CN109474945A - 一种基于wifi信号强度扰动的预警方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于WIFI信号强度扰动的预警方法及装置，涉及移动终端技术领域，其方法包括：通过对监控区域内的WIFI信号进行实时接收和分析，得到监控区域内的当前WIFI信号幅度及相位；利用所述当前WIFI信号幅度及相位与在前WIFI信号幅度及相位的差别，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动；在判断当前WIFI信号幅度及相位发生扰动时，发出预警信号。

Description

一种基于WIFI信号强度扰动的预警方法及装置
技术领域
本发明涉及移动终端技术领域，特别涉及一种基于WIFI信号强度扰动的预警方法及装置。
背景技术
人体检测指的是检测目标区域内是否存在个体的过程，基于设备的人体检测已得到了普遍应用，然而这类方法需要专门的硬件设备，如红外传感器、摄像机等，耗费硬件成本较高，
无线局域网的广泛覆盖使得基于无线局域网基础设施实现人体检测成为可能，利用个体进入监控区域时引起的信号强度RSSI(Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示)异常波动来捕获环境变化以实现人体检测，接收信号强度RSSI作为多路接收信号的平均值，可以用大部分现成的无线设备获得。
RSSI表征了电磁波传播过程中的衰减与距离的关系，人员进入监测区域会引起电磁波的反射或者散射等，势必导致信号强度RSSI的变化，通过监测RSSI信号强度，我们可以实现对人员的监测功能，目前大部分的设备都可以获取RSSI值，但基于此种方法有很多缺点，首先RSSI主要根据RF(Radio Frequency，射频)信号测量，一个RSSI值对应一个数据包，属于标量，其值不稳定且会随时间波动；其次，受限于多径效应的影响，每个位置的RSSI可能都不一样，容易带来误差导致系统误判，RSSI缺乏能够利用多径效应的频率信息，对于不同的位置RSSI可能相同，然后有一些改进措施，如在室内目标区域部署传感器，利用密集部署的传感器节点来减轻多径效应和时间波动的影响，但都未能彻底解决RSSI监测方法的不可靠性。
发明内容
根据本发明实施例提供的方案解决的技术问题是利用WIFI信号强度进行预警的不可靠性。
根据本发明实施例提供的一种基于WIFI信号强度扰动的预警方法，包括：
通过对监控区域内的WIFI信号进行实时接收和分析，得到监控区域内的当前WIFI信号幅度及相位；
利用所述当前WIFI信号幅度及相位与在前WIFI信号幅度及相位的差别，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动；
在判断当前WIFI信号幅度及相位发生扰动时，发出预警信号。
优选地，所述通过对监控区域内的WIFI信号进行实时接收和分析，得到监控区域内的当前WIFI信号幅度及相位包括：
通过对监控区域内多径信道传输的WIFI信号进行实时接收，获取所述监控区域内的当前WIFI信号；
通过对所获取的当前WIFI信号进行分析，得到监控区域内的当前WIFI信号的幅度和相位。
优选地，所述利用所述当前WIFI信号幅度及相位与在前WIFI信号幅度及相位的差别，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动包括：
通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值；
根据所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动。
优选地，所述根据所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动包括：
将所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值进行比较，确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值是否相同；
若确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值相同，则判断当前WIFI信号幅度及相位未发生扰动；
若确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值不同，则判断当前WIFI信号幅度及相位发生了扰动。
优选地，所述通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值包括：
通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行第一数字信号处理，得到当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵；
利用所得到的当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值。
根据本发明实施例提供的一种基于WIFI信号强度扰动的预警装置，包括：
分析模块，用于通过对监控区域内的WIFI信号进行实时接收和分析，得到监控区域内的当前WIFI信号幅度及相位；
判断模块，用于利用所述当前WIFI信号幅度及相位与在前WIFI信号幅度及相位的差别，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动；
预警模块，用于在判断当前WIFI信号幅度及相位发生扰动时，发出预警信号。
优选地，所述分析模块包括：
获取单元，用于通过对监控区域内多径信道传输的WIFI信号进行实时接收，获取所述监控区域内的当前WIFI信号；
分析单元，用于通过对所获取的当前WIFI信号进行分析，得到监控区域内的当前WIFI信号的幅度和相位。
优选地，所述判断模块包括：
