CN113359084A - 一种卡口人员进出检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能感知与信息处理领域，具体提供一种卡口人员进出检测装置及方法，用以解决现有技术的检测系统环境适应性较差、无法准确高效检测卡口区域携卡密集人群进出位置、定位标签续航能力不够等问题。本发明所述检测装置包括：待定位标签、环境感知标签、参考标签、基站和低频发射天线；所述检测方法分为离线阶段和定位阶段，离线阶段构建环境修正指纹库，定位阶段引入环境修正指纹库进行环境误差修正。综上，本发明能够极大消除了卡口金属门开合状态对待定位标签的定位干扰，提高了检测系统的环境适应性，并且准确无感检测密集人群进出卡口位置情况。

Description

一种卡口人员进出检测装置及方法

技术领域

本发明属于智能感知与信息处理领域，具体为一种基于低频感应技术的卡口人员精确进出检测装置及方法。

背景技术

随着经济和科技的发展，人们追求更加智能化的生活方式，在高档小区中，业主希望引进智能化门禁系统提高小区的安全防护能力、提供良好的出入体验以及降低物业的管理成本；楼宇卡口作为业主进出小区、家门的必经之路，其人员进出卡口信息对于门禁系统的管理尤为重要。目前应用于智能门禁系统的进出检测技术有以下几种，非接触IC卡刷卡、人脸识别和UWB定位；以上检测技术各有优缺点，均无法对人员进行高效、准确以及带卡长续航的无感进出检测。

随着低频感应技术在门禁领域的飞速发展，感应式门禁应运而生，能够对高档小区人们进行比较安全、方便、快捷卡口进出检测和管理；现有基于低频感应的进出检测装置仍然存在检测准确率不够、安装复杂以及容易破坏原有建筑的美观等问题。目前应用于卡口区域对携卡人员的进出检测常用的低频定位算法主要包括：基于阈值的RSSI定位、基于RSSI测距的三角加权质心定位和基于RSSI测距的极大似然估计定位算法。由于受到金属门不同开合角度电磁干扰和室内复杂卡口环境因素的影响，标签卡的测距误差很大，其中，基于RSSI测距定位算法存在定位精度不高、复杂度较高以及稳定性差等问题，而基于阈值的RSSI定位存在无法对卡口中间区域携卡人员进出位置进行区分问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的检测系统环境适应性较差、无法准确高效检测卡口区域密集携卡人群进出位置、定位标签续航能力不够等问题，提供了一种基于低频感应技术的卡口人员精确进出检测装置及方法；本发明通过在卡口低频可感应范围内的固定位置部署环境感知标签，极大消除了卡口金属门开合状态对待定位标签的定位干扰，提高了检测系统的环境适应性，能够准确无感检测密集人群进出卡口位置情况；此外，半有源电子标签的设计降低了功耗，提高了续航能力，大大提升了用户的体验。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种卡口人员进出检测装置，包括：待定位标签、环境感知标签、参考标签、基站和低频发射天线，其中，所述低频发射天线与基站电气连接，所述待定位标签、环境感知标签以及参考标签与基站射频通信连接；其特征在于，

所述基站用于产生带有身份信息的低频唤醒信号和四路感应信号，接收环境感知标签与待定位标签测得的定位信息(标签ID、RSSI数据等)，并根据接收到的定位信息计算待定位标签的相对位置，提供人员进出状态输出接口；

所述低频发射天线包括：1根主天线和3根辅助天线，所述主天线用于发送基站产生的低频唤醒信号以及一路感应信号，所述辅助天线用于发送基站产生的其他三路感应信号；

所述待定位标签用于接收低频唤醒信号、验证所述基站的身份信息，接收感应信号、测得低频发射天线的RSSI值信息，并将身份信息与RSSI值信息上传至基站；

所述环境感知标签与参考标签用于接收感应信号，测得低频发射天线的RSSI值信息，并将其上传至基站。

进一步的，所述基站包括：微处理模块、低频发射模块、高频接收模块和高频接收天线、以太网模块与电源模块；其中，电源模块与微处理模块、低频发射模块、高频接收模块连接，用于供电；所述微处理模块与低频发射模块、高频接收模块、以太网模块连接，用于控制所述低频发射模块产生低频唤醒信号和低频感应信号驱动低频发射天线、处理高频接收模块接收的定位信息、以及计算待定位标签的位置信息；所述低频发射模块用于驱动低频发射天线产生低频信号场；所述高频接收模块与所述高频接收天线板载电路连接，用于接收标签上传的定位信息；所述以太网模块用于作为人员进出状态的对外输出接口。

