CN113077600A - 一种基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统 - Google Patents

一种基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于菲涅耳区的Wi‑Fi室内安防报警系统，包括在室内设置多组发射端天线和接收端天线；以每组发射端天线和接收端天线为焦点构成一簇同心椭圆的菲涅耳区，多个菲涅耳区将室内进行覆盖；在接收端天线接收的Wi‑Fi信号数据包中获取一组含有相应子载波的相位和幅度的信道状态信息数据；通过对信道状态信息数据进行短时傅里叶变换即得到的当前时刻下各个子载波对应的幅度与相位信息；随着人员在室内移动穿越菲涅耳区，信道状态信息数据不断发生变化，当通过信道状态信息的变化程度计算输出判定概率，发出警报。本发明不仅克服了现有安防系统对光线条件的要求，而且成本较低，报警效果较好，同时还能避免泄露个人隐私。

Description

一种基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统
技术领域
本发明涉及安防报警技术领域，具体涉及一种基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统。
背景技术
目前，室内安防系统主要基于摄像头，智能摄像头依靠其出色的视频监护、语音通话等功能受到了广大消费者的关注。然而，越来越多的用户在享受智能家庭生活带来的便捷与舒适的同时，也发现智能摄像头的安全等问题日益突出。
首先是隐私安全问题，摄像头会将画面内容录制下来，视频通过网络向视频监控服务商、网络服务商和运营商传输的过程中，非法人员可以截取网络信号，获得视频。同时，不发分子会通过摄像头收集人脸等生物身份信息用于非法活动。
其次，摄像头对环境光照等因素有一定要求，当位于弱光线条件下时，无法进行有效的安防工作，虽然红外摄像能够解决该问题，但由于其成本原因无法被广大家庭所承担。
最后，摄像头存在监控死角问题，针对某些地点，如浴室、厕所等地点，考虑到道德伦理以及个人隐私，该区域无法设置摄像头进行有效的安防工作。
综上，虽然现有基于摄像头的安防系统能够有效的提供安防保障，但仍然存在诸如隐私等问题待解决。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统。本发明不仅克服了现有安防系统对光线条件的要求，而且成本较低，报警效果较好，同时还能避免泄露个人隐私。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，包括在室内设置多组发射端天线和接收端天线，发射端天线用于发散Wi-Fi信号，接收端天线用于接收Wi-Fi信号，以每组发射端天线和接收端天线为焦点构成一簇同心椭圆的菲涅耳区，多个菲涅耳区将室内进行覆盖；
在接收端天线接收的Wi-Fi信号数据包中获取一组信道状态信息数据，每个信道状态信息数据均包含有相应子载波的相位和幅度；
随着人员在室内移动穿越菲涅耳区，信道状态信息数据不断发生变化，当通过信道状态信息的变化程度计算输出判定概率，发出警报。
上述的基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，对于每个信道状态信息数据，包含了相应子载波的相位和幅度，其组成为：
Figure BDA0003009704860000021
上式中，H(fk)是以复数形式表示的第k个子载波的信道状态信息数据，||H(fk)||和∠H(fk)分别表示子载波的幅度和相位；
每组信道状态信息数据经解析出得到结构为Ns×Nr×k的多维矩阵，其中Ns表示发射端天线个数，Nr表示接收端天线个数，k为子载波的个数。
前述的基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，信道状态信息的变化程度计算包括以下步骤：
(1)对接收到的信道状态信息进行预处理，滤除环境干扰等无关因素；
(2)使用主成分分析计算无人情况下T时间内每时刻下接收端各天线所接收子载波幅度n个主成分；
(3)计算n个主成分的加权平均和
Figure BDA0003009704860000031
表示t时刻下接收端第r个天线所接收到K个子载波幅度经主成分分析得到的n个主成分的加权平均和；
(4)分别计算接收端各个天线在T时间段内
Figure BDA0003009704860000032
的最大值以及最小值：
Figure BDA0003009704860000033
Figure BDA0003009704860000034
表示接收端第r根天线所接收子载波振幅主成分加权平均和的最小值，
Figure BDA0003009704860000035
表示接收端第r根天线所接收子载波振幅主成分加权平均和的最大值；
(5)计算接收端天线某时刻下子载波振幅主成分加权平均和的偏移程度：
Figure BDA0003009704860000036
Dr表示t时刻下第r个接收天线子载波振幅主成分加权平均和的偏移程度。
前述的基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，判定概率计算为：
Figure BDA0003009704860000041
上式中，Wr为每根天线的权重，S为敏感值；当概率P大于临界值η，即P＞η时发出警报；
前述的基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，通过调节敏感值S的大小调控安防系统的整体敏感度。
前述的基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，所述的敏感值S＝1，通过调节临界值η来调节报警敏感度。
与现有技术相比，本发明利用菲涅耳区原理，在室内设置多组发射端天线和接收端天线，以每组发射端天线和接收端天线为焦点构成一簇同心椭圆的菲涅耳区，多个菲涅耳区将室内进行覆盖，当物体移动时，由于接收端天线接受的Wi-Fi信号数据包会发生变化，因此本发明在接收端天线接收的每个Wi-Fi信号数据包中获取一组信道状态信息数据，每个信道状态信息数据均包含有相应子载波的相位和幅度；通过对信道状态信息数据进行短时傅里叶变换即得到的当前时刻下各个子载波对应的幅度与相位信息；因而随着人员在室内移动穿越菲涅耳区，信道状态信息数据不断发生变化，当通过计算信道状态信息数据中子载波幅度变化所产生的判定概率超过设定概率临界值时，即可认为是出现紧急情况，从而发出警报，由此本发明无需像摄像头这一类型的安防设备一样需要光线条件要求，不会发生拍摄的视频画面被不法分子利用的现象，可以布置在如厕所、浴室等需注重隐私的场合，同时可以基于现有的Wi-Fi环境工作，而且不会占用大量的Wi-Fi资源，具有成本较低，安装使用方便，报警效果好的优点。