数字信号处理单元，用于通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值；
判断单元，用于根据所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动。
优选地，所述判断单元包括：
比较子单元，用于将所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值进行比较，确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值是否相同；
判断子单元，用于当确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值相同时，则判断当前WIFI信号幅度及相位未发生扰动，以及当确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值不同时，则判断当前WIFI信号幅度及相位发生了扰动。
优选地，所述数字信号处理单元具体用于通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵，并利用所得到的当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值。
根据本发明实施例提供的方案，基于WIFI正交频分复用的特性，信号通过多个正交的子载波传输，每个子载波上信号都具有不同的信号幅度和相位，考虑到多径效应的影响，接收端信号是多个路径传播的叠加，这种叠加信号携带了反映环境特征的信息，通过对wifi叠加信号的幅度和相位进行采样分析和处理，将幅度和相位的协方差矩阵进行特征值分解，根据幅度和相位的二维特征值在信号空间和噪声空间的分布差异，具有更高的准确性和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于WIFI信号强度扰动的预警方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种基于WIFI信号强度扰动的预警装置示意图；
图3是本发明实施例提供的基于WIFI信号强度扰动的预警系统示意图；
图4是本发明实施例提供的图3中射频前端模块与数字信号处理模块的结构图；
图5是本发明实施例提供的基于WIFI信号强度扰动的预警方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明实施例提供的一种基于WIFI信号强度扰动的预警方法流程图，如图1所示，包括：
步骤S101：通过对监控区域内的WIFI信号进行实时接收和分析，得到监控区域内的当前WIFI信号幅度及相位；
步骤S102：利用所述当前WIFI信号幅度及相位与在前WIFI信号幅度及相位的差别，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动；
步骤S103：在判断当前WIFI信号幅度及相位发生扰动时，发出预警信号。
其中，所述通过对监控区域内的WIFI信号进行实时接收和分析，得到监控区域内的当前WIFI信号幅度及相位包括：通过对监控区域内多径信道传输的WIFI信号进行实时接收，获取所述监控区域内的当前WIFI信号；通过对所获取的当前WIFI信号进行分析，得到监控区域内的当前WIFI信号的幅度和相位。
其中，所述利用所述当前WIFI信号幅度及相位与在前WIFI信号幅度及相位的差别，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动包括：通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值；根据所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动。
具体地说，所述根据所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动包括：将所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值进行比较，确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值是否相同；若确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值相同，则判断当前WIFI信号幅度及相位未发生扰动；若确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值不同，则判断当前WIFI信号幅度及相位发生了扰动。
具体地说，所述通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值包括：通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行第一数字信号处理，得到当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵；利用所得到的当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值。
图2是本发明实施例提供的一种基于WIFI信号强度扰动的预警装置示意图，如图2所示，包括：分析模块201，用于通过对监控区域内的WIFI信号进行实时接收和分析，得到监控区域内的当前WIFI信号幅度及相位；判断模块202，用于利用所述当前WIFI信号幅度及相位与在前WIFI信号幅度及相位的差别，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动；预警模块203，用于在判断当前WIFI信号幅度及相位发生扰动时，发出预警信号。