进一步的，所述待定位标签、环境感知标签、参考标签结构相同，包括：中央控制模块、低频接收模块、高频发射模块、低频接收天线、高频发送天线和微型电池；其中，微型电池与中央控制模块、低频接收模块、高频发射模块连接，用于供电；中央控制模块与低频接收模块、高频发射模块连接，用于核验低频接收模块接收到的基站身份认证信息、将低频接收模块测量的低频感应信号RSSI值以及自身存储的标签ID信息通过高频发射模块上传至基站；所述低频接收模块与低频接收天线板载电路连接，用于解调解码低频唤醒信号和测量感应信号场强并将信息传递至中央控制模块；所述高频发射模块用于上传定位信息；所述标签的工作方式为半有源式，仅工作在所述主天线产生低频唤醒区域，位于其他区域的标签处于休眠模式。

进一步的，所述待定位标签为人员随身携带；所述环境感知标签设置于卡口门开合侧，其离地高度为卡口高度的1/5～4/5之间；所述参考标签布置于参考点处，其离地高度为卡口高度的1/4～3/4之间。

进一步的，所述低频发射天线中主天线与辅助天线分别布置在卡口区域的四角、且离地高度需在同一水平面，所述离地高度为卡口高度的1/5～4/5之间；即将卡口俯视图视为矩形，即所述发射天线位于卡口俯视图的矩形四个直角处。

进一步的，所述低频发射天线包括：双绞线与扁平磁棒天线，所述磁棒天线通过双绞线与基站的低频发射模块连接；所示低频接收天线包括三轴电感和相应的谐振电阻以及电容；所述磁棒天性主要用辐射所述基站低频发射模块输出的低频载波信号。

基于上述卡口人员进出检测装置，本发明还提供一种卡口人员进出检测方法，包括：离线阶段与定位阶段：其特征在于，

所述离线阶段包括以下步骤：

步骤1-1.数据采集；

以卡口的中间区域的中心为坐标原点，在卡口的精定位有效检测区域内划分l个栅格区域、并将每个栅格区域的中心点作为参考点s_i＝(x_i,y_i)、i＝1,2,3,…,l，采集所有参考点与低频发射天线的二维物理坐标；

