CN111681398B - 基于wifi无线感知的高空抛物智能预警方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种基于WIFI无线感知的高空抛物智能检测预警方法和装置，包括WIFI信号采集、CSI信号预处理、干扰去除和预警、初始抛出点分析模块；与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)本发明首次提出基于WIFI无线感知的智能高空抛物检测方法，本方法具有速度快、精度准的特性，与基于视频监控的方法相比还具有不侵犯居民隐私和低成本的特点；2)目前现存的高空抛物检测方法大多只能做到监控、检测和事后取证的功能，本发明不仅如此，还能做到提前防范和预警的功能，使高空抛物检测技术真正用之于民。

Description

基于WIFI无线感知的高空抛物智能预警方法与装置

技术领域

本发明属于小区安防监控领域，具体涉及基于无线智能感知的高空抛物检测、预警方法和装置。

背景技术

高空抛物被称为“悬在城市上空的痛”，一直以来高空抛物行为倍受关注，作为城市不文明的行为的同时，它所带来的社会危害也很大。由于其不文明行为的实施场所多为高空楼层，少有目击者，由于抛物的下降速度非常快，抛物时间极短，甚至有人在抛物时故意隐去身影，使得相关部门很难追究抛物者的法律责任，此类事件屡见不鲜、屡禁不止。

前段时间以来，高空抛物事件频发，2019年6月13日，在深圳市福田区京基御景华城小区，一个5岁男孩跟妈妈走到一水果店门口时，忽然高空坠下一块玻璃窗，瞬间砸在了男孩身上，男孩当场倒地。虽经多方全力抢救，但在16日凌晨，男童最终因伤势过重去世。2019年6月19日下午，在南京市东宝路8号时代天地广场，一名放学回家的10岁女孩被高空坠物砸中头部，鲜血直流，当场不省人事，经过医院全力治疗，目前已能开口说话。

现有的高空抛物检测方法都是基于视频监控的方法，如一种基于计算机视觉的高空抛物检测系统与方法(CN201811015244.1)可以对获取的图像数据进行分析处理，确定图像数据中的运动目标，获取运动轨迹和获取属于高空抛物目标的抛出位置。目前基于视频监控的高空抛物检测方法，大多只能做到高空抛物事后快速取证和威慑的作用，不能起到高空抛物防范和预警的作用。另外基于视频监控的高空抛物检测方法还存在如下问题：

1)夜间检测问题：小区夜间光照不足，又不可能大规模安装补光照明设施(为了保证业主休息，不方便通过补光等方式来提高环境照度)，此种场景下高空抛物检测性能大打折扣。

2)像机抖动问题：现在的小区一般都是小高层和高层，楼顶风力比较大，会造成摄像机抖动，从而造成监控画面抖动，对于高空抛物的防范效果不佳；

3)居民隐私问题：监控摄像头很容易照到居民家中，侵犯个人隐私，会引起不必要的麻烦。

发明内容

针对以上问题，本发明所要解决的技术问题是利用WIFI无线感知进行高空抛物智能检测和预警和方法和装置。

本发明的技术方案是：

一种基于WIFI无线感知的高空抛物智能检测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:在高楼外墙面位置安装WIFI收发设备，利用WIFI接收端的无线网卡采集无线信号，并提取其信道状态信息CSI作为无线感知信号；

S2：对采集的CSI信号进行非抛物多径去除和离异点去除得到CSI2；

S3：对CSI2信号进行分窗，并计算每个分窗的移动能量值，当连续出现移动能量超过设定阀值，则判断存在高空抛物可能性；

S4：计算高空抛物的置信度，如果置信度超过设定阀值，则确定为高空抛物；马上启动高空抛物预警模式，发送指令给报警器进行危险提醒；报警器收到播放指令后根据事先录制好的播放内容进行播放，播放内容为“危险，有坠物”或“当心坠物”；

进一步地，上述CSI信号多径去除方法包括阳台或飞鸟远端多径去除：首先把CSI通过逆向傅里叶变换(IFFT)转成CIR，然后把CIR中超过0.1微秒的部分给去除掉，最后CIR再通过傅里叶变换(FFT)转换成CSI，通过此方法达到去除非抛物带来的远端多径部分。

