CN113162940A

CN113162940A - 一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统及管理方法

Info

Publication number: CN113162940A
Application number: CN202110456522.2A
Authority: CN
Inventors: 王志东; 王志晓
Original assignee: Shenzhen Depth Detection Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Depth Detection Technology Co ltd
Priority date: 2021-04-27
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2021-07-23

Abstract

本发明公开了一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统及管理方法，包括阵列天线雷达、阈值训练系统、位置分析系统、告警信息平台；所述阵列天线雷达分别通过动作汇报协议与位置分析系统、阈值训练系统之间通讯，所述位置分析系统通过动作汇报协议和告警信息平台之间通讯。本发明克服了在现实中，没有足够人力进行夜间实时看护，而且，夜间频繁探访又不利于看护对象休息且侵犯个人隐私，采用视频看护则则容易泄露个人隐私，采用热成像则成本太高，采用UWB雷达则探测距离近容易受到噪声干扰产生大量误报的难题。既满足了机构对看护对象的看护需要，也保护了个人的隐私，还避免了大量的误告警，实现多赢。

Description

一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统及管理方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域和无线电超声波、激光雷达探测领域，具体为一种针对夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统。

背景技术

随着时代的变迁，个人隐私开始被重视；同时，随着社会的老龄化，人力成本逐渐提高。在此环境下，养老院、护理中心、医院等需要用技术手段解决看护问题。一个，视频会侵犯个人隐私，二个，夜间人力实时看护的成本太高，而且容易触犯隐私，三个，采用热成像的夜间监护的设备成本太高，四个，采用UWB雷达探测则容易被噪声干扰。

目前，市场上采用60G/77G的毫米波模块，作为UWB雷达（即生物雷达），生物雷达的概念已经出现了20多年，但没有获得市场。采用生物雷达，对人体特征进行探测，其主要的探测对象，就是人体的心跳和呼吸等微小动作。（探测方法1，为精确测距，输出拍频，通过测量出微小的距离改变，从而测得人体的心跳波形和呼吸波形。探测方法2，为精确测速，输出恒定频率，通过测量出极小的速度，从而测得心跳波形和呼吸波形。）无论是哪种探测方法，其核心都是测量非常小的值，距离不到1厘米的移动和速度不到1厘米/秒的运动，在医院的医疗设备检测仓内，距离很近，没有干扰，UWB雷达确实可以精确测出这些值；但是，在养老/疗养/护理的房间内，精确测距会受到地面、被子、床体、墙体等的反射影响，误报率非常高，以至于无实用价值；精确测速会受到地面、被子、床体、墙体等的反射导致有本底噪声，同时，还会受到人体位置变化、热噪声、风扇运动、闹钟运动的影响，误报率也非常高，以至于无实用价值；在远距离时，因为UWB雷达的发散角太大，方向性不强，以至于无法对移动的来源位置做区分，即使走廊外有人走过，也容易导致误报。总的来说，基于精确测量的UWB雷达，只适合于医疗仓这种屏蔽了外部一切干扰的环境，成本高昂，误报率很高。

由此，采用非视频手段，即使用阵列天线雷达（或超声波阵列天线、激光雷达）对特定方向的人体，做方向校准，并在夜间进行探测，并在动作幅度和持续时间均满足阈值时，方产生上报信号，这就相对于UWB雷达，可以极大的降低误报率。

不会因为走廊上有人经过导致误报；

也不会因为房间内有小动物（老鼠、猫之类）运动导致误报；

还不会因为地面、被子、床体、墙体的反射的本地噪声所干扰而误报；

还不会因为人体的位置变化、热噪声、风扇转动、闹钟运动而误报。

阵列天线雷达上报的有效信号，还将在位置分析系统处，按照规则进行延时和二次过滤，从而，极大的降低了系统告警的误报率，有效的提升了阵列天线雷达的实用性。

举例如下：

1）养老院内，晚上老人摔倒了，无人处置，导致出现意外；

2）医院内，晚上病人休克了，无人处置，导致出现严重事故；

3）看护机构内，晚上精神病人逃逸了，无人处置，导致出现重大案件；

4）看守所内，晚上有人被殴打致残或致死，无人处置，导致刑事责任；

5）监狱内，晚上有人合谋越狱，无人处置，导致重大社会影响；

6）宿舍内，晚上有人上吊自杀，无人处置，导致企业负面评价；

因此，开发一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统十分的必要。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统，克服了在现实中，没有足够人力进行夜间实时看护，而且，夜间频繁探访又不利于看护对象休息且侵犯个人隐私，采用视频看护则则容易泄露个人隐私，采用热成像则成本太高，采用UWB雷达则探测距离近容易受到噪声干扰产生大量误报的难题。基于技术手段，降低人为因素，既满足了机构对看护对象的看护需要，也保护了个人的隐私，还避免了大量的误告警，实现多赢。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统，包括阵列天线雷达AAR、阈值训练系统TTS、位置分析系统LAS、告警信息平台AIP；