设卡口门开合角度等分为n个角度，则环境感知标签到低频发射天线中主天线的RSSI距离测量值为：

d_a＝[d_a,1 d_a,2 … d_a,n]^T

其中，d_a,j为金属门第j个角度下环境感知标签到主天线的RSSI距离测量值，j＝1,2,...,n；

针对每一个参考点s_i，将参考标签置于参考点处，采集参考标签到四个低频发射天线的RSSI距离测量值矩阵为：

其中，

为参考标签在参考点s_i上且金属门在第j个角度下时、参考标签到第m个低频发射源的RSSI距离测量值，m＝1,2,3,4；

步骤1-2.拟合处理；

针对每一个参考点s_i，分别得到环境感知标签与参考标签到m号低频发射天线的RSSI距离测量值数据集

使用最小二乘的最佳拟合次数多项式进行拟合得到四个低频发射天线的拟合曲线分别为f_i,1(x),f_i,2(x),f_i,3(x),f_i,4(x)：

其中，

为m号低频发射天线的最小二乘最佳拟合参数的k次项系数，x为环境感知标签到主天线RSSI距离测量值；

步骤1-3.构建环境修正指纹数据库；

针对每一个参考点s_i，构建指纹为：

测量参考点s_i到四个低频发射天线的真实距离值为：

那么，

表示参考标签到m号低频发射天线的真实距离值；

则得到每个参考位置点s_i的环境修正指纹数据：

进而构建得到环境修正指纹数据库；

所述定位阶段包括以下步骤：

步骤2-1.有效检测区域判别；

根据待定位标签卡到一号至四号低频发射天线的RSSI距离测量值d₁、d₂、d₃、d₄判定待定位标签卡的所属区域：

设定判别条件1：d₁≤D₂，或d₂≤D₂，或d₃≤D₂，或d₄≤D₂；判别条件2：d₁≤D₁，且d₂≤D₁、d₃≤D₁、d₄≤D₁；

若满足判别条件1且不满足判别条件2，则判定待定位标签卡位于粗定位有效检测区域，执行步骤2-2；

若满足判别条件1且满足判别条件2，则判定待定位标签卡位于精定位有效检测区域，执行步骤2-3；

步骤2-2.粗定位有效检测区域内卡口人员定位：采用四点定位算法对待定位标签卡进行定位判别；

步骤2-3.精定位有效检测区域内卡口人员定位；

步骤2-3-1.第一次卡口人员定位；

选择栅格区域的中心栅格的中心点s₁＝(0,0)作为第一次参考点进行误差修正并定位：

根据环境感知标签到主天线的RSSI距离测量值d_a与环境修正指纹数据库中参考点的指纹，计算得到参考点到低频发射天线的距离测量值为：

d_{r_m}＝[f_1,1(d_a) f_1,2(d_a) f_1,3(d_a) f_1,4(d_a)]^T

进而得到误差修正后待定位标签到低频发射天线的RSSI距离测量值矩阵：

d＝[d₁ d₂ d₃ d₄]^T＝d_m+d_R-d_{r_m}

其中，d_m为待定位标签到低频发射天线的RSSI距离测量值，d_R为参考标签到低频发射天线的真实距离值；

采用极大似然估计算法求得待定位标签的坐标X；

步骤2-3-2.搜寻与坐标X欧氏距离

最小的参考点s_i作为第二次参考点，采用与步骤1相同的误差修正与定位过程，得到待定位标签精确位置坐标。

进一步的，所述步骤2-3中，还包括：根据待定位标签精确位置坐标进一步判定待定位标签所处区域：

当-a≤x≤a且-b≤y≤b时，判定待定位标签在卡口中间区域；否则，进一步判定：

当x≥0时、判定待定位标签在卡口外侧，否则、判定待定位标签在卡口内侧；

其中，a、b分别表示卡口中间检测区域所构成矩形的1/2长和1/2宽。

进一步的，所述步骤2-3中，极大似然估计算法的具体求解过程为：

X＝(AA^T)^-1AB

其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、(x₄,y₄)分别表示一号至四号低频发射天线的物理坐标。

进一步的，所述步骤2-2中，四点定位算法的具体过程为：根据待定位标签到一号至四号低频发射天线的RSSI值：RSSI_1、RSSI_2、RSSI_3、RSSI_4，对待定位标签进行定位：

当RSSI_1≥RSSI_2且RSSI_3≥RSSI_4，判定待定位标签在卡口外侧；

当RSSI_1≥RSSI_2且RSSI_3<RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3≥RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口外侧；

当RSSI_1≥RSSI_2且RSSI_3<RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3<RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口内侧；

当RSSI_1<RSSI_2且RSSI_3<RSSI_4，判定待定位标签在卡口内侧；

当RSSI_1<RSSI_2且RSSI_3≥RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3≥RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口外侧；

当RSSI_1<RSSI_2且RSSI_3≥RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3<RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口内侧。

进一步的，所述步骤2-1中，精定位有效检测区域的距离阈值D₁与粗定位有效检测区域距离阈值D₂满足如下条件：

其中，a＝A/2、A为卡口区域的长度，b＝B/2、B为卡口区域的宽度，D_{max_error}为先验已知标签到低频发射天线的最大RSSI测距误差值，D_max为标签卡的唤醒距离阈值。

本发明的有益效果在于：

1.携带待定位标签的人员无需主动出示，本发明系统能够准确判断出待定位标签在卡口区域内的准确位置，为门禁系统提供携带标签人员的动态位置信息进行无感进出控制，或者进行人员的进出记录。

2.本发明采用了低频感应技术，利用了人体对低频感应场的影响很小的特点，因此能够对密集进出的人群进行准确记录。

3.本发明采用环境感知标签对金属门的开合状态进行感知，在定位时能够对环境变化进行补偿，从而提高了系统在实际应用中的环境适应性。

4、本发明采用半有源电子标签和低频唤醒器结合的方式，有效解决了有源标签能耗高，大幅提升待定位标签的续航能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的室内门形卡口区域人员进出检测装置安装位置示意图。

