CN109617591B - 一种基于WiFi的链路级运动目标跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于WiFi的运动目标区域跟踪方法，能够应用于智能家居和安防等领域。其主要是提取运动目标反射信号功率信息，判断运动目标靠近或者远离收发机对的信号直达路径，结合收发机对的接收数据波动情况，判断运动目标区域位置，统计一段时间内的运动目标的区域位置信息，实现区域目标区域跟踪。该方法能够充分利用室内环境的WiFi设备，不需要额外购置设备。

Description

一种基于WiFi的链路级运动目标跟踪方法
技术领域
本发明涉及智能家居和安防等领域，具体为一种基于WiFi的运动目标区域跟踪方法。
技术背景
物联网在生活中扮演着越来越重要的角色，智能家居作为物联网中的一个重要的研究热点，受到广泛的关注。为使得智能家居更加的智能，需要准确的检测出环境中存在的无源运动目标。使用普通的设备实时的检测出环境中人员的区域位置，不仅使智能家居与室内人员更好地交互，同时对于企业安防等也是有好处的。
现有室内目标运动区域跟踪技术采用摄像头、传感器网络、超带宽等。其中，采用摄像头的目标检测技术容易泄露隐私、容易受障碍物遮挡等影响；传感器网络的高可靠性受限于设备的高密度部署和传感器的摆放位置；超带宽等技术需要特殊设备支持。
发明内容
本发明为实现低成本、高效的室内运动目标区域跟踪，提供了一种基于WiFi 的运动目标区域跟踪方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于WiFi的运动目标区域跟踪方法，其具体步骤如下：
步骤1：室内环境中存在多个接收机和发射机，接收机实时接收发射机发送的CSI(Channel State Information,CSI)序列信号；
步骤2：给室内环境中每对收发机进行编号，计算室内环境中所有收发机的接收数据信号波动情况；
步骤3：接收机将接收的CSI序列信号与静默阶段的CSI序列信号相比较，量化当前信号的波动情况，当实时接收的CSI序列信号波动大于预先计算的静默阈值，则判断当前环境中存在目标运动。当前环境中至少有一台接收机检测到当前环境中存在目标运动时，则判断当前环境中存在目标运动。
步骤4：计算所有收发机的数据波动情况，选取可靠度高的一对接收机和发射机，将选取的一对发射机和接收机的编号记为运动目标的区域位置；
步骤5：根据目标运动反射信号的公式可知，当目标运动方式产生变化时，目标反射信号也会相应的发生变化。提取由于目标运动反射的信号，分析信号的变化情况，当目标反射信号增大时，此时人员靠近该对收发机的信号直达路径，当目标反射信号减小时，此时人员远离该对收发机的信号直达路径。
步骤6：结合收发机中接收机的信号波动情况和运动目标靠近或者远离收发机的信号直达路径信息，确定不同时刻目标的区域位置，记录所有时刻的目标区域位置，实现运动目标区域跟踪。
所述步骤1中，所述多台接收机和发射机，包括智能设备或专业的信号采集设备，将每对接收机和发射机进行编号，接收机实时接收发射机发送的CSI序列信号；
所述步骤2中，计算所有数据的波动情况前，先对信号数据序列进行去噪处理，包括Hample滤波，滤除信号序列中的异常值。
所述步骤3中，检测当前环境中存在的运动目标，包括以下步骤：
3a、判断第i对收发机中是否存在目标运动的公式为：
Figure BDA0001951483300000021
其中H0表示第i对收发机区域中存在目标运动，H1表示第i对收发机区域中不存在目标运动，h(i)表示第i对收发机的接收信号数据波动情况，Hth(i)表示第i对收发机的静默阈值。
3b、室内环境中至少有一对收发机的信号数据波动超出静默阈值，则环境中存在目标运动。
所述步骤4中，需要先对环境中所有收发机对的数据波动可靠度进行排序，再选择可靠度高的一对收发机。
所述步骤5中，提取运动目标反射信号，包括以下步骤：
5a、接收机接收的信号中，除了有直射信号，室内环境中还包括各种反射信号，如墙壁反射信号、运动目标反射信号。接收机接收信号中，除了运动目标反射信号会发生变化，其他信号都基本保持不变，此时，可以通过带通滤波器来提取目标反射信号。一方面，直射信号、墙壁反射信号等各种保持不变的信号可以看成是零频噪声；另一方面，信号在室内环境中传播夹杂的噪声的频率大于目标反射信号的频率。因此，可以通过带通滤波器来提取目标反射信号。