进一步地，上述CSI信号离异点去除方法为：利用Hampel滤波来消除这些离异点；把所有不在[μ-γ×σ,μ+γ×σ]范围内的点当作是离异点，这里μ和σ是在当前窗口下CSI流的中位值和标准差，γ是一个控制检测离异点敏感性的一个系数。

进一步地，上述高空抛物可能性判断方法为：

首先，计算出一个长窗口信号的均值，并将CSI2减去此均值，通过此方法去除CSI2中的直流分量；

然后，把分窗后的信号通过FFT变换从时域转换到频域，得到FFT结果的各个系数；

最后，根据FFT结果的各个系数计算移动能量：

其中m_FFT是通过时间窗口的FFT系数计算值；当连续出现移动能量E超过设定阀值时，则判断为存在高空抛物可能性。

进一步地，上述高空抛物置信度计算方法为：

利用载波频率响应方差距离(CPV-Distance)来计算高空抛物检测的置信度，在后台通过实验训练出正常高空抛物的载波频率响应方差值CPV_Train，然后将当前检测的载波频率响应方差值CPV_New与CPV_Train进行比较计算其偏差，得出高空抛物的置信度：

进一步地，上述方法还包括计算物体抛出点与检测点的距离，分析出高空抛物抛出楼层步骤。

进一步地，上述物体抛出点与检测点的距离计算方法为：

1)计算高空抛物在WIFI区域的平均下落速度：当CSI₂能量值异常时，记录下第一次检测到高空抛物的时刻T₁；随后，记录下高空抛物脱离WIFI检测范围的时刻T₂；计算得出高空抛物从开始进入WIFI检测区到离开的时间差ΔT＝T₂-T₁；然后，根据WIFI信号覆盖直径距离计算出高空抛物在WIFI区域的平均下落速度

其中d为WIFI信号覆盖直径距离；

2)计算高空抛物下落至检测区的时间：假设高空抛物作匀变速直线运动，因此有v_t＝v₀+a·t，其中a为加速度，v₀为初始速度，将

代入上式可得到高空抛物从抛出到WIFI检测处的下落时间t；

3)计算抛出点与检测点距离：利用物体自由落体运动

其中，h表示高度，g＝9.8m/s表示重力加速度，t表示时间；

将第1)步骤得到的高空抛物下落时间t代入上式得到自由落体运动的高度h；h即为高空抛物起始处到WIFI检测处的距离；因此，根据h可分析出高空抛物楼层。

一种基于WIFI无线感知的高空抛物预警装置，包括高空抛物检测模块、通信控制模块和高空抛物处置模块：

高空抛物检测模块：用于进行高空抛物分析和确认；

通信控制模块：用于通信控制和确认；

高空抛物处置模块：用于对高空抛物行为进行及时响应。

进一步地，上述高空抛物检测模块包括WIFI信号采集、CSI信号分析和高空抛物分析子模块。

进一步地，上述高空抛物处置模块包括声控报警、保护装置启动和初始抛出点分析子模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明首次提出基于WIFI无线感知的智能高空抛物检测方法，具有速度快、精度准的特性，与基于视频监控的方法相比还具有不侵犯居民隐私和低成本的特点；

2)目前现存的高空抛物检测方法大多只能做到监控、检测和事后取证的功能，本发明不仅如此，还能做到提前防范和预警的功能，使高空抛物检测技术真正用之于民。

附图说明

图1是本发明基于WIFI无线感知的高空抛物预警装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

非抛物是指除高空抛物外WIFI所能够采集无线信号，如阳台上居民移动或者远处飞鸟。

实施例一

一种基于WIFI无线感知的高空抛物智能检测预警方法，包括WIFI信号采集、CSI信号预处理、高空抛物可能性判断、置信度计算和预警、初始抛出点分析等5个模块。

1、WIFI信号采集模块

在高楼外墙面适当位置安装一对WIFI收发设备。WIFI接收设备同时兼具无线通信和信号采集分析的功能。利用WIFI接收端的无线网卡采集无线信号，并提取其信道状态信息(ChannelState Information，CSI)作为WIFI信道的载波频率响应(Carrier FrequencyResponse，CFR)。