所述阵列天线雷达分别通过动作汇报协议ARP与位置分析系统LAS、阈值训练系统TTS之间通讯，所述位置分析系统LAS通过动作汇报协议ARP和告警信息平台AIP之间通讯。

进一步的，所述阵列天线雷达采用24G阵列天线或者77G单芯片天线或者41K超声波收发矩阵或者激光雷达。

进一步的，所述阵列天线雷达包括天线板和主控板，所述阈值训练系统位于天线板或者主控板内。天线板负责探测动作（幅度、速度、距离、方位角等），主控板负责接收天线板的实时上报消息，并由网口（或WIFI/NBIOT/3G/4G/5G等）获取现场技术人员下发指示，即记录该幅度大小和持续时间，是否满足阈值，以及是否属于夜间合理区域，从而实现对阵列天线雷达（AAR）的主控板的训练。

进一步的，所述阵列天线雷达通过串联阵列天线，收和发均为8*4阵列，总计8*8个阵元，工作频率为24G。由串联天线阵列实现雷达的精确的方向性（水平发散角<15度，垂直发散角<30度），通常，雷达安装在房间顶部的对角位置，校准并对准夜间睡眠的床所在位置，并将床上定义为夜间合理区域，将床下/其余区域定义为夜间异常区域

进一步的，所述位置分析系统LAS的最佳实现可以是，它是一个预定义了规则的软件，可以基于单片机、PC、服务器、手机、嵌入式系统和云计算其中的一种底层硬件或平台实现。

一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统的管理方法，包括以下步骤：

S1，在安全环境中，对阵列天线雷达AAR放号，将ID和密钥分别登记于阵列天线雷达AAR和位置分析系统LAS中，位置分析系统LAS与告警信息平台AIP基于安全链路连接，位置分析系统LAS为全部阵列天线雷达AAR的上报信息进行解密；

S2，阵列天线雷达AAR设备与位置分析系统LAS基于登录协议互认；

S3，阵列天线雷达AAR无论是否探测到动作，负责通讯的主控板，总是定时发出状态通过动作汇报协议ARP定时提交的上报消息；

S4，位置分析系统LAS先基于消息的ID/及密钥解密，再分析阵列天线雷达AAR的消息合法性，如果非法则丢弃，如果合法，则基于规则评估,确认是否产生告警，位置分析系统LAS对所有收到的合法消息回确认消息，并提供自身的消息序号和时间戳；

S5，阵列天线雷达AAR上报出现异常时，按照阵列天线雷达AAR丢失，阵列天线雷达AAR未训练，进行提示，位置分析系统LAS产生特殊的系统配置告警，需要安排现场技术人员做维修或训练；

S6，如果阵列天线雷达AAR和位置分析系统LAS均正常，则双方在消息解密后，均能从其中解出消息校验和，由此判断消息的合法性，消息格式为动作汇报协议ARP；

S7，生产人员，按照阵列天线雷达AAR的放号ID，在阵列天线雷达AAR的显目位置喷涂或打印输出ID，使其与内部放号的ID保持一致，以方便运维人员定期的核查各个阵列天线雷达AAR的自身状态。

进一步的，所述步骤S2中的互认协议包括ID和基于ID的密钥进行的加密，以及预定义参数。

进一步的，所述步骤S3中通过动作汇报协议ARP定时上报消息进行加密，序号和时间戳且均为单调递增。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中的雷达天线模块，采用低成本的串联阵列天线，相对并联阵列天线，生产成本低，而且发散角小。由于使用8*4以上的阵列的串联收发阵列天线，总阵元数8*8以上，相对于芯片上集成1~4个收发阵元的UWB单芯片雷达，发射方位角小，探测距离远，噪声动作和信号动作的差异性很大，预计噪声的识别能力可以提升30倍到100倍，同等条件下，误报率会有几百到上万倍的下降。

2、既避免采取视频对个人隐私的侵犯，也避免了被噪声干扰误报，仅仅对大幅度的动作/持续时间足够的动作上报，动作阈值由现场技术人员激活阈值训练系统（TTS）在现场进行配置，实现了不同环境下的雷达的针对性适配。