图2为本发明实施例中的室外闸机卡口区域人员进出检测装置安装位置示意图。

图3为本发明实施例中的标签结构示意图。

图4为本发明实施例中的基站结构示意图。

图5为本发明实施例中人员定位检测方法流程示意图。

图6为本发明实施例中离线阶段的参考标签位置示意图。

图7为本发明实施例中离线阶段的环境修正指纹数据库的构建流程示意图。

图8为本发明实施例中定位阶段的定位方法流程示意图。

图9为本发明实施例中卡口有效区域的划分示意图。

图10为本发明实施例中距离阈值计算坐标示意图。

图11为本发明实施例中四点定位方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创造性特征、达成目的与有益效果易于明白了解，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细阐述。

本实施例充分考虑卡口人员进出时的环境因素带来的金属干扰，提供一种基于低频感应技术(LF)的卡口人员精确进出检测装置及方法；所述装置通过在卡口设置4个具有低频发射源的节点，人员携带可接收低频信号的待定位标签测量RSSI值并回传定位信息至基站，基站通过内置的算法处理定位信息获得人员的位置信息；这一过程的实现不仅能够在卡口外的粗定位区域实现人员的进出检测，还能够在金属环境复杂的卡口区域实现人员的精确定位。

本实施例中基于低频感应技术(LF)的卡口人员精确进出检测装置的硬件安装如图1、图2所示；

如图1所示为一种室内门形卡口区域基于LF的卡口人员精确进出检测装置的硬件安装位置，包括：人员随身携带的待定位标签1、环境感知标签2、四根安装在卡口的低频发射天线(31、32、33、34)以及基站4；环境感知标签2安装在卡口门开合处右上方处，所有天线在同一水平面安装，一号天线31和三号天线33分别安装在卡口外部右侧和左侧，二号32和四号天线34分别安装在卡口内部右侧和左侧，基站4安装在卡口附近处的墙壁上；参考标签5为离线阶段使用标签，在后续有位置展示。如图2所示为一种室外闸机卡口区域基于LF的卡口人员精确进出检测装置的硬件安装位置，相对安装位置类似图1描述，并且在本发明的具体实施方式的后续内容中，后续皆以图1所示实施例为本发明的实施对象。

进一步的，如图3所示为标签的结构示意图，其中，待定位标签1与环境感知标签2以及参考标签5完全相同，皆为半有源标签、仅工作在所述主天线产生低频唤醒区域(位于其他区域的标签处于休眠模式)；标签由中央控制模块11、高频发射模块12、低频接收模块13、标签电源管理模块14(微型电池)、高频发射天线15、低频接收天线16组成；中央控制模块11用于核验所述低频接收模块13接收到的基站身份认证信息，将低频接收模块13测量的低频感应信号RSSI值以及自身存储的标签ID等信息通过高频发射模块12上传至基站4；低频接收模块13与低频接收天线16板载电路连接，主要用于解调解码低频唤醒信号和低频感应信号场强并将信息传递至中央控制模块11；所述高频发射模块12主要用于回传所述定位信息。本实施例中，为了防止标签卡姿态引起RSSI值测量的变化，标签采用了3D接收天线作为低频接收天线。

如图4所示为基站与低频发射天线的结构示意图，由微处理模块41、高频接收模块42、低频发射模块43、基站电源管理模块44、以太网模块45、高频接收天线46、低频发射天线(31、32、33、34)组成；微处理模块41分别与高频接收模块42、低频发射模块43和以太网模块45连接，主要用于控制低频发射模块43产生低频唤醒信号和低频感应信号驱动四根低频发射天线(31、32、33、34)、处理高频接收模块42传递的定位信息、以及利用卡口人员精确定位算法解算待定位标签1的进出状态的位置信息；低频发射模块43主要用于驱动所述天线产生低频信号场；高频接收模块42与高频接收天线46板载电路连接，主要用于接收待定位标签1与环境感知标签2回传的定位信息；以太网模块45主要用于人员进出状态的对外输出接口；本实施例中，低频发射天线(31、32、33、34)均为125KHz的低频发射天线，天线材料选用生成磁场均匀的扁平磁棒天线。