WIFI信号随时间变化的信道CFR可以记作H(f,t)，f代表了频率，t代表时间。让X(f,t)和Y(f,t)分别代表频域上的发送信号和接收信号，那么Y(f,t)＝H(f,t)·X(f,t)能够代表这三者之间的关系。

对于每一个接受到的802.11帧来说，CSI的测量值包含了CFR在30个选取的OFDM子载波上的值。也就是说，CSI是CFR在30个选定频率上的采样值。那么让N_Tx和N_Rx分别代表发送天线和接收天线的个数，每一个802.11帧将会带来一个有30×N_Tx×N_Rx个CSI值的矩阵。如果把时间序列考虑进去，在产生T个帧的时段中，可以得到一个包括30×N_Tx×N_Rx×T(复数)的CSI流。因此，CSI流便是WIFI信号采集模块需要采集的信号。

2、CSI信号预处理模块

此模块主要包括远端多径去除和离异点去除：

1)远端多径去除：在高空抛物检测中，阳台上居民移动或者远处飞鸟将会带来远端的多径部分，而这一部分对CSI带来的扰动不是所需要的，所以需要去除这一部分的无线信道状态变化。为了达到这一目的，首先把CSI通过逆向傅里叶变换(IFFT)转成CIR，然后把CIR中超过0.1微秒的部分(也就是说，长于30米的传输路径)给去除掉。然后CIR再通过傅里叶变换(FFT)转换成CSI，通过这样的手段，系统就达到了去除远端多径的目的。

2)离异点去除：像传输速率自适应变化、传输功率改变这样的内部状态迁移会对CSI流带来突发性的噪声。这些突兀的离异点并不是由物体入侵带来的多径信息引起的，所以这些噪声会污染抽取出的用于高空抛物分析的特征。

本发明利用Hampel滤波来消除这些离异点。它把所有不在[μ-γ×σ,μ+γ×σ]范围内的点当作是离异点，这里μ和σ是在当前窗口下CSI流的中位值和标准差，γ是一个控制检测离异点敏感性的一个系数。

3、高空抛物可能性判断模块

使用能量作为衡量指标来检测物体入侵行为，以此来判断高空抛物。首先，计算出一个长窗口信号的均值，并将预处理后的CSI减去此均值，通过此方法去除CSI中的直流分量。然后把分窗后的信号通过FFT变换从时域转换到频域，得到FFT结果的各个系数。最后，根据FFT结果的各个系数计算移动能量：

其中m_FFT是通过时间窗口的FFT系数计算值。如果连续出现移动能量E超过一定阀值(如30)，则可能存在高空抛物。

4、置信度计算和预警

为了减少误报率，本发明利用载波频率响应方差距离(CPV-Distance)来计算高空抛物检测的置信度。载波频率响应方差定义如下：

其中，H_s(f)是载波频率响应(CFR)的静态部分；a(f,t)是复数量，表示信号传播路径的初始相位以及路径的振幅衰减；

是

的数学表达形式。载波频率响应方差距离(CPV-Distance)模型可以定量地表征物体移动路径和视线路径(Line of Sightpath，即发送端和接收端之间的连线)的距离。当物体下落在越靠近视线路径上时，他就越可能遮挡或增加无线传输路径，相应的CSI信号就会抖动得更加剧烈。所以根据这个模型，系统就可以根据采集到的CSI信号抖动状况即CPV得到路径的偏差估计量，从而推导出CSI特征的置信度。即，在后台通过实验训练出正常高空抛物的载波频率响应方差值CPV_Train，然后将当前检测的载波频率响应方差值CPV_New与CPV_Train进行比较计算其偏差，得出高空抛物的置信度：

当置信度超过一定阀值(如0.6)后，马上启动高空抛物预警模式。发送指令给报警器进行危险提醒。报警器收到播放指令后根据事先录制好的播放内容进行播放，播放内容为“危险，有坠物”或“当心坠物”等。

