CN109085658B - 一种室内人体感应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室内人体感应装置，其特征在于：包括分别设置在室内不同位置的N个探测节点，N为自然数，以及计算节点；其中N个探测节点的结构相同，均包含有用于感知人体运动时释放的红外光线的热释电红外传感器，以及与热释电红外传感器连接的、能向外发射电磁波信号的探测用无线通信模块；所述计算节点则包含有能接收探测用无线通信模块发出的电磁波信号、并根据接收的电磁波信号强度判断室内是否有人的计算用无线通信模块。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置探测用无线通信模块和计算用无线通信模块，配合热释电红外传感器一起工作，在提高检测灵敏度的同时，通过设置探测用无线通信模块的不同工作模式，降低探测节点的功耗。

Description

一种室内人体感应装置

技术领域

本发明涉及一种室内人体感应装置。

背景技术

近年来，随着酒店、公寓等应用市场中智能门锁的普及应用以及智能化、无人化服务模式的发展，客户可自助进行订房、退房和入住等服务而不再需要房卡。传统的酒店插卡取电模式已不再适用，人体感应取电因其特有的优势被人们所需。但已有的传统人体感应器，如单纯红外人体感应器、多普勒感应器、超声波感应器等，在精确度，灵敏度和适应性等方面存在不足，容易受到光线的干扰，并且不容易探测到静态的人体。因此，目前市场急需一款高精确度、灵敏度的室内人体感应设备，克服现有技术的不足，以此实现室内有无人的感知。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种高灵敏度、低功耗的室内人体感应装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种室内人体感应装置，其特征在于：包括设置在室内不同位置的N个探测节点，N为自然数，以及一个计算节点；其中N个探测节点的结构相同，均包含有用于感知运动人体释放的红外线的热释电红外传感器，以及与热释电红外传感器电连接的、能向外发射电磁波信号的探测用无线通信模块，其中热释电红外传感器没有探测到运动人体发出的红外线时，发出第一电压信号，热释电红外传感器探测到运动人体发出的红外线时，则发出第二电压信号；所述计算节点则包含有能接收探测用无线通信模块发出的电磁波信号、并能够与探测用无线通信模块通信、以及能判断室内是否有人的计算用无线通信模块；

N个探测节点均具有如下三种工作模式：休眠模式、通信模式和探测模式；

初始状态下，N个探测节点均处于休眠模式，此时N个探测节点中的热释电红外传感器处于工作状态，不断探测运动人体发出的红外线，而此时探测用无线通信模块以预设第一时间间隔定时接收计算节点发出的控制指令；当任意一个探测节点中热释电红外传感器输出第二电压信号，或者该探测节点中的探测用无线通信模块接收到了计算用无线通信模块发出的通信控制指令，则该探测节点进入通信模式；通信模式下，探测用无线通信模块会不断接收与其连接的热释电红外传感器发出的电压信号，并将该电压信号以预设第二时间间隔定时转发给计算节点的计算用无线通信模块，同时探测用无线通信模块继续以预设第一时间间隔定时接收计算节点发出的控制指令，当该探测节点接收到计算节点发出的探测控制指令后，进入探测模式；探测模式下，探测用无线通信模块会以预设的第三时间间隔，定时向计算节点及其余探测节点发射广播信号，该广播信号中包含了其余探测节点相对于本探测节点的信号强度信息，同时探测用无线通信模块继续以预设的第一时间间隔定时接收计算节点发出的控制指令，当任意一个探测节点收到计算节点的休眠控制指令时，该探测节点重新进入休眠模式；

计算节点分为离线训练和实际工作两个工作阶段，离线训练工作阶段是室内人体感应装置安装使用前的准备阶段，其具体包含以下几个步骤：

A1、在室内无人状态下，计算节点向所有探测节点发送探测控制指令，使所有探测节点都进入探测模式；

A2、计算节点解析每一个探测节点中探测用无线通信模块发送的，其余探测节点相对于该探测节点的信号强度并持续一个采样周期，其中指第i个探测节点相对与第j个探测节点的第n个信号强度，m指一个采样周期内的采样到的信号强度的总数，n＝1、2……m，i＝1，2，……N，j＝1、2，……N，然后根据式(1-1)和式(1-2)计算在一个采样周期内的第一特征值C^ij和第二特征值D^ij，然后最后根据式(1-3)和式(1-4)得到室内无人状态下的特征矩阵组{E，F}，并存储在计算用无线通信模块内部；

