CN112382312A - 目标探测器及目标探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种目标探测器及目标探测方法，其中，所述目标探测器包括：声音探测单元和包络检波单元，其中，所述声音探测单元，包括若干个声音传感器，用于探测所述目标探测器周围的音频信号；所述包络检波单元，用于对所述声音探测单元探测到的音频信号进行幅值包络特征处理，输出幅值包络信号，以使所述目标探测器根据所述幅值包络信号判断所述目标探测器周围是否存在话音。采用本发明所提供的目标探测器及目标探测方法解决了现有技术中目标探测方法过于复杂的问题。

Description

目标探测器及目标探测方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种目标探测器及目标探测方法。
背景技术
在无线传感器网络(WSN)节点中，目标探测器主要用于探测无线传感器网络各节点周围的音频信号是否为话音，即人的说话声音。
然而，由于人的说话声音的频率通常在300Hz～3.4kHz范围内，为了方便于目标探测器对音频信号进行采样和处理，采样频率通常需要大于6.8kHz，且采样时间至少在1秒以上，这就导致目标探测过程中产生的采样数据占用内存大，且信号处理时计算量大，而最终造成目标探测过于复杂。
由上可知，现有技术中的目标探测方法仍存在过于复杂的缺陷。
发明内容
为了解决相关技术中存在的目标探测方法过于复杂的问题，本发明各实施例提供一种目标探测器及目标探测方法。
其中，本发明所采用的技术方案为：
在本发明一个实施例中，一种目标探测器，包括：声音探测单元和包络检波单元，其中，所述声音探测单元，包括若干个声音传感器，用于探测所述目标探测器周围的音频信号；所述包络检波单元，用于对所述声音探测单元探测到的音频信号进行幅值包络特征处理，输出幅值包络信号，以使所述目标探测器根据所述幅值包络信号判断所述目标探测器周围是否存在话音。
在本发明另一个实施例中，一种目标探测方法，包括：获取根据上述目标探测器输出的幅值包络信号；在所述幅值包络信号超过警戒阈值时，调用中断服务程序，以判断所述目标探测器周围是否存在话音。
在上述技术方案中，以话音作为目标，通过包络检波单元，将高频话音信号(300Hz～3.4kHz)转化为低频话音包络信号(小于10Hz)不仅能够降低采样速率，减少目标探测过程中产生的采样数据所占用内存，进而简化信号处理时目标识别算法，而且大大提高了目标的辨识速度，同时又不会影响目标识别的准确率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种目标探测器的结构框图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种声音探测单元的结构框图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种包络检波单元的结构框图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种同相放大器和比较器的结构框图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种声音激励源的结构框图。
通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述，这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例执行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和目标探测器的例子。
请参阅图1，在一个实施例中，一种目标探测器100，包括：声音探测单元110和包络检波单元130。
其中，所述声音探测单元110，包括若干个声音传感器，用于探测所述目标探测器周围的音频信号。可选地，话音，即人的说话声音，作为目标探测器的目标，也就是说，通过目标探测器，其周围探测到的音频信号将能够进一步地识别是否为话音，由此判断周围是否存在人员活动。
较优地，所述声音传感器包括依次连接的麦克风和两级同相高通放大器。
具体地，如图2所示，电源SND_VCC、电阻R1和R2构成驻极体麦克风MIC的激励源，电容C1和C2用于电源滤波；电阻R3和R4作为分压器，为单电源音频放大器(SND_U1-1/2)提供参考电平；电容C3和电阻R3、R4构成隔直滤波器；音频放大器(SND_U1-1/2)、电容C5、电阻R5和R6构成初级同相高通放大器，电容C4作为音频放大器的反馈补偿电容；电阻R7和电容C6构成一阶低通滤波器；音频放大器(SND_U1-2/2)、电容C8、电阻R8和R9构成次级同相高通放大器，电容C7作为反馈补偿电容。