5b、接收机接收的信号功率公式为：
P∝|Edir+Efloor+Eceil+Ewall+Etar+Eother|2
其中Edir是直射路径信号的信号强度，Efloor是地板反射信号的信号强度，Eceil是天花板反射信号的信号强度，Ewall是墙壁反射信号的信号强度，Etar是运动目标反射信号的信号强度，Eother是其余未知反射信号的信号强度。
5c、运动目标反射信号为：
Figure BDA0001951483300000031
其中Ptar是接收机接收的运动目标反射信号功率，Pt是发送信号功率，Gt是发射天线增益，Gr是接收天线增益，λ是信号波长，σ是反射截面，d是接收机和发射机的信号直达路径距离，dv是运动目标与信号直达路径的垂直距离，dh是运动目标的反射点的高度，x是距离中垂点的距离。
5d、根据运动目标反射信号功率公式可知，当运动目标靠近或者远离一对收发机的信号直达路径时，接收机接收的目标反射信号功率大小也会相应的发生变化。具体表现为：人员接近该对收发机的信号直达路径时，接收机接收的运动目标反射信号功率增大；人员远离该对收发机的信号直达路径时，接收机接收的运动目标反射信号功率减小。
5e、相邻时刻运动目标反射信号上包络变化公式是
ΔPtar＝Ptar(t+1)-Ptar(t)
所述步骤6中，结合收发机中接收机的信号波动情况和运动目标靠近或者远离收发机的信号直达路径信息，确定t时刻的目标的区域位置，记为tar_loc(t)，记录所有时刻的目标区域位置。
本发明利用目标运动对接收机接收信号产生影响，实现目标运动检测。同时，室内环境中存在多对收发机，本算法分析运动目标反射信号，确定目标靠近或远离收发机的信号直达路径，从而判断运动目标区域位置是否发生变化，避免了根据收发机对的信号数据波动情况判断运动目标区域位置带来的不可靠性。
附图说明
图1为本方法流程图。
图2为运动目标反射信号图。
图3为运动目标靠近和远离信号直达路径的运动目标反射信号变化趋势图。
具体实施方式
一种基于WiFi的运动目标区域跟踪方法，包括以下步骤：
步骤1：实时接收CSI数据；
本步骤中，室内环境中存在多台接收机和发射机，包括智能设备或专业的信号采集设备，将每对接收机和发射机进行编号，接收机实时接收发射机发送的 CSI序列信号；
首先采集一段时间的环境数据，此时环境中不存在目标运动，将该段数据记为静默数据，利用静默数据分别计算不同对收发机的静默阈值；
步骤2：计算环境中每对收发机的信号数据波动；
本步骤中，室内环境中存在多对收发机，接收机实时的接收CSI数据信息，使用Hampel滤波对接收数据去噪处理，计算环境中每对收发机的数据波动情况，如方差。
步骤3：判断当前环境中是否存在目标运动；
本步骤中，环境中多台接收机分别计算接收数据波动情况，将不同收发机对的接收数据波动情况分别与静默阶段的静默阈值较，若超出阈值，则该收发机对的区域中存在目标运动；若没有超出阈值，则该收发机对的区域中不存在目标运动。
判断第i对收发机是否存在目标运动的公式为：
Figure BDA0001951483300000051
其中H0表示第i对收发机区域中存在目标运动，H1表示第i对收发机区域中不存在目标运动，h(i)表示第i对收发机的接收信号数据波动情况，Hth(i)表示第i对收发机的静默阈值。
室内环境中至少有一对收发机的信号数据波动超出静默阈值，则环境中存在运动目标。
步骤4：根据每对收发机的数据波动情况，确定运动目标位置；
本步骤中，将步骤3量化后每对收发机的数据波动情况进行排序，选取可靠度高的一对接收机和发射机，将选取的一对发射机和接收机的编号记为运动目标的区域位置；
步骤5：判断运动目标靠近或远离该对收发机的信号直达路径；
本步骤中，首先提取运动目标反射信号。接收机接收的信号中，除了有直射信号，室内环境中还包括各种反射信号，如墙壁反射信号、运动目标反射信号。
接收机接收信号中，除了运动目标反射信号会发生变化，其他信号都基本保持不变，此时，可以通过带通滤波器来提取目标反射信号。