A3、重复A1和A2x次，x为自然数，从而得到x组室内无人状态的特征矩阵组{E_x，F_x}；

A4、在室内有人状态下，计算节点向所有探测节点发送探测控制指令，使所有探测节点都进入探测模式；

A5、计算节点解析每一个探测节点中探测用无线通信模块发送的，其余探测节点相对于该探测节点的信号强度并持续一个采样周期，其中指第i个探测节点相对与第j个探测节点的第n个信号强度，m指一个采样周期内的采样到的信号强度的总数，n＝1、2……m，i＝1，2，……N，j＝1、2，……N，然后根据式(1-5)和式(1-6)计算在一个采样周期内的第三特征值H^ij和第四特征值K^ij，然后最后根据式(1-7)和式(1-8)得到室内有人状态下的特征矩阵组{O，P}，并存储在计算用无线通信模块内部；

A6、重复A4和A5y次，y为自然数，从而得到y组室内有人状态的特征矩阵组{O_y，P_y}；

计算节点的实际工作阶段分为以下几个步骤：

B1、发送休眠控制指令，使得所有探测节点均处于休眠状态；

B2、不断侦听是否有探测节点转发了热释电红外传感器的电压信号，当发现任一一个探测节点转发了热释电红外传感器的电压信号以后，则给所有探测节点发送进入通信模式的通信控制指令；

B3、不断判断是否所有探测节点转发的热释电红外传感器的电压信号都是第一电压信号；如果是并且持续了预设的第四时间间隔，则给所有探测节点发送进入探测模式的探测控制指令，并进入B4步骤；反之，持续不断的重复B2步骤，并直接输出当前状态为室内有人状态；

B4、解析每一个探测节点发送的，其余节点相对于本探测节点的信号强度并持续一个采样周期，根据式(1-9)和式(1-10)计算在一个采样周期内的第五特征值W^ij和第六特征值U^ij，其中是第i个探测节点相对与第j个的信号强度，m指一个采样周期内的采样到的信号强度的个数，n＝1、2……m，i＝1，2，……N，j＝1、2，……N，然后依照式(1-11)和式(1-12)得到一组未知类别特征矩阵{S，T}；

B5、依照公式(1-13)，计算未知类别特征矩阵{S，T}与x组室内无人状态的特征矩阵组{E_x，F_x}的距离L_x，其中a和b为预设调节系数；只要未知类别特征矩阵{S，T}与任意一组室内无人状态的特征矩阵组{E_x，F_x}的距离L_x小于预设阈值T₁，则输出当前状态为室内无人状态，否则进入步骤B6；

B6、依照公式(1-14)，计算未知类别特征矩阵{S，T}与y组室内有人状态的特征矩阵组{O_y，P_y}的距离L_y′，其中a′和b′为预设调节系数；只要未知类别特征矩阵{S，T}与任意一组室内有人状态下的特征矩阵组{0_y，P_y}的距离L_y′小于预设阈值T₂，则输出室内有人信号，否则进入步骤B7；

B7、将步骤B5和B6过程得到的所有L_x和L_y′，按照式(1-15)和(1-16)转换得到x个V和y个V′，其中ρ和σ为预设调节参数，找到所有V和V′中的最小值，当这个最小值是V中的一个时，则判定当前状态为室内无人状态，当最小值是V′中的一个时，则判定当前状态为室内有人状态；

V＝ρ*L_x (1-15)

V′＝σ*L_y′ (1-16)