3、本发明的阵列天线雷达（AAR）分为天线板和主控板，均可由单片机实现，主控板负责通讯，它包含有ID和密钥，该ID和密钥通常是在安全机房内进行放号获得，每一个阵列天线雷达（AAR），均会被分配自己的ID和唯一密钥，以此来实现阵列天线雷达（AAR）和位置分析系统（LAS）的通讯加密，确保系统通讯的安全和可信。

4、本发明的系统中各个模块之间所传输的消息格式，即动作汇报协议（ARP），在网络上传输时均为加密消息，且按时间和消息序号单调递增。因此，网络传输即使受到攻击，也不影响系统内各个模块的工作。

5、在本发明的系统中，各个阵列天线雷达（AAR）和位置分析系统（LAS）之间，以及阵列天线雷达（AAR）和阈值训练系统（TTS）之间，以及位置分析系统（LAS）和告警信息平台（AIP）之间的传输均是加密和序号单调递增的，因此，均是安全可信的。

附图说明

图1为本发明系统的系统总架构图。

图2为本发明的阈值训练系统TTS训练--阵列天线雷达AAR图。

图3为本发明的阵列天线雷达AAR上报图。

图4为本发明系统的阵列天线雷达AAR的组成和数据传输。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-4所示，一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统，其特征在于：包括阵列天线雷达AAR、阈值训练系统TTS、位置分析系统LAS、告警信息平台AIP；

本方案中，所述阵列天线雷达（AAR）在日间（或正常活动期间）将停止探测，此时为人工巡检看护，在夜间（或睡眠休息期间）将开始探测，探测人体动作的幅度大小和持续时间，并基于阈值设置，识别为噪声和信号；现场技术人员激活阈值训练系统（TTS），即可对阵列天线雷达（AAR）探测到的动作进行的幅度大小和持续时间的阈值做设置，同时，按夜间合理区域和夜间异常区域做区域划分，从而实现对阵列天线雷达（AAR）的训练；位置分析系统（LAS）负责处理阵列天线雷达（AAR）上报的信号动作（小幅度或不持续的动作被识别为噪声不上报），位置分析系统（LAS）并基于不同的区域和动作超时规则，做评估，判断是否需要触发告警，并将告警消息发给告警信息平台（AIP）；告警信息平台（AIP）将告警信息转换为值班人员可以理解的信息；相应机构的值班人员即可采取行动。

所述阵列天线雷达采用24G阵列天线或者77G单芯片天线或者41K超声波收发矩阵或者激光雷达。

所述阵列天线雷达包括天线板和主控板，所述阈值训练系统位于天线板或者主控板内。线板负责探测动作（幅度、速度、距离、方位角等），主控板负责接收天线板的实时上报消息，并由网口（或WIFI/NBIOT/3G/4G/5G等）获取现场技术人员下发指示，即记录该幅度大小和持续时间，是否满足阈值，以及是否属于夜间合理区域，从而实现对阵列天线雷达（AAR）的主控板的训练。

所述阵列天线雷达通过串联阵列天线，收和发均为8*4阵列，总计8*8个阵元，工作频率为24G。由串联天线阵列实现雷达的精确的方向性（水平发散角<15度，垂直发散角<30度），通常，雷达安装在房间顶部的对角位置，校准并对准夜间睡眠的床所在位置，并将床上定义为夜间合理区域，将床下/其余区域定义为夜间异常区域。

所述位置分析系统LAS的最佳实现可以是，它是一个预定义了规则的软件，可以基于单片机、PC、服务器、手机、嵌入式系统和云计算其中的一种底层硬件或平台实现。

S7，生产人员，按照阵列天线雷达AAR的放号ID，在阵列天线雷达AAR的显目位置喷涂或打印输出ID，使其与内部放号的ID保持一致，以方便运维人员定期的核查各个阵列天线雷达AAR的自身状态。在此步骤过程中，本地运维人员只需要采用web、APP、或者专用程序，即可远程访问告警信息平台（AIP），即可得知看护对象的异常情况，并采取处置措施。

所述步骤S2中的互认协议包括ID和基于ID的密钥进行的加密，以及预定义参数。

所述步骤S3中通过动作汇报协议ARP定时上报消息进行加密，序号和时间戳且均为单调递增。

本发明的阵列天线雷达（AAR）的工作原理：

首先，阵列天线雷达（AAR）由天线板和主控板构成，均可由单片机独立实现，它的ID和密钥可以在安全（或涉密）机房内进行ID放号和密钥分配，不使用统一的密钥，以此来消除被网络抓包破解或被暴力破解的问题发生。