实施例二

本实施例其上部份和例一相同，如果楼底安装了相应的高空抛物保护装置，则还可以与高空抛物保护装置联动。当确认有高空抛物行为时，通知高空抛物保护装置启动。

实施例三

本实施例其上部份和例一或例二相同，

还包括初始抛出点分析

1)计算高空抛物在WIFI区域的平均下落速度：当CSI₂能量值异常时，记录下第一次检测到高空抛物的时刻T₁；随后，记录下高空抛物脱离WIFI检测范围的时刻T₂；计算得出高空抛物从开始进入WIFI检测区到离开的时间差ΔT＝T₂-T₁；然后，根据WIFI信号覆盖直径距离计算出高空抛物在WIFI区域的平均下落速度

其中d为WIFI信号覆盖直径距离；

2)计算高空抛物下落至检测区的时间：假设高空抛物作匀变速直线运动，因此有v_t＝v₀+a·t，其中a为加速度，v₀为初始速度，将

代入上式可得到高空抛物从抛出到WIFI检测处的下落时间t；

3)计算抛出点与检测点距离：利用物体自由落体运动

其中，h表示高度，g＝9.8m/s表示重力加速度，t表示时间；

将第1)步骤得到的高空抛物下落时间t代入上式得到自由落体运动的高度h；h即为高空抛物起始处到WIFI检测处的距离；因此，根据h可分析出高空抛物楼层。

实施例四

如图1所示，一种基于WIFI无线感知的高空抛物预警装置，主要包括高空抛物检测、通信控制和高空抛物处置三大模块。

所述高空抛物检测模块，用于利用WIFI无线信号进行高空抛物分析，包括WIFI信号采集、CSI信号分析和高空抛物分析三大步骤。

所述的WIFI信号采集步骤通过WIFI监测设备采集无线信道中的CSI信号，WIFI监测设备一般为WIFI接收终端，同时兼具无线通信和信号采集分析的功能。

所述的CSI信号分析步骤通过对采集的CSI信号进行远端多径去除和离异点去除提取有效且鲁棒的CSI信号。

所述的高空抛物分析步骤通过物体移动能量分析高空抛物行为可能性，并利用CPV计算高空抛物置信度确认高空抛物行为。

所述的通信控制模块用于通信控制和确认之用。当CSI信号分析确认为高空抛物行为时，给报警器发送报警信息，报警器收到报警信息后立即进行危险播报提醒，同时发回一个信息确认反馈，如果一段时间后没有收到报警器发送的反馈，则自动重复发送一次报警信息，如此反复直到收到反馈为止。

所述的高空抛物处置模块用于对高空抛物行为进行即时响应，包括声控报警、保护装置启动和初始抛出点分析。

所述声控报警主要负责报警器端的声控报警和语音提示。

所述保护装置启动主要负责启动楼下的保护装置。

所述的初始抛出点分析主要用于计算物体抛出点与检测点的距离，以确认具体物体抛出楼层，方便事后取证之用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明首次提出基于WIFI无线感知的智能高空抛物检测方法，本方法具有速度快、精度准的特性，与基于视频监控的方法相比还具有不侵犯居民隐私和低成本的特点；

2)目前现存的高空抛物检测方法大多只能做到监控、检测和事后取证的功能，本发明不仅如此，还能做到提前防范和预警的功能，使高空抛物检测技术真正用之于民。

Claims (8)

1.一种基于WIFI无线感知的高空抛物智能检测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1: 在高楼外墙面位置安装WIFI收发设备，利用WIFI接收端的无线网卡采集无线信号，并提取其信道状态信息CSI作为无线感知信号；

S2：对采集的CSI信号进行非抛物多径去除和离异点去除得到CSI₂；

S3：对CSI₂信号进行分窗，并计算每个分窗的移动能量值，当连续出现移动能量超过设定阀值，则判断存在高空抛物可能性；

S4：计算高空抛物的置信度，如果置信度超过设定阀值，则确定为高空抛物；马上启动高空抛物预警模式，发送指令给报警器进行危险提醒；报警器收到播放指令后根据事先录制好的播放内容进行播放，播放内容为“危险，有坠物”或“当心坠物”；