B8、当计算节点判定当前状态为有人状态时，等待预设的第五时间间隔后，跳转至步骤B4；当计算节点判定当前状态为无人状态时，跳转至步骤B1。

所述计算节点还包括与计算用无线通信模块连接的热释电红外传感器。

所述探测用无线通信模块和计算用无线通信模块均包括ZigBee模块或蓝牙模块、热释电红外预留接口、充电模块、和电源开关；其中ZigBee模块是指能够发射2.4G频段的电磁波并且能按照ZigBee无线通信协议进行通信，并且进行数据处理和运算的模块。蓝牙模块是指能够发射2.4G频段的电磁波并且能按照蓝牙mesh无线通信协议进行通信，并且进行数据处理和运算的模块。

所述计算节点还包括与计算用无线通信模块连接的用于将计算用无线通信模块输出的室内是否有人信号发送给远程接收端的NB-IoT模块或者wifi模块。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置探测用无线通信模块和计算用无线通信模块，配合热释电红外传感器一起工作，当热释电红外传感器判断室内无人时可能出现的误判情况，进一步采用电磁波强度对比进行二次判断，通过室内电磁波的多径效应，进一步判断室内是否真的无人，在提高检测灵敏度的同时，通过设置探测用无线通信模块的不同工作模式，降低探测节点的功耗。

附图说明

图1为本发明实施例中室内人体感应装置的框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示的室内人体感应装置，包括分别设置在室内不同位置的N个探测节点，N为自然数，以及一个计算节点。

N个探测节点的结构相同，均包含有用于感知运动人体释放的红外线的热释电红外传感器，以及与热释电红外传感器电连接的、能向外发射电磁波信号的探测用无线通信模块；本实施例中，探测用无线通信模块包括ZigBee模块、热释电红外预留接口、充电模块和电源开关；热释电红外预留接口、充电模块、程序下载接口和电源开关均与ZigBee模块连接；其中ZigBee模块包括用于发射电磁波的具有ZigBee无线通信协议的数据收发模块和微处理模块，本实施例中采用型号为CC2530的ZigBee模块；上述ZigBee模块也可以采用具有相同功能的具有蓝牙mesh通讯协议的蓝牙通讯模块替代；

所述计算节点则包含有能接收探测用无线通信模块发出的电磁波信号、并能够与探测用无线通信模块通信、以及能判断室内是否有人的计算用无线通信模块，与计算用无线通信模块连接的热释电红外传感器，与计算用无线通信模块连接的用于将计算用无线通信模块输出的室内是否有人信号发送给远程接收端的NB-IoT模块；计算用无线通信模块也包括ZigBee模块、热释电红外预留接口、充电模块、程序下载接口和电源开关；热释电红外预留接口、充电模块、程序下载接口和电源开关均与ZigBee模块连接；其中ZigBee模块包括用于发射电磁波的具有ZigBee无线通信协议的数据收发模块和微处理模块，本实施例中采用型号为CC2530的ZigBee模块。

所有的热释电红外传感器始终处于工作模式，通过感知人体运动时释放的红外光线来判断室内是否有人，当热释电红外传感器没有探测到运动人体发出的红外线时，发出第一电压信号，当热释电红外传感器探测到运动人体发出的红外线时，则发出第二电压信号。

N个探测节点均具有如下三种工作模式：休眠模式、通信模式和探测模式；

初始状态下，N个探测节点均处于休眠模式，此时N个探测节点中的热释电红外传感器处于工作状态，不断探测运动人体发出的红外线，而此时探测用无线通信模块以预设第一时间间隔定时接收计算节点发出的控制指令；当任意一个探测节点中热释电红外传感器输出第二电压信号，或者该探测节点中的探测用无线通信模块接收到了计算用无线通信模块发出的通信控制指令，则该探测节点进入通信模式；通信模式下，探测用无线通信模块会不断接收与其连接的热释电红外传感器发出的电压信号，并将该电压信号以预设第二时间间隔定时转发给计算节点的计算用无线通信模块，同时探测用无线通信模块继续以预设第一时间间隔定时接收计算节点发出的控制指令，当该探测节点接收到计算节点发出的探测控制指令后，进入探测模式；探测模式下，探测用无线通信模块会以预设的第三时间间隔，定时向计算节点及其余探测节点发射广播信号，该广播信号中包含了其余探测节点相对于本探测节点的信号强度信息，同时探测用无线通信模块继续以预设的第一时间间隔定时接收计算节点发出的控制指令，当任意一个探测节点收到计算节点的休眠控制指令时，该探测节点重新进入休眠模式；