基于上述低频感应技术(LF)的卡口人员精确进出检测装置，本实施例还提供一种卡口人员精确进出检测方法，其流程如图5所示，包括：离线阶段和定位阶段；离线阶段根据卡口区域金属门不同开合角度的环境，利用环境感知标签与所述天线RSSI距离测量值以及卡口区域内各个栅格区域中心的参考标签与所述天线的RSSI距离测量值拟合得到二者间的最优拟合系数矩阵；所述最优拟合系数矩阵结合参考标签与所述天线的真实距离值即可构建一个环境修正指纹库。定位阶段利用区域划分策略判定待定位标签卡所在区域并选择对应的定位算法；若待定位标签在粗定位区域，则直接计算出待定位标签的区域位置；若待定位标签在精定位区域，则结合当前环境下环境感知标签的RSSI距离测量值作为环境修正指纹库的输入参数，提取待定位标签的环境误差修正值，以计算待定位标签的位置坐标。更为具体的讲：

离线阶段：

在定位阶段中，参考标签并不真实存在，并且在金属门的强烈干扰下，门的开合角度的不同，参考标签到低频发射天线的距离测量值d_{r_m}也变得不同，因此需要在定位阶段前，需要通过离线阶段得到d_{r_m}与开合角度的关系。由于离金属越近其接收端RSSI距离测量值越大，完全非视距情况下同位置接收端RSSI距离测量值最大，门框开合处的右上方墙壁处的环境感知标签可测出不同金属门开合角度下环境感知标签到离其较远的3或4号天线RSSI距离测量值唯一关系曲线；为减少映射次数，可以间接得到不同金属门开合角度环境感知标签RSSI距离测量值与参考标签RSSI距离测量值的拟合曲线。

本实施例中，选取离环境感知标签最远的4号天线作为主天线；参考标签置于移动三角支架上中心，支架的离地高度可选在门高度1/4～3/4处，优选1/2附近，环境感知标签优选安装在门框开合处的右上方门高度的3/4处，如图6所示。

下述为离线阶段的离线指纹库的建立过程，如图7所示，具体包括以下步骤：

步骤1.环境感知标签与参考标签收集并上传金属门的不同开合角度下的RSSI距离测量值以及参考标签真实距离值d_r；

在卡口中间的定位栅格区域内设置有个l参考位置点、4个低频发射源，采集它们的二维物理坐标位置，所有参考点位置集合为：S＝{s₁,s₂,…s_l}，其中s_i＝(x_i,y_i)为第i个参考点的位置坐标(i＝1,2,3,…,l)；

设卡口门开合角度为0～α度，则金属门从关闭开始按一定角度间隔逐一打开，其角度分为n个，环境感知标签到主天线的RSSI距离测量值为：

d_a＝[d_a,1 d_a,2 … d_a,n]^T

其中，d_a,j为金属门第j个角度((j-1)*α/n)下环境感知标签到主天线的RSSI距离测量值；

与d_a,j一一对应在每个参考点s_i上可采集得到参考标签到四个低频发射天线的RSSI距离测量值矩阵为：

其中，

为参考标签在参考点s_i上且金属门在第j个角度下时、参考标签到第m个低频发射源的RSSI距离测量值，m＝1,2,3,4；

这里需要注意的是，由于外界环境的变化、其他电磁干扰等因素会使得标签测量到的距离值发生波动，因此在数据采集阶段，采用多次采样的方法，通过多次测量取平均值进行数据的记录；

步骤2.基站根据最小二乘法拟合出金属门不同开合角度下环境感知标签与参考标签的多项式系数FP；

针对于金属门的不同的开合角度，对于每个参考点s_i，分别得到环境感知标签与参考标签到每根低频发射源m的RSSI距离测量值数据集

对于每个参考点s_i，使用最小二乘的最佳拟合次数多项式进行拟合得到四个低频发射源的拟合曲线，即为环境感知标签RSSI距离测量值与参考标签的RSSI距离测量值的拟合曲线，分别为f_i,1(x),f_i,2(x),f_i,3(x),f_i,4(x)；具体公式如下：