附图说明
图1是菲涅耳区的示意图；
图2是本发明实施例对室内的一种布置示意图；
图3是本发明实施例对室内的另一种布置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，包括在室内设置多组发射端天线和接收端天线，发射端天线用于发散Wi-Fi信号，接收端天线用于接收Wi-Fi信号；所述发射端天线为商用路由器发射的Wi-Fi信号具有30个不同频率的子载波，所述接收端天线为兼容IEEE 802.11a/g/n的无线网卡；Wi-Fi信号的发射与接收以OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)符号传递，是多载波调制的一种。
如图1所示，以每组发射端天线和接收端天线为焦点构成一簇同心椭圆的菲涅耳区，如图2和图3所示多个菲涅耳区将室内进行覆盖；菲涅耳区始于19世纪初期，由法国科学家奥古斯汀-让·菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel)通过研究光的干涉和衍射，揭示了光从光源到观察点传播的物理特性，如图1所示，假设P1和P2是一对无线射频的收发设备，那么菲涅耳区是指以P1和P2为焦点的一簇同心圆。对于给定波长为λ的无线信号，其包含n层同心椭圆的菲涅耳区根据公以下公式构建：
Figure BDA0003009704860000061
当存在物体穿越菲涅耳区时，由于反射路径的变化，从而导致在接收端P2处接收到的信号相位和幅度会发生变化。
由此，在接收端天线接收的Wi-Fi信号数据包中获取一组信道状态信息(ChannelState Information，简称CSI)数据，每个信道状态信息数据均包含有相应子载波的相位和幅度；对于每个信道状态信息数据，包含了相应子载波的相位和幅度，其组成为：
Figure BDA0003009704860000062
上式中，H(fk)是以复数形式表示的第k个子载波的信道状态信息数据，||H(fk)||和∠H(fk)分别表示子载波的幅度和相位；
每组信道状态信息数据经解析出得到结构为Ns×Nr×k的多维矩阵，其中Ns表示发射端天线个数，Nr表示接收端天线个数，k为子载波的个数，本实施例中，发射端天线数与接收端天线数均为3，子载波个数为30，因此解析为3×3×30的多维矩阵。
通过对信道状态信息数据进行短时傅里叶变换即得到的当前时刻下各个子载波对应幅度与相位信息；短时傅里叶变换(STFT，short-time Fourier transform，或short-term Fourier transform))是和傅里叶变换相关的一种数学变换，用以确定时变信号其局部区域正弦波的频率与相位。
随着人员在室内移动穿越菲涅耳区，信道状态信息数据不断发生变化，通过信道状态信息的变化程度计算输出判定概率，发出警报；所述判定概率的计算包括以下步骤：
(1)通过低通滤波和高通滤波选择频段进行滤波，滤除环境干扰等无关因素；
(2)使用主成分分析计算无人情况下T时间内每时刻下接收端各天线所接收子载波幅度n个主成分；
(3)选取第一主成分作为主成分项，即n＝1。计算各主成分加权平均
Figure BDA0003009704860000071
Figure BDA0003009704860000072
其中
Figure BDA0003009704860000073
表示经主成分分析得到的第i个主成分，
Figure BDA0003009704860000074
表示第i个主成分的权重；对于权重
Figure BDA0003009704860000075
满足以下关系式：
Figure BDA0003009704860000076
(4)分别计算接收端各个天线在T时间段内
Figure BDA0003009704860000077
的最大值以及最小值：
Figure BDA0003009704860000078
Figure BDA0003009704860000079
表示接收端第r根天线所接收子载波振幅第一主成分的最小值，
Figure BDA00030097048600000710
表示接收端第r根天线所接收子载波振幅第一主成分的最大值；
(5)计算接收端天线某时刻下子载波振幅第一主成分的偏移程度：
Figure BDA00030097048600000711
Dr表示t时刻下第r个接收天线子载波振幅第一主成分的偏移程度；
(6)计算接收端判定概率：
Figure BDA0003009704860000081
上式中，Wr为每根天线的权重，且满足
Figure BDA0003009704860000082
S为敏感值，当概率P大于临界值η，即P＞η时发出警报
(7)本实施例中，通过调节敏感值S的大小可调控安防系统的整体敏感度，从而满足不同场景需求。S取值范围为[0.5,1]，当S取0.5其灵敏度最低，反之灵敏度越高。
在另一种实施例中，通过调节临界值η来调节报警敏感度。本实施例中，敏感值S＝1，临界值η＝0.5，每根天线的权重相同，即
Figure BDA0003009704860000083
当P＞0.5时，发出警报。
本发明利用菲涅耳区原理，在室内设置多组发射端天线和接收端天线，以每组发射端天线和接收端天线为焦点构成一簇同心椭圆的菲涅耳区，多个菲涅耳区将室内进行覆盖，当物体移动时，由于接收端天线接受的Wi-Fi信号数据包会发生变化，因此本发明在接收端天线接收的每个Wi-Fi信号数据包中获取一组信道状态信息数据，每个信道状态信息数据均包含有相应子载波的相位和幅度；通过对信道状态信息数据进行短时傅里叶变换即得到的当前时刻下各个子载波对应的幅度与相位信息；因而随着人员在室内移动穿越菲涅耳区，信道状态信息数据不断发生变化，当通过计算信道状态信息数据中子载波幅度变化所产生的判定概率超过设定概率临界值时，即可认为是出现紧急情况，从而发出警报，由此本发明无需像摄像头这一类型的安防设备一样需要光线条件要求，不会发生拍摄的视频画面被不法分子利用的现象，可以布置在如厕所、浴室等需注重隐私的场合，同时可以基于现有的Wi-Fi环境工作，而且不会占用大量的Wi-Fi资源，具有成本较低，安装使用方便，报警效果好的优点。