计算节点分为离线训练和实际工作两个工作阶段，离线训练工作阶段是室内人体感应装置安装使用前的准备阶段，其具体包含以下几个步骤：

A1、在室内无人状态下，计算节点向所有探测节点发送探测控制指令，使所有探测节点都进入探测模式；

A2、计算节点解析每一个探测节点中探测用无线通信模块发送的，其余探测节点相对于该探测节点的信号强度并持续一个采样周期，其中指第i个探测节点相对与第j个探测节点的第n个信号强度，m指一个采样周期内的采样到的信号强度的总数，n＝1、2……m，i＝1，2，……N，j＝1、2，……N，然后根据式(1-1)和式(1-2)计算在一个采样周期内的第一特征值C^ij和第二特征值D^ij，然后最后根据式(1-3)和式(1-4)得到室内无人状态下的特征矩阵组{E，F}，并存储在计算用无线通信模块内部；

A3、重复A1和A2x次，x为自然数，从而得到x组室内无人状态的特征矩阵组{E_x，F_x}；

A4、在室内有人状态下，计算节点向所有探测节点发送探测控制指令，使所有探测节点都进入探测模式；

A5、计算节点解析每一个探测节点中探测用无线通信模块发送的，其余探测节点相对于该探测节点的信号强度并持续一个采样周期，其中指第i个探测节点相对与第j个探测节点的第n个信号强度，m指一个采样周期内的采样到的信号强度的总数，n＝1、2……m，i＝1，2，……N，j＝1、2，……N，然后根据式(1-5)和式(1-6)计算在一个采样周期内的第三特征值H^ij和第四特征值K^ij，然后最后根据式(1-7)和式(1-8)得到室内有人状态下的特征矩阵组{O，P}，并存储在计算用无线通信模块内部；

A6、重复A4和A5y次，y为自然数，从而得到y组室内有人状态的特征矩阵组{O_y，P_y}；

计算节点的实际工作阶段分为以下几个步骤：

B1、发送休眠控制指令，使得所有探测节点均处于休眠状态；

B2、不断侦听是否有探测节点转发了热释电红外传感器的电压信号，当发现任一一个探测节点转发了热释电红外传感器的电压信号以后，则给所有探测节点发送进入通信模式的通信控制指令；

B3、不断判断是否所有探测节点转发的热释电红外传感器的电压信号都是第一电压信号；如果是并且持续了预设的第四时间间隔，则给所有探测节点发送进入探测模式的探测控制指令，并进入B4步骤；反之，持续不断的重复B2步骤，并直接输出当前状态为室内有人状态；

B4、解析每一个探测节点发送的，其余节点相对于本探测节点的信号强度并持续一个采样周期，根据式(1-9)和式(1-10)计算在一个采样周期内的第五特征值W^ij和第六特征值U^ij，其中是第i个探测节点相对与第j个的信号强度，m指一个采样周期内的采样到的信号强度的个数，n＝1、2……m，i＝1，2，……N，j＝1、2，……N，然后依照式(1-11)和式(1-12)得到一组未知类别特征矩阵{S，T}；

B5、依照公式(1-13)，计算未知类别特征矩阵{S，T}与x组室内无人状态的特征矩阵组{E_x，F_x}的距离L_x，其中a和b为预设调节系数；只要未知类别特征矩阵{S，T}与任意一组室内无人状态的特征矩阵组{E_x，F_x}的距离L_x小于预设阈值T₁，则输出当前状态为室内无人状态，否则进入步骤B6；

B6、依照公式(1-14)，计算未知类别特征矩阵{S，T}与y组室内有人状态的特征矩阵组{O_y，P_y}的距离L_y′，其中a′和b′为预设调节系数；只要未知类别特征矩阵{S，T}与任意一组室内有人状态下的特征矩阵组{O_y，P_y}的距离L_y′小于预设阈值T₂，则输出室内有人信号，否则进入步骤B7；