所述步骤S2中多径去除方法包含CSI信号阳台或飞鸟远端多径去除：

首先把CSI通过逆向傅里叶变换(IFFT)转成CIR，然后把CIR中超过0.1微秒的部分给去除掉，最后CIR再通过傅里叶变换(FFT)转换成CSI，通过此方法达到去除非抛物带来的远端多径部分；

所述步骤S2中CSI信号离异点去除方法为：利用Hampel滤波来消除这些离异点；把所有不在

范围内的点当作是离异点，这里μ和σ是在当前窗口下CSI流的中位值和标准差，Υ是一个控制检测离异点敏感性的一个系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于WIFI无线感知的高空抛物智能检测预警方法，其特征在于，步骤S3中高空抛物可能性判断方法为：

首先，计算出一个长窗口信号的均值，并将CSI₂减去此均值，通过此方法去除CSI₂中的直流分量；

然后，把分窗后的信号通过FFT变换从时域转换到频域，得到FFT结果的各个系数；

最后，根据FFT结果的各个系数计算移动能量：

，其中m_FFT是通过时间窗口的FFT系数计算值；当连续出现移动能量E超过设定阀值时，则判断为存在高空抛物可能性。

3.根据权利要求1所述的一种基于WIFI无线感知的高空抛物智能检测预警方法，其特征在于，步骤S4中高空抛物置信度计算方法为：

利用载波频率响应方差距离(CPV-Distance)来计算高空抛物检测的置信度，在后台通过实验训练出正常高空抛物的载波频率响应方差值，然后将当前检测的载波频率响应方差值CPV_New与CPV_Train进行比较计算其偏差，得出高空抛物的置信度：

。

4.根据权利要求1所述的一种基于WIFI无线感知的高空抛物智能检测预警方法，其特征在于，还包括计算物体抛出点与检测点的距离，分析出高空抛物抛出楼层步骤。

5.根据权利要求4所述的一种基于WIFI无线感知的高空抛物智能检测预警方法，其特征在于，所述物体抛出点与检测点的距离计算方法为：

1）计算高空抛物在WIFI区域的平均下落速度：当CSI₂能量值异常时，记录下第一次检测到高空抛物的时刻T₁；随后，记录下高空抛物脱离WIFI检测范围的时刻T₂；计算得出高空抛物从开始进入WIFI检测区到离开的时间差

；然后，根据WIFI信号覆盖直径距离计算出高空抛物在WIFI区域的平均下落速度

，其中d为WIFI信号覆盖直径距离；

2）计算高空抛物下落至检测区的时间：假设高空抛物作匀变速直线运动，因此有

，其中a为加速度，V0为初始速度为0，假定

，因此将第1）步得到的

代替上式Vt可得到高空抛物从抛出到WIFI检测处的下落时间t；

3）计算抛出点与检测点距离：利用物体自由落体运动

，其中，h表示高度，

表示重力加速度，t表示时间；

将第2）步骤得到的高空抛物从抛出到WIFI检测处的下落时间t代入上式得到自由落体运动的高度h；即为高空抛物起始处到WIFI检测处的距离；因此，根据h可分析出高空抛物楼层。

6.一种基于WIFI无线感知的高空抛物预警装置，其特征在于，包括高空抛物检测模块、通信控制模块和高空抛物处置模块：

高空抛物检测模块：用于进行高空抛物分析和确认；

通信控制模块：用于通信控制和确认；

高空抛物处置模块：用于对高空抛物行为进行及时响应；

所述高空抛物预警装置还包括如权利要求1-5中任意一种所述的基于WIFI无线感知的高空抛物智能检测预警方法。

7.一种如权利要求6所述的高空抛物预警装置，其特征在于，高空抛物检测模块包括WIFI信号采集、CSI信号分析和高空抛物分析子模块。

8.一种如权利要求6所述的高空抛物预警装置，其特征在于，高空抛物处置模块包括声控报警、保护装置启动和初始抛出点分析子模块。

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