一方面，直射信号、墙壁反射信号等各种保持不变的信号可以看成是零频噪声；另一方面，信号在室内环境中传播夹杂的噪声的频率大于目标反射信号的频率。因此，可以通过带通滤波器来提取目标反射信号。
接收机接收的信号功率公式为：
P∝|Edir+Efloor+Eceil+Ewall+Etar+Eother|2
其中Edir是直射路径信号的信号强度，Efloor是地板反射信号的信号强度，Eceil是天花板反射信号的信号强度，Ewall是墙壁反射信号的信号强度，Etar是运动目标反射信号的信号强度，Eother是其余未知反射信号的信号强度。
运动目标反射信号功率公式为：
Figure BDA0001951483300000052
其中Ptar是接收机接收的运动目标反射信号功率，Pt是发送信号功率，Gt是发射天线增益，Gr是接收天线增益，λ是信号波长，σ是反射截面，d是接收机和发射机的信号直达路径距离，dv是运动目标与信号直达路径的垂直距离，dh是运动目标的反射点的高度，x是距离中垂点的距离。
根据运动目标反射信号功率公式可知，当运动目标靠近或者远离一对收发机的信号直达路径时，接收机接收的目标反射信号大小也会相应的发生变化。
提取运动目标反射的信号，分析信号功率的变化情况。具体表现为：人员接近该对收发机的信号直达路径时，接收机接收的运动目标反射信号增大；人员远离该对收发机的信号直达路径时，接收机接收的运动目标反射信号减小。
相邻时刻运动目标反射信号上包络变化公式是：
ΔPtar＝Ptar(t+1)-Ptar(t)
步骤6：根据运动目标位置变化情况，实现运动目标区域跟踪；
本步骤中，分析运动目标反射信号，确定目标靠近或远离收发机的信号直达路径，结合收发机的数据波动情况，判断运动目标区域位置是否发生变化，避免了根据收发机对的信号数据波动情况判断运动目标区域位置带来的不可靠性。
目标t时刻扰动某对收发机的信号数据，确定t时刻的目标的区域位置，记为tar_loc(t)，t+1时刻只会扰动该对收发机的信号数据或相邻收发机对的信号数据，结合运动目标靠近或者远离当前收发机对的信号直达路径信息，能够判断运动目标t+1时刻的扰动收发机对。
记录所有时刻运动目标的区域位置，即可以实现运动目标的区域跟踪。

Claims (4)

1.一种基于WiFi的运动目标区域跟踪方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：静默阶段，对每对收发机进行编号，接收机实时接收CSI序列信号，使用Hampel滤波对接收数据去噪，环境中的多对收发机分别计算各自的静默阈值；
步骤2：监测阶段，室内环境中的多个接收机实时的接收CSI序列信号，利用Hampel滤波对接收数据去噪，计算环境中每对收发机去噪数据的方差；
步骤3：利用监测阶段接收数据的方差和静默阶段的静默阈值相比较，判断当前环境中是否存在运动目标；
步骤4：选取接收数据波动可靠度最高的一对收发机，将收发机的编号记为运动目标的区域位置；
步骤5：选取编号对应的收发机，分析接收机接收的运动目标反射信号的功率变化情况，判断运动目标靠近或者远离收发机的信号直达路径；
步骤6：结合收发机中接收机的信号波动情况和运动目标靠近或者远离收发机的信号直达路径信息，确定不同时刻的目标的区域位置，记录所有时刻的目标区域位置，实现运动目标区域跟踪。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断当前环境中是否存在运动目标，包括：
室内环境中至少有一对收发机的信号数据波动超出所述静默阈值，则环境中存在目标运动。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选取接收数据波动可靠度最高的一对收发机之前，包括：
对环境中所有收发机对的数据波动可靠度进行排序，再选择可靠度高的一对收发机。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断运动目标靠近或者远离收发机的信号直达路径，包括：
人员接近该对收发机的信号直达路径时，接收机接收的运动目标反射信号增大；人员远离该对收发机的信号直达路径时，接收机接收的运动目标反射信号减小。
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