阶段中，电容传感器将被放置在环境的确定的地点中，通常与建筑物的外围且通常固定的元素(比如墙壁、家具、门框)对应。此后，一组传感器信号在非警告情形下(即，环境中的任何人以及被视为非警报触发的任何其它事件(缓慢的温度、压力、湿度或照明变化、冰箱或洗衣机马达的活动)不存在时)被监视。在这样的应用中，调整滤波器的操作参数以便消除由于被视为不重要的事件而导致的电容变化。代替地，可以进行某个测试以便确认由人或动物入侵者进入由电容传感器覆盖的区域而引起的电容变化使监视系统向监控操作者通知可能的入侵事件。

如果例如用户想要还监视安装在住户地点中的电器(比如冰箱)的正确运作，则在训练阶段期间，安装人员将隔离地监视由电器在不同的环境状况下的正常工作引起的电容变化。在冰箱的示例中，由它的冷却马达的启动和停止转变引起的高频电容变化在被视为正常的不同周围温度下被监视，并且对应的最小和最大电容不连续被确立为通常在某个时间间隔(例如，一天或某个小时数)中发生。如果没有启动和停止事件在某个时段内被检测到，则冰箱大概由于某个原因发生故障；如果这样的事件太经常发生，则大概是冰箱门中的一些一直错误地开着。所以，在某些应用中被视为噪声并且要利用滤波器抑制的东西在其它应用中反而变为要利用它们使其通过的有用信号。

本发明的另一典型的应用是针对室内环境和室外环境这两者的电器(比如照明设备，例如，灯柱或室内灯泡)的自动开和关切换和/或控制。一个或多个电容传感器位于由设备可照亮的区域中，并且可能紧邻这样的区域的入口或通道。首先，当至少一个人的存在被检测到时，监视系统使照明设备接通；当所有的人被检测到已离开可照亮区域时，照明设备被切断，优选地在从最后一次肯定检测时刻起的某个时间间隔之后。替代地，尤其是在户外应用(例如，灯柱)的情况下，照明设备总是被接通，并且在可照亮区域中人的检测期间增大照明强度。如果另外照明点是定向的，则主光束可以被引导到区域中人的存在被检测到的地点。该智能照明系统可以被应用于开放空间(街道、公园、停车区域等)的公共户外照明系统和应用于私人的防入侵照亮系统这两者。

本说明书已解决了可能的变体中的一些，但是对于本领域技术人员将清楚的是也可以实现其它实施例，其中，一些元素可以利用其它技术上等同的元素替换。本发明因此不限于本文中描述的解释性示例，而是在不脱离以下权利要求书中阐述的基本发明构思的情况下可以经受等同部分和元素的许多修改、改进或替换。

Claims (15)

1.一种用于在监视的空间中定位至少一个感兴趣的物体的系统，

其特征在于，

它包括

-多个电容传感器(2)，所述多个电容传感器(2)位于所述空间内，用于感测空间的状态的改变，每个传感器包括在负载模式下操作的、创建随着离所述物体的距离而改变的电容的一个感测板(21)，所述物体被用作第二板，所述感测板(21)基于所述距离来生成至少电容相关信号，其中，所述感测板(21)相对于所述空间的大小是小型的，

-滤波单元(25)，所述滤波单元(25)被配置用于增大电容传感器的感测范围并且用于通过对所述电容相关信号进行滤波使得生成经滤波的信号来降低所述电容相关信号中的噪声水平，以及

-中央设备，所述中央设备与所述电容传感器(2)信号通信，被配置用于

·获取每个电容传感器(2)的经滤波的信号，和

·通过基于从检测所述物体的传感器获取的经滤波的信号推断所述物体离所述传感器(2)的一组距离、并且通过将所述一组距离与定义所述多个电容传感器(2)在监视的空间中的位置的位置数据进行组合来确定所述感兴趣的物体在所述空间内部的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中央设备被配置为在操作模式下和在训练模式下工作，并且其中，在所述训练模式期间，所述中央设备被配置为获取通过将至少所述物体在所述空间中的预定位置与当所述物体在所述预定位置中时由所述传感器(2)获取的经滤波的信号相关联而产生的训练数据。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，在所述操作模式期间，所述中央设备被配置用于基于所述训练数据通过选择与在训练模式下获取的经滤波的信号更好地匹配的、与经滤波的信号相关联的训练数据的位置来确定所述物体的位置。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，位置的选择借助于定位技术来执行，所述定位技术为K最近邻定位技术或朴素贝叶斯定位技术。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述滤波单元(25)包括多个滤波器，每个滤波器与所述电容传感器(2)中的一个和所述中央设备相关联，所述滤波器被配置用于降低由所述电容传感器(2)提供的电容相关信号中的一个中存在的噪声水平。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述滤波单元(25)与多个电容传感器(2)和所述中央设备相关联，所述滤波单元被配置用于降低由所述多个所述电容传感器(2)提供的电容相关信号中存在的噪声水平。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，滤波单元(25)的传递函数可以借助于切换命令来变动，并且其中，所述中央设备被配置用于产生所述切换命令。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，中央设备被配置用于获取所述经滤波的信号并且以一时间周期循环地确定所述感兴趣的物体的位置，并且所述中央设备被配置为监视所述经滤波的信号的时间演变以便在感兴趣的物体被检测到是静态的时追踪它的电状态和/或在所述物体被检测到在运动中时追踪它的路径。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述时间周期可以变动。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，中央设备被进一步配置为检测新物体在监视的空间中的出现并且监视变为感兴趣的物体的所述新物体的位置和/或电状态，所述新物体在监视的空间中的出现引起由所述电容传感器(2)中的至少一个检测的电容变化。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，中央设备被进一步配置为检测所述经滤波的信号中的至少一个是包括在第一集合中还是第二集合中，其中，所述第一集合包含被所述中央设备视为所述监视的空间的正常的、非警告的状态的经滤波的信号，并且所述第二集合包含被中央设备视为所述监视的空间的异常的、警告的状态的经滤波的信号，并且其中，中央设备还被配置用于用信号通知检测到所述空间的正常或异常状态。