其中，所述分析模块201包括：获取单元，用于通过对监控区域内多径信道传输的WIFI信号进行实时接收，获取所述监控区域内的当前WIFI信号；分析单元，用于通过对所获取的当前WIFI信号进行分析，得到监控区域内的当前WIFI信号的幅度和相位。
其中，所述判断模块202包括：数字信号处理单元，用于通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值；判断单元，用于根据所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动。
具体地说，所述判断单元包括：比较子单元，用于将所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值进行比较，确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值是否相同；判断子单元，用于当确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值相同时，则判断当前WIFI信号幅度及相位未发生扰动，以及当确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值不同时，则判断当前WIFI信号幅度及相位发生了扰动。
具体地说，所述数字信号处理单元具体用于通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵，并利用所得到的当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值。
本发明实施例的wifi设备使用正交频分复用技术，信号通过多个正交子载波传输。
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)是一种多载波发射技术，它将可用频谱划分为许多载波，每一个载波都用低速率数据流进行调制。它获取高数据传输率的诀窍就是，把高速数据信息分开为几个交替的、并行的Bit流，分别调制到多个分离的子载频上，从而使信道频谱被分到几个独立的、非选择的频率子信道上，在AP(Access Point，接入点)与无线网卡之间进行传送，实现高频谱利用率。
图3是本发明实施例提供的基于WIFI信号强度扰动的预警系统示意图，如图3所示，包括如下几个模块：射频前端模块、数字信号处理模块、电源模块、控制模块、wifi模块等。
所述电源模块为数字信号处理模块、控制模块、wifi模块供电；
控制模块决策是否需要通过WIFI发送报警指令给移动终端。
本系统的工作原理是对wifi信号进行采样分析及处理，将数字信号处理模块生成的信号幅度和相位的二维特征值传输到处理器判断，如果检测到特征值发生变化，即判断为有人员对信号进行扰动，进入了监控区域，控制模块生成报警指令通过wifi模块发送到移动终端，若特征值未发生变化，则继续检测。
图4是本发明实施例提供的图3中射频前端模块与数字信号处理模块的结构图，如图4所示，射频前端模块包括接收天线、滤波器、混频器以及VCO(Voltage ControlledOscillator，压控振荡器)。接收天线接收WIFI信号后，进入滤波器滤除噪声后送入混频器下变频到适合采样器采样的频率
所述接收天线：接收WIFI多径传输后的叠加信号；所述滤波器：滤除WIFI信号带外高斯白噪声；所述混频器：本振信号与射频信号混频变频到数字信号处理电路需要的输入信号；所述VCO：产生本振信号。
数字信号处理电路模块主要用于对信号进行采样分析及处理，特征值的提取及判断。也就是说，经过射频前端模块处理过的模拟信号送入数字信号处理电路模块进行分析，首先对信号采样，利用离群点过滤方法滤除异常观测值，然后对滤除后的数据做平滑处理，经过归一化后得到信号的幅度和相位序列，分别得到对应的协方差矩阵，提取幅度和相位协方差矩阵的最大特征值生产特征二元组，将二维特征值传输到控制模块进行判断，若检测到特征值变化则通过wifi发送报警信息到移动终端，若检测到没发生变化，则继续检测。
数字信号处理模块包括：信号采样器、滤波器、数据平滑、归一化处理、特征值提取、特征值判断、输出控制等。
所述信号采样ADC：对射频前端模块输出的信号进行无失真采样；所述滤波器：应用hampel滤波器算法识别检测数字信号中的异常值，并对异常值进行滤除和重构处理；所述平滑处理：为了消除干扰信号的影响，提高数字信号采样曲线的光滑度，需要对采样数据进行平滑处理；所述归一化处理：为了便于后续特征值提取和判断处理方便以及保证程序运行时收敛速度加快，需要对信号的幅度和相位进行归一化处理；所述特征值提取：经过归一化后得到信号的幅度和相位序列，分别得到对应的协方差矩阵，提取幅度和相位协方差矩阵的最大特征值生成特征二元组；所述特征值判断：根据特征值提取判断特征值是否发生变化，若不发生变化，则输出低电平，若发生变化，则输出高电平；所述输出控制：检测出高电平通过WIFI模块发送报警指令到移动终端，若检测出低电平，则继续监测幅度和相位二维特征值是否发生变化。
图5是本发明实施例提供的基于WIFI信号强度扰动的预警方法流程图，如图5所示，人员进入监测区域造成wifi信号的反射和散射，使wifi信号变形，进而使得wifi信号的幅度和相位发生变化，通过对信号幅度和相位二维特征值变化来判断人员是否进去监测区域，提高了预警的准确性和快速性。
在OFDM系统中，经过多径信道之后的接收信号表示为Y＝HX+N，式中Y与X分别是接收端与发射端信号矢量，H与N分别是信道矩阵与加性高斯白噪声。作为物理层表征发送端到接收端信道增益的信息，滤除噪声后H＝Y/X，H是多径信道的叠加，其中Hi刻画了每条信道的状态信息，H表示为
其中||Hi||代表子载波的幅度，代表相位，用和分别表示归一化的幅度和相位序列，对应的协方差矩阵为分别提取幅度和相位协方差矩阵的最大特征值生成特征二元组F＝[α，β]，其中
特征值是信号空间各维的一种反映，本发明就是基于特征值分析来监测人员是否进入监控区域造成对wifi信号的扰动。