基于此，声音传感器的信号增益约为230倍，频带宽度限制在300Hz～3400Hz之间。
所述包络检波单元130，用于对所述声音探测单元110探测到的音频信号进行幅值包络特征处理，输出幅值包络信号，以使所述目标探测器100根据所述幅值包络信号判断所述目标探测器100周围是否存在话音。较优地，包络检波单元130包括包络检波器。
具体地，如图3所示，电容C1和电阻R1构成隔直滤波器；单电源运算放大器(SND_U2-1/2)、二极管D、电阻R2、R3、R4和电容C2以及肖特基二极管SD构成包络检波器，其充电时间常数为τ1＝R2×C2，放电时间常数为τ2≥(R3//R4)×C2，且有τ2>>τ1。应当说明的是，引入肖特基二极管SD的主要作用是降低幅值包络信号的直流分量。
在此，基于包络检波单元，高频话音信号(300Hz～3.4kHz)转化为低频话音包络信号(小于10Hz)不仅能够降低采样速率，减少目标探测过程中产生的采样数据所占用内存，进而简化信号处理时目标识别算法，而且大大提高了目标的辨识速度，同时又不会影响目标识别的准确率。
应当说明的是，为了降低目标探测器的功耗，本发明各实施例中的电子元器件均采用低功耗器件，例如，本实施例中的运算放大器，后续不再重复赘述，进而实现单节锂电池供电的目标探测器。
在一个实施例中，所述目标探测器还包括：信号增益单元。
其中，所述信号增益单元包括放大器，以使经过所述放大器的所述幅值包络信号能够提高信号增益。例如，放大器可以是同相放大器，还可以是反相放大器，在此并未加以限定。
较优地，所述放大器为同相放大器。如图4所示，该同相放大器可由低功耗运算放大器(SND_U2-2/2)、电阻R1、R2构成。
在此，通过同相放大器，提高了目标探测器的信号处理增益，更有利于对微弱音频信号进行探测，能够有效地扩大目标探测器的作用距离，以此实现大作用距离的目标探测器，并且有利于提升目标探测的成功率以及目标探测器的环境适应性。
在一个实施例中，所述目标探测器还包括：信号增益调节单元。
其中，所述信号增益调节单元包括第一数控电位器，所述第一数控电位器连接在所述同相放大器的输出端与反向输入端之间，用于调节所述信号增益单元对所述幅值包络信号的信号增益。
具体地，如图4所示，信号增益调节单元由电阻R3和第一数控电位器(SND_U3-1/2)构成。其中，电阻R4和电容C1构成一阶低通滤波器，截止频率小于10Hz。
由此，随着第一数控电位器的阻值W1受控调节，实现了目标探测器的信号处理增益可调，进而有利于提升目标探测的准确率。
在此说明的是，第一数控电位器的阻值W1可由ARM微处理器或者CPU处理器等布设在目标探测器中的处理器进行控制调节，本实施例对此并未加以限定。
在一个实施例中，所述目标探测器还包括：中断单元。
其中，所述中断单元包括比较器，所述幅值包络信号由所述比较器的反向输入端输入，当所述幅值包络信号超过警戒阈值时，所述比较器输出中断信号；所述警戒阈值由所述比较器的正向输入端输入。
随着中断信号的产生，中断服务程序立即启动，通过继续采样和处理目标探测器产生的幅值包络信号，来判断所述目标探测器周围是否存在话音，以此实现作为目标的话音探测。
应当理解，由于环境参数或者环境自身变化，不可避免地会对目标探测带来不利影响，例如，导致比较器的输出状态出现误翻转而出现虚警，或者，导致比较器对音频信号不敏感而出现漏警。
故而，需要补偿因环境参数或者环境自身变化所造成的不利影响，进一步地，在一个实施例中，所述目标探测器还包括：阈值调节单元。
其中，所述阈值调节单元包括第二数控电位器，所述第二数控电位器与所述比较器的正向输入端连接，以使输入至所述比较器的所述警戒阈值可调。
具体地，如图4所示，低功耗比较器(SND_U4)和第二数控电位器(SND_U3-2/2)以及电阻R5构成警戒阈值可调的比较器电路。其中，电容C2用于滤除阈值电平噪声，电阻R6和LED灯则用于显示比较器电路的输出状态。
由此，通过警戒阈值可调的比较器电路，抑制了环境参数或者环境自身变化引发的不利影响，使得目标探测器的环境适应性有效提升，进而能够有效地降低目标探测器的虚警概率和漏检概率。
值得一提的是，在一个实施例中，中断单元接收到的单路输出信号，来自于同相放大器输出的两路信号中的其中一路信号，如图4所示，该其中一路信号由低功耗比较器(SND_U4)的反向输入端输入，而该同相放大器输出的另一路信号SND_AOUT则直接传输至ARM微处理器的模数转换器(MPU_ADC)，以便于ARM微处理器能够对作为幅值包络信号进行采样和处理，进而实现作为目标的话音探测。