Claims (6)

1.一种基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，包括在室内设置多组发射端天线和接收端天线，发射端天线用于发散Wi-Fi信号，接收端天线用于接收Wi-Fi信号，其特征在于：以每组发射端天线和接收端天线为焦点构成一簇同心椭圆的菲涅耳区，多个菲涅耳区将室内进行覆盖；
在接收端天线接收的Wi-Fi信号数据包中获取一组信道状态信息数据，每个信道状态信息数据均包含有相应子载波的相位和幅度；
随着人员在室内移动穿越菲涅耳区，信道状态信息数据不断发生变化，当通过信道状态信息的变化程度计算输出判定概率，发出警报。
2.根据权利要求1所述的基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，其特征在于：对于每个信道状态信息数据，包含了相应子载波的相位和幅度，其组成为：
Figure FDA0003009704850000011
上式中，H(fk)是以复数形式表示的第k个子载波的信道状态信息数据，||H(fk)||和∠H(fk)分别表示子载波的幅度和相位；
每组信道状态信息数据经解析出得到结构为Ns×Nr×k的多维矩阵，其中Ns表示发射端天线个数，Nr表示接收端天线个数，k为子载波的个数。
3.根据权利要求1所述的基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，其特征在于：信道状态信息的变化程度计算包括以下步骤：
(1)对接收到的信道状态信息进行预处理，滤除环境干扰等无关因素；
(2)使用主成分分析计算无人情况下T时间内每时刻下接收端各天线所接收子载波幅度n个主成分；
(3)计算n个主成分的加权平均和
Figure FDA0003009704850000021
表示t时刻下接收端第r个天线所接收到K个子载波幅度经主成分分析得到的n个主成分的加权平均和；
(4)分别计算接收端各个天线在T时间段内
Figure FDA0003009704850000022
的最大值以及最小值：
Figure FDA0003009704850000023
Figure FDA0003009704850000024
表示接收端第r根天线所接收子载波振幅主成分加权平均和的最小值，
Figure FDA0003009704850000025
表示接收端第r根天线所接收子载波振幅主成分加权平均和的最大值；
(5)计算接收端天线某时刻下子载波振幅主成分加权平均和的偏移程度：
Figure FDA0003009704850000026
Dr表示t时刻下第r个接收天线子载波振幅主成分加权平均和的偏移程度。
4.根据权利要求3所述的基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，其特征在于：判定概率计算为：
Figure FDA0003009704850000031
上式中，Wr为每根天线的权重，S为敏感值；当概率大于临界值η，即P＞η时发出警报。
5.根据权利要求4所述的基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，其特征在于：通过调节敏感值S的大小调控安防系统的整体敏感度。
6.根据权利要求4所述的基于菲涅耳区的Wi-Fi室内安防报警系统，其特征在于：所述的敏感值S＝1，通过调节临界值η来调节报警敏感度。
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