其中，

为针对参考点s_i的第m个低频发射源的最小二乘最佳拟合参数的k次项系数，x为环境感知标签到主天线RSSI距离测量值；

步骤3.将不同参考点的环境指纹信息CFDB存储在基站的环境修正指纹数据库中；

对于l个参考位置点，可以获得l组的4个低频发射源的拟合参数向量，那么在每个参考点s_i可以采集唯一FP为：

其中，FPⁱ表示第i个参考点位置的指纹，而每个指纹对应的第i个参考标签的真实测距值为：

那么，

表示第i个参考标签到第m个低频发射源的真实测距值，所述真实测距值由测距仪获取；

则每个参考位置点s_i的环境修正指纹数据(Correction Fingerprint Database，CFDB)表述为：

则建立了一个环境修正指纹数据库。

需要说明的是：参考点的栅格区域位于卡口精定位有效检测区域，且优选为四个低频发射天线围合的卡口中间区域，由于金属门不同开合角度的电磁干扰卡口环境和室内复杂环境素的影响，栅格的密度越大越好。

定位阶段：

如图8所示为定位阶段的流程示意图，主要为：对待定位标签所述有效检测区域进行粗定位有效检测区域与精定位有效检测区域的判别，当判定待定位标签位于粗定位有效检测区域时、采用四点定位算法对待定位标签进行定位，当判定待定位标签位于精定位有效检测区域时、采用极大似然估计定位算法对待定位标签进行精确定位。更为具体讲：

粗定位有效检测区域与精定位有效检测区域的划分：

如图9所示为本实施例中有效检测区域(唤醒区域)的划分示意图，待定位标签只有在有效检测区域内才能够实现进出状态检测和更新，根据低频发射天线的安装位置、预设的粗定位有效检测区域距离阈值D₂与精定位有效检测区域距离阈值D₁将有效检测区域分为卡口粗定位有效检测区域和卡口精定位有效检测区域，卡口粗定位区域又分为卡口内侧和卡口外侧粗定位有效检测区域，卡口精定位有效检测区域又分为卡口内侧、卡口外侧和卡口中间精定位有效检测区域；划分策略如下：

设定判定条件1：d₁≤D₂，或d₂≤D₂，或d₃≤D₂，或d₄≤D₂；以及判定条件2：d₁≤D₁，且d₂≤D₁、d₃≤D₁、d₄≤D₁；其中，d₁、d₂、d₃、d₄分别表示位于任一位置的标签卡分别到一号至四号低频发射天线的RSSI距离测量值；

若不满足判定条件1的区域为无效检测区域、不在本发明的讨论范围内；满足判别条件1且不满足判别条件2的区域为粗定位有效检测区；满足判别条件1且满足判别条件2的区域为精定位有效检测区；

具体如下：

如图10所示为距离阈值的计算坐标图，设卡口中间区域中心的二维位置坐标为(0,0)，需要说明的是：此处仅讨论的是X轴与Y轴；本实施例中，卡口区域门的尺寸为100×25×200(cm)，根据基站各低频发射天线(31、32、33、34)的实际安装位置，得到a＝50cm、b＝12.5cm；本发明低频天线合适安装高度h_bs为门高度h_door的1/5～4/5处，且优选在1/2附近，即h_bs＝100cm，利用测距仪可以分别得到一至四号低频发射天线(31、32、33、34)的二维位置坐标依次(12.5,50)、(-12.5,50)、(12.5,-50)、(-12.5,-50)，若要保证待定位标签在卡口中间区域不漏判，其精定位有效检测区域的距离阀值D₁的理想值为

再加入标签卡距离各低频天线最大RSSI测距误差的的绝对值D_{max_error}后，本实施例中D_{max_error}为20cm，此时得到的优化后的精定位有效检测区域的距离阀值D₁为

因此，本实施例取D₁＝150cm；而粗定位有效检测区域的距离阈值D₂的大小为标签卡内部芯片的唤醒阈值对应的距离，本实施例中取D₂＝200cm。

粗定位有效检测区域的携卡人员定位：

当待定位标签位于卡口的粗定位有效检测区域(外侧与内侧)时，基站自动选择基于RSSI的四点卡口人员定位算法对卡口人员进行定位，其流程如图11所示；四点定位充分利用低频近场区的稳定衰减的置信区间，无惧人员遮挡，有效提高人员进出检测准确率；所述四点定位算法具体如下：待定位标签感应一至四号低频发射天线得到的RSSI值分别为：RSSI_1、RSSI_2、RSSI_3、RSSI_4，分别对应有六种状态，基站通过计算比较大小可以直接判断出人员的具体区域，定位策略如下：

当RSSI_1≥RSSI_2且RSSI_3≥RSSI_4，判定待定位标签在卡口外侧；

当RSSI_1≥RSSI_2且RSSI_3<RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3≥RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口外侧；