根据本发明实施例提供的方案，通过对wifi信号的采样分析和处理，提取wifi信号的有用信息幅度和相位，用幅度和相位的二维特征值来刻画空间环境的变化，人体进入监控区域，必然使wifi信号变形，接收装置接收到的信号必然发生变化，处理器通过对数字信号电路输出的幅度和相位二维特征值变化来判断是否有人进入监测区域，若检测有人进入监测区域，则生成报警指令通过wifi传递给移动终端。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于WIFI信号强度扰动的预警方法，包括：
通过对监控区域内的WIFI信号进行实时接收和分析，得到监控区域内的当前WIFI信号幅度及相位；
利用所述当前WIFI信号幅度及相位与在前WIFI信号幅度及相位的差别，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动；
在判断当前WIFI信号幅度及相位发生扰动时，发出预警信号。
2.根据权利要求1所述的方法，所述通过对监控区域内的WIFI信号进行实时接收和分析，得到监控区域内的当前WIFI信号幅度及相位包括：
通过对监控区域内多径信道传输的WIFI信号进行实时接收，获取所述监控区域内的当前WIFI信号；
通过对所获取的当前WIFI信号进行分析，得到监控区域内的当前WIFI信号的幅度和相位。
3.根据权利要求2所述的方法，所述利用所述当前WIFI信号幅度及相位与在前WIFI信号幅度及相位的差别，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动包括：
通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值；
根据所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动。
4.根据权利要求3所述的方法，所述根据所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动包括：
将所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值进行比较，确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值是否相同；
若确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值相同，则判断当前WIFI信号幅度及相位未发生扰动；
若确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值不同，则判断当前WIFI信号幅度及相位发生了扰动。
5.根据权利要求3所述的方法，所述通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值包括：
通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行第一数字信号处理，得到当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵；
利用所得到的当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值。
6.一种基于WIFI信号强度扰动的预警装置，包括：
分析模块，用于通过对监控区域内的WIFI信号进行实时接收和分析，得到监控区域内的当前WIFI信号幅度及相位；
判断模块，用于利用所述当前WIFI信号幅度及相位与在前WIFI信号幅度及相位的差别，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动；
预警模块，用于在判断当前WIFI信号幅度及相位发生扰动时，发出预警信号。
7.根据权利要求6所述的装置，所述分析模块包括：
获取单元，用于通过对监控区域内多径信道传输的WIFI信号进行实时接收，获取所述监控区域内的当前WIFI信号；
分析单元，用于通过对所获取的当前WIFI信号进行分析，得到监控区域内的当前WIFI信号的幅度和相位。
8.根据权利要求7所述的装置，所述判断模块包括：
数字信号处理单元，用于通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值；
判断单元，用于根据所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值，判断当前WIFI信号幅度及相位是否发生扰动。
9.根据权利要求8所述的装置，所述判断单元包括：
比较子单元，用于将所得到的当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值进行比较，确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值是否相同；
判断子单元，用于当确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值相同时，则判断当前WIFI信号幅度及相位未发生扰动，以及当确定所述当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值与在前WIFI信号幅度和相位的二维特征值不同时，则判断当前WIFI信号幅度及相位发生了扰动。
10.根据权利要求8所述的装置，所述数字信号处理单元具体用于通过对所述当前WIFI信号的幅度和相位进行数字信号处理，得到当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵，并利用所得到的当前WIFI信号的幅度和相位序列以及协方差矩阵，得到当前WIFI信号幅度和相位的二维特征值。
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