12.一种中央设备，所述中央设备用于作为用于在监视的空间中定位至少一个感兴趣的物体的系统的部分，

其特征在于，

所述中央设备可以与多个电容传感器(2)信号通信，所述多个电容传感器(2)位于所述空间内并且适于感测空间的状态的改变，每个传感器包括在负载模式下操作的、创建随着离所述物体的距离而改变的电容的一个感测板(21)，所述物体被用作第二板，所述感测板(21)基于所述距离来生成至少电容相关信号，其中，所述感测板(21)相对于所述空间的大小是小型的，其中，所述中央设备包括滤波单元(25)，所述滤波单元(25)被配置用于增大电容传感器的感测范围并且用于通过对所述电容相关信号进行滤波使得生成对应的经滤波的信号来降低所述电容相关信号中的噪声水平，并且其中，所述中央设备被配置用于

-获取每个电容传感器(2)的经滤波的信号，和

-通过基于从检测所述物体的传感器获取的经滤波的信号推断所述物体离所述传感器(2)的一组距离、并且通过将所述一组距离与定义所述多个电容传感器(2)在监视的空间中的位置的位置数据进行组合来确定所述感兴趣的物体在所述空间内部的位置。

13.一种中央设备，所述中央设备用于作为用于在监视的空间中定位至少一个感兴趣的物体的系统的部分，

其特征在于，

所述中央设备可以与滤波单元(25)信号通信，所述滤波单元(25)被配置用于

о增大多个电容传感器(2)的感测范围，所述多个电容传感器(2)位于所述空间内并且适于感测空间的状态的改变，每个传感器包括在负载模式下操作的、创建随着离所述物体的距离而改变的电容的一个感测板(21)，所述物体被用作第二板，所述感测板(21)基于所述距离来生成至少电容相关信号，其中，所述感测板(21)相对于所述空间的大小是小型的，并且

о通过对由所述电容传感器(2)提供的至少电容相关信号进行滤波使得生成对应的经滤波的信号来降低电容相关信号中的噪声水平，

所述中央设备被配置用于

-获取每个电容传感器(2)的经滤波的信号，和

-通过基于从检测所述物体的传感器获取的经滤波的信号推断所述物体离所述传感器(2)的一组距离、并且通过将所述一组距离与定义所述多个电容传感器(2)在监视的空间中的位置的位置数据进行组合来确定所述感兴趣的物体在所述空间内部的位置。

14.一种用于在监视的空间中定位至少感兴趣的物体的方法，

其特征在于，包括

-检测阶段，其中，借助于与位于所述空间内的多个传感器(2)通信的检测单元(24)检测至少电容相关信号，其中，每个传感器包括在负载模式下操作的、创建随着离所述物体的距离而改变的电容的一个感测板(21)，所述物体被用作第二板，所述感测板(21)基于所述距离来生成至少电容相关信号，并且其中，所述感测板(21)相对于所述空间的大小是小型的，

-滤波阶段，其中，通过借助于滤波单元(25)对所述至少一个电容相关信号进行滤波来生成经滤波的信号，使得所述至少一个电容相关信号中的噪声水平降低并且电容传感器的感测范围增大，

-获取阶段，其中，由中央设备获取所述经滤波的信号，以及

-位置确定阶段，其中，借助于所述中央设备通过基于从检测所述物体的传感器(2)中的至少两个获取的经滤波的信号推断所述物体离所述传感器(2)的一组距离、并且通过将所述一组距离与定义所述多个电容传感器(2)在监视的空间中的位置的位置数据进行组合来确定所述感兴趣的物体在所述空间内部的位置。

15.一种存储可执行的指令的计算机可读存储介质，所述指令在被处理器执行时实现根据权利要求14所述的方法。

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