当RSSI_1≥RSSI_2且RSSI_3<RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3<RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口内侧；

当RSSI_1<RSSI_2且RSSI_3<RSSI_4，判定待定位标签在卡口内侧；

当RSSI_1<RSSI_2且RSSI_3≥RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3≥RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口外侧；

当RSSI_1<RSSI_2且RSSI_3≥RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3<RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口内侧。

精定位有效检测区域的携卡人员定位：

当待定位标签卡位于开口的精定位有效检测区域(外侧与内侧)时，基站自动选择基于RSSI的极大似然估计定位算法对卡口人员进行定位；

在精定位有效检测区域的定位阶段可以发现测量值存在误差，由于金属门不同开合角度的随机干扰与复杂的室内环境无法准确计算出测量值本身误差，而待定位标签卡与低频发射天线的距离测量值可以表示为距离真实值与距离误差值之和：

d_m＝d+d_Δm

其中，d_m为待定位标签卡到低频发射天线的距离测量值，d为待定位标签卡到低频发射天线的距离真实值，d_Δm待定位标签卡到低频发射天线的距离误差值；

显然，d_m已知，需要得到d_Δm才能得到d，由于d_Δm无法通过常规手段求出，但可以根据局部场强测量误差干扰一致性，在卡口中间区域选择参考位置点，能够极大的消除卡口中间参考点邻近区域的测量误差，参考点的位置选择为卡口中间区域的中心位置，离线阶段在此位置放置参考标签；随着门的开合角度的不同，参考标签与低频发射天线的距离矩阵的测量值也随之不同，其值为：

d_{r_m}＝d_R+d_{r_Δm}

其中，d_{r_m}为离线阶段卡口区域的参考标签到低频发射天线的距离测量值，d_R为离线阶段卡口区域的参考标签到低频发射天线的距离真实值，d_{r_Δm}为卡口区域的参考标签到低频发射天线的距离测量误差值；

根据局部场强测量误差干扰一致性，定位阶段精定位区待测标签卡RSSI测量误差值与卡口区域的离线阶段参考标签测量误差值基本一致，则得到：

d_Δm≈d_{r_Δm}＝d_{r_m}-d_R

即d_{r_Δm}可作为定位阶段待定位标签的误差修正值；

而离线阶段d_R为已知的；d_{r_m}可利用环境感知标签当前的RSSI距离测量值d_a作为环境修正指纹库的输入，提取待定位标签最邻近栅格区域的对应参考标签的环境修正指纹库的多项式系数，利用最小二乘多项式可求得：

d_{r_m}＝[d_r,1 d_r,2 d_r,3 d_r,4]^T＝[f₁(d_a) f₂(d_a) f₃(d_a) f₄(d_a)]^T

此时，可得到修正后待定位标签与低频发射天线的距离真实值为：

d＝d_m+d_R-d_{r_m}

即完成了精定位区域待定位标签测量误差修正；

在得到上述修正后待定位标签与低频发射天线的距离真实值后，采用极大似然估计定位算法进行开口人员定位，极大似然估计定位算法的原理如下：

假设实际定位环境中预设了N个低频信号源(N＞3)，已知各信号源的物理二维坐标位置分别为(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_N,y_N)；假设待定位目标位置为(x,y)，并且通过测量得到待定位标签到各信号源的RSSI距离测量值分别为d₁,d₂,…,d_N；则可得方程组：

因为上述方程组为非线性方程组，不易求解，多以将其转化为AX＝B求解,化简后的A,B及方程组的解X如下：

用最小二乘法进行求解得到X＝(AA^T)^-1AB，即为待定位标签的位置，该方法期望所得估计X，可使观测值B与其相应的估计值AX之间的误差平方和达到最小，从而可计算得到携卡人员具体位置信息。

进一步的，在上述定位过程中，待定位标签最邻近栅格区域(参考标签)的选取也最终影响着定位准确性，因此，本发明采用二次修正法确定待定位标签最邻近栅格区域(参考标签)，即提高定位的精度；具体过程如下：