另外，阵列天线雷达（AAR）通常不使用任何操作系统，可以认为无法被网络攻击，在安全环境下被内置了ID和数据加密密钥，且该ID和数据加密密钥也记录于位置分析系统（LAS），所以能够确保阵列天线雷达（AAR）与位置分析系统（LAS）的通讯是安全、可靠的。

再次，在本发明的系统中，阵列天线雷达（AAR）传输时，将基于本机的设备ID、时间戳、消息序号、启动TICK值、随机数、计算出一个临时密钥1，再基于本机密钥和设备ID、时间戳、消息序号，计算出临时密钥2等，用两者对数据内容进行加密，并将其发送到位置分析系统（LAS），由于密钥自身从不在网络上传输，因此，数据传输安全、可靠。

最后，阈值训练系统（TTS）将与阵列天线雷达（AAR）的主控板配合，阵列天线雷达（AAR）在探测到动作和区域之后，现场运维技术人员基于阈值训练系统（TTS）的管理界面，对动作的特征和区域做阈值判定。位置分析系统（LAS）基于约定的规则，接收阵列天线雷达（AAR）的上报，即可做出是否告警的判断。

Claims

1.一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统，其特征在于：包括阵列天线雷达AAR、阈值训练系统TTS、位置分析系统LAS、告警信息平台AIP；所述阵列天线雷达分别通过动作汇报协议ARP与位置分析系统LAS、阈值训练系统TTS之间通讯，所述位置分析系统LAS通过动作汇报协议ARP和告警信息平台AIP之间通讯。

2.根据权利要求1所述的一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统，其特征在于：所述阵列天线雷达采用24G阵列天线或者77G单芯片天线或者41K超声波收发矩阵或者激光雷达。

3.根据权利要求1所述的一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统,其特征在于：所述阵列天线雷达包括天线板和主控板，所述阈值训练系统位于天线板或者主控板内。

4.根据权利要求1所述的一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统，其特征在于：所述阵列天线雷达通过串联阵列天线，收和发均为8*4阵列，总计8*8个阵元，工作频率为24G。

5.根据权利要求4所述的一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统，其特征在于：所述位置分析系统LAS的最佳实现可以是，它是一个预定义了规则的软件，可以基于单片机、PC、服务器、手机、嵌入式系统和云计算其中的一种底层硬件或平台实现。

6.根据权利要求1所述的一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统的管理方法，其特征在于，包括以下步骤： S1，在安全环境中，对阵列天线雷达AAR放号，将ID和密钥分别登记于阵列天线雷达AAR和位置分析系统LAS中，位置分析系统LAS与告警信息平台AIP基于安全链路连接，位置分析系统LAS为全部阵列天线雷达AAR的上报信息进行解密； S2，阵列天线雷达AAR设备与位置分析系统LAS基于登录协议互认； S3，阵列天线雷达AAR无论是否探测到动作，负责通讯的主控板，总是定时发出状态通过动作汇报协议ARP定时提交的上报消息； S4，位置分析系统LAS先基于消息的ID/及密钥解密，再分析阵列天线雷达AAR的消息合法性，如果非法则丢弃，如果合法，则基于规则评估,确认是否产生告警，位置分析系统LAS对所有收到的合法消息回确认消息，并提供自身的消息序号和时间戳；S5，阵列天线雷达AAR上报出现异常时，按照阵列天线雷达AAR丢失，阵列天线雷达AAR未训练，进行提示，位置分析系统LAS产生特殊的系统配置告警，需要安排现场技术人员做维修或训练； S6，如果阵列天线雷达AAR和位置分析系统LAS均正常，则双方在消息解密后，均能从其中解出消息校验和，由此判断消息的合法性，消息格式为动作汇报协议ARP； S7，生产人员，按照阵列天线雷达AAR的放号ID，在阵列天线雷达AAR的显目位置喷涂或打印输出ID，使其与内部放号的ID保持一致，以方便运维人员定期的核查各个阵列天线雷达AAR的自身状态。

7.根据权利要求6所述的一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统的管理方法，其特征在于：所述步骤S2中的互认协议包括ID和基于ID的密钥进行的加密，以及预定义参数。

8.根据权利要求6所述的一种夜间监护用阵列天线雷达和阈值训练及规则评估系统的管理方法，其特征在于：所述步骤S3中通过动作汇报协议ARP定时上报消息进行加密，序号和时间戳且均为单调递增。