B7、将步骤B5和B6过程得到的所有L_x和L_y′，按照式(1-15)和(1-16)转换得到x个V和y个V′，其中ρ和σ为预设调节参数，找到所有V和V′中的最小值，当这个最小值是V中的一个时，则判定当前状态为室内无人状态，当最小值是V′中的一个时，则判定当前状态为室内有人状态；

V＝ρ*L_x (1-15)

V′＝σ*L_y′ (1-16)

B8、当计算节点判定当前状态为有人状态时，等待预设第五时间间隔后，跳转至步骤B4；当计算节点判定当前状态为无人状态时，跳转至步骤B1。

本实施例中的室内人体感应装置，检测灵敏度高，检测准确率高，对静态的人体探测灵敏度高。

Claims (4)

1.一种室内人体感应装置，其特征在于：包括设置在室内不同位置的N个探测节点，N为自然数，以及一个计算节点；其中N个探测节点的结构相同，均包含有用于感知运动人体释放的红外线的热释电红外传感器，以及与热释电红外传感器电连接的、能向外发射电磁波信号的探测用无线通信模块，其中热释电红外传感器没有探测到运动人体发出的红外线时，发出第一电压信号，热释电红外传感器探测到运动人体发出的红外线时，则发出第二电压信号；所述计算节点则包含有能接收探测用无线通信模块发出的电磁波信号、并能够与探测用无线通信模块通信、以及能判断室内是否有人的计算用无线通信模块；

N个探测节点均具有如下三种工作模式：休眠模式、通信模式和探测模式；

初始状态下，N个探测节点均处于休眠模式，此时N个探测节点中的热释电红外传感器处于工作状态，不断探测运动人体发出的红外线，而此时探测用无线通信模块以预设第一时间间隔定时接收计算节点发出的控制指令；当任意一个探测节点中热释电红外传感器输出第二电压信号，或者该探测节点中的探测用无线通信模块接收到了计算用无线通信模块发出的通信控制指令，则该探测节点进入通信模式；通信模式下，探测用无线通信模块会不断接收与其连接的热释电红外传感器发出的电压信号，并将该电压信号以预设第二时间间隔定时转发给计算节点的计算用无线通信模块，同时探测用无线通信模块继续以预设第一时间间隔定时接收计算节点发出的控制指令，当该探测节点接收到计算节点发出的探测控制指令后，进入探测模式；探测模式下，探测用无线通信模块会以预设的第三时间间隔，定时向计算节点及其余探测节点发射广播信号，该广播信号中包含了其余探测节点相对于本探测节点的信号强度信息，同时探测用无线通信模块继续以预设的第一时间间隔定时接收计算节点发出的控制指令，当任意一个探测节点收到计算节点的休眠控制指令时，该探测节点重新进入休眠模式；

计算节点分为离线训练和实际工作两个工作阶段，离线训练工作阶段是室内人体感应装置安装使用前的准备阶段，其具体包含以下几个步骤：

A1、在室内无人状态下，计算节点向所有探测节点发送探测控制指令，使所有探测节点都进入探测模式；

A2、计算节点解析每一个探测节点中探测用无线通信模块发送的，其余探测节点相对于该探测节点的信号强度并持续一个采样周期，其中指第i个探测节点相对于第j个探测节点的第n个信号强度，n＝1、2......m，m指一个采样周期内的采用到的信强度的总数；i＝1，2，......N，j＝1、2，......N，然后根据式(1-1)和式(1-2)计算在一个采样周期内的第一特征值C^ij和第二特征值D^ij，最后根据式(1-3)和式(1-4)得到室内无人状态下的特征矩阵组{E，F}，并存储在计算用无线通信模块内部；