在一个实施例中，所述信号增益调节单元由第一声音激励源激励，所述中断单元由第二声音激励源激励。
具体地，在所述第一声音激励源开启时，如果所述幅值包络信号的峰值未满足预设要求(例如ARM微处理器的模数转换器的满量程)，则调节所述第一数控电位器，以逐步增大所述同相放大器的增益。
在所述第二声音激励源关闭时，根据所述幅值包络信号的峰值或者幅值平均值，设置所述警戒阈值。例如，将单路输出信号的峰值或者幅值平均值的1.2～1.5倍作为警戒阈值。
下面对作为目标探测器附件的声音激励源加以详细说明。
在一实施例中，声音激励源由依次连接的多谐振荡器、功率放大器和扬声器产生。较优地，多谐振荡器包括定时器(例如，555定时器)。
具体地，图5(a)是声音激励源的直流电源(5V/3A)示意图。图5(b)是由低功耗555定时器(SND_U7)、功率放大器(SND_U8)和8Ω扬声器构成的声音激励源示意图。
如图5(a)所示，同步升压转换器(SND_U6)是可关断的直流稳压源芯片，可用单节锂电池供电，电容C1和C2用于滤除直流稳压源芯片输入-输出电压纹波；电阻R1和反相器(SND_U5)构成同步升压转换器开启/关闭电路，进而由ARM微处理器控制。
如图5(b)所示，电阻R1、RW、R2和电容C1、C2以及低功耗555定时器(SND_U7)共同构成多谐振荡器(频率范围：330Hz≤f≤3400Hz)，该多谐振荡器的振荡频率f将由以下公式确定：
Figure BDA0002698040270000061
其中，电容C2用于滤除低功耗555定时器(SND_U7)的阈值电压纹波。
功率放大器(SND_U8)用于增大多谐振荡器的驱动能力；交流耦合电容C3用于隔断直流、输出交流信号。
由此，通过声音激励源的定时开启，使得降低目标探测器的虚警概率和漏警概率得以实现，进而能够有效地抑制环境参数或者环境自身变化所引发的不利影响，从而提高目标探测器的环境适应性。
上述内容，仅为本发明的较佳示例性实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种目标探测器，其特征在于，包括：声音探测单元和包络检波单元，其中，
所述声音探测单元，包括若干个声音传感器，用于探测所述目标探测器周围的音频信号；
所述包络检波单元，用于对所述声音探测单元探测到的音频信号进行幅值包络特征处理，输出幅值包络信号，以使所述目标探测器根据所述幅值包络信号判断所述目标探测器周围是否存在话音。
2.如权利要求1所述的目标探测器，其特征在于，所述声音传感器包括依次连接的麦克风和两级同相高通放大器；
所述包络检波单元包括包络检波器。
3.如权利要求1所述的目标探测器，其特征在于，所述目标探测器还包括：信号增益单元，所述信号增益单元包括放大器，以使经过所述放大器的所述幅值包络信号能够提高信号增益。
4.如权利要求3所述的目标探测器，其特征在于，所述放大器为同相放大器；
所述目标探测器还包括：信号增益调节单元，所述信号增益调节单元包括第一数控电位器，所述第一数控电位器连接在所述同相放大器的输出端与反向输入端之间，用于调节所述同相放大器对所述幅值包络信号的信号增益。
5.如权利要求4所述的目标探测器，其特征在于，所述信号增益调节单元由第一声音激励源激励，在所述第一声音激励源开启时，如果所述幅值包络信号的峰值未满足预设要求，则调节所述第一数控电位器，以逐步增大所述同相放大器的增益。
6.如权利要求1所述的目标探测器，其特征在于，所述目标探测器还包括：中断单元，所述中断单元包括比较器，所述幅值包络信号由所述比较器的反向输入端输入，当所述幅值包络信号超过警戒阈值时，所述比较器输出中断信号；所述警戒阈值由所述比较器的正向输入端输入。
7.如权利要求6所述的目标探测器，其特征在于，所述目标探测器还包括：阈值调节单元，所述阈值调节单元包括第二数控电位器，所述第二数控电位器与所述比较器的正向输入端连接，以使输入至所述比较器的所述警戒阈值可调。
8.如权利要求6或7所述的目标探测器，其特征在于，所述中断单元由第二声音激励源激励，在所述第二声音激励源关闭时，根据所述幅值包络信号的峰值或者幅值平均值，设置所述警戒阈值。
9.如权利要求8所述的目标探测器，其特征在于，所述第二声音激励源由依次连接的多谐振荡器、功率放大器和扬声器产生。
10.一种目标探测方法，其特征在于，所述方法包括：
获取根据权利要求1至9任一项所述的目标探测器输出的幅值包络信号；
在所述幅值包络信号超过警戒阈值时，调用中断服务程序，以判断所述目标探测器周围是否存在话音。
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