A3、重复A1和A2 x次，x为自然数，从而得到x组室内无人状态的特征矩阵组{E_x，F_x}；

A4、在室内有人状态下，计算节点向所有探测节点发送探测控制指令，使所有探测节点都进入探测模式；

A5、计算节点解析每一个探测节点中探测用无线通信模块发送的，其余探测节点相对于该探测节点的信号强度并持续一个采样周期，其中指第i个探测节点相对于第j个探测节点的第n个信号强度，n＝1、2......m，m指一个采样周期内的采用到的信强度的总数；i＝1，2，......N，j＝1、2，......N，然后根据式(1-5)和式(1-6)计算在一个采样周期内的第三特征值H^ij和第四特征值K^ij，最后根据式(1-7)和式(1-8)得到室内有人状态下的特征矩阵组{O，P}，并存储在计算用无线通信模块内部；

A6、重复A4和A5 y次，y为自然数，从而得到y组室内有人状态的特征矩阵组{O_y，P_y}；

计算节点的实际工作阶段分为以下几个步骤：

B1、发送休眠控制指令，使得所有探测节点均处于休眠状态；

B2、不断侦听是否有探测节点转发了热释电红外传感器的电压信号，当发现任意一个探测节点转发了热释电红外传感器的电压信号以后，则给所有探测节点发送进入通信模式的通信控制指令；

B3、不断判断是否所有探测节点转发的热释电红外传感器的电压信号都是第一电压信号；如果是并且持续了预设的第四时间间隔，则给所有探测节点发送进入探测模式的探测控制指令，并进入B4步骤；反之，持续不断的重复B2步骤，并直接输出当前状态为室内有人状态；

B4、解析每一个探测节点发送的，其余节点相对于本探测节点的信号强度并持续一个采样周期，根据式(1-9)和式(1-10)计算在一个采样周期内的第五特征值W^ij和第六特征值U^ij，其中是第i个探测节点相对于第j个探测节点的的第n个信号强度，n＝1、2......m，m指一个采样周期内的采样到的信号强度的个数；i＝1，2，......N，j＝1、2，......N，然后依照式(1-11)和式(1-12)得到一组未知类别特征矩阵{S，T}；

B5、依照公式(1-13)，计算未知类别特征矩阵{S，T}与x组室内无人状态的特征矩阵组{E_x，F_x}的距离L_x，其中a和b为预设调节系数；只要未知类别特征矩阵{S，T}与任意一组室内无人状态的特征矩阵组{E_x，F_x}的距离L_x小于预设阈值T₁，则输出当前状态为室内无人状态，否则进入步骤B6；

B6、依照公式(1-14)，计算未知类别特征矩阵{S，T}与y组室内有人状态的特征矩阵组{O_y，P_y}的距离L_y′，其中a′和b′为预设调节系数；只要未知类别特征矩阵{S，T}与任意一组室内有人状态下的特征矩阵组{O_y，P_y}的距离L_y′小于预设阈值T₂，则输出室内有人信号，否则进入步骤B7；

B7、将步骤B5和B6过程得到的所有L_x和L_y′，按照式(1-15)和(1-16)转换得到x个V和y个V′，其中ρ和σ为预设调节参数，找到所有V和V′中的最小值，当这个最小值是V中的一个时，则判定当前状态为室内无人状态，当最小值是V′中的一个时，则判定当前状态为室内有人状态；

V＝ρ*L_x (1-15)

V′＝σ*L_y′ (1-16)

B8、当计算节点判定当前状态为有人状态时，等待预设的第五时间间隔后，跳转至步骤B4；当计算节点判定当前状态为无人状态时，跳转至步骤B1。

2.根据权利要求1所述的室内人体感应装置，其特征在于：所述计算节点还包括与计算用无线通信模块连接的热释电红外传感器。

3.根据权利要求2所述的室内人体感应装置，其特征在于：所述探测用无线通信模块和计算用无线通信模块均包括ZigBee模块或蓝牙模块、热释电红外预留接口、充电模块和电源开关；其中ZigBee模块包括用于发射电磁波的具有ZigBee无线通信协议的数据收发模块和微处理模块；蓝牙模块包括用于发射电磁波的具有蓝牙无线通信协议的数据收发模块和微处理模块。

4.根据权利要求3所述的室内人体感应装置，其特征在于：所述计算节点还包括与计算用无线通信模块连接的用于将计算用无线通信模块输出的室内是否有人信号发送给远程接收端的NB-IoT模块。