步骤1.选择栅格区域的中心栅格的中心点s₁＝(0,0)作为第一次参考点进行定位；所述定位的具体过程为：

从环境修正指纹库中调用参考点的指纹信息FP¹；同时，以环境感知标签当前的RSSI距离测量值d_a作为环境修正指纹库的输入，得到参考点s₁到低频发射天线的距离测量值：

d_{r_m}＝[f_1,1(d_a) f_1,2(d_a) f_1,3(d_a) f_1,4(d_a)]^T

进而得到第一次修改后待定位标签与低频发射天线的距离矩阵：

d＝[d₁ d₂ d₃ d₄]^T＝d_m+d_R-d_{r_m}

此时，低频发射天线的坐标为(x₁＝12.5,y₁＝50)、(x₂＝-12.5,y₂＝50)、(x₃＝12.5,y₃＝-50)、(x₄＝-12.5,y₄＝-50)，使用极大似然估计法可求得待定位标签卡坐标(x,y)：

将其转化为AX＝B求解；化简后的A,B及方程组的解X如下：

得到待定位标签卡的第一次修正坐标X＝(AA^T)^-1AB；

步骤2.搜寻到X欧氏距离

最小的参考点s_i作为第二次参考点，重复步骤1中的定位过程，得到待定位标签(携卡人员)的精确位置坐标(x,y)，单位cm；

并根据精确位置坐标(x,y)进一步判定待定位标签(携卡人员)所处的区域：

当-50≤x≤50且-12.5≤y≤12.5，判定待定位标签在卡口中间区域；否则，进一步判定：

当x≥0，判定待定位标签在卡口外侧，当x<0，判定待定位标签在卡口内侧。

通过上述技术方案，本发明对卡口人员的进出进行了检测和定位，有效地解决了在精定位区域金属干扰导致的无法检测的问题，预防了漏检与错检的情况的发生，提高了小区的安全防护能力，提供了良好的出入体验以及降低物业的管理成本提高卡口的管理水平，保证了卡口的安全运行。此外，本发明设计的定位装置和方法为现有的卡口检测装置和方法提供了技术创新，也为未来的智能小区门禁系统的应用打下了研究基础。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (10)

1.一种卡口人员进出检测装置，包括：待定位标签、环境感知标签、参考标签、基站和低频发射天线，其中，所述低频发射天线与基站电气连接，所述待定位标签、环境感知标签以及参考标签与基站射频通信连接；其特征在于，

所述基站用于产生带有身份信息的低频唤醒信号和四路感应信号，接收环境感知标签与待定位标签测得的定位信息，并根据接收到的定位信息计算待定位标签的相对位置，提供人员进出状态输出接口；

所述低频发射天线包括：1根主天线和3根辅助天线，所述主天线用于发送基站产生的低频唤醒信号以及一路感应信号，所述辅助天线用于发送基站产生的其他三路感应信号；

所述待定位标签用于接收低频唤醒信号、验证所述基站的身份信息，接收感应信号、测得低频发射天线的RSSI值信息，并将身份信息与RSSI值信息上传至基站

所述环境感知标签与参考标签用于接收感应信号，测得低频发射天线的RSSI值信息，并将其上传至基站。

2.按权利要求1所述卡口人员进出检测装置，其特征在于，所述基站包括：微处理模块、低频发射模块、高频接收模块和高频接收天线、以太网模块与电源模块；其中，电源模块与微处理模块、低频发射模块、高频接收模块连接，用于供电；所述微处理模块与低频发射模块、高频接收模块、以太网模块连接，用于控制所述低频发射模块产生低频唤醒信号和低频感应信号驱动低频发射天线、处理高频接收模块接收的定位信息、以及计算待定位标签的位置信息；所述低频发射模块用于驱动低频发射天线产生低频信号场；所述高频接收模块与所述高频接收天线板载电路连接，用于接收标签上传的定位信息；所述以太网模块用于作为人员进出状态的对外输出接口。

3.按权利要求1所述卡口人员进出检测装置，其特征在于，所述待定位标签、环境感知标签、参考标签结构相同，包括：中央控制模块、低频接收模块、高频发射模块、低频接收天线、高频发送天线和微型电池；其中，微型电池与中央控制模块、低频接收模块、高频发射模块连接，用于供电；中央控制模块与低频接收模块、高频发射模块连接，用于核验低频接收模块接收到的基站身份认证信息、将低频接收模块测量的低频感应信号RSSI值以及自身存储的标签ID信息通过高频发射模块上传至基站；所述低频接收模块与低频接收天线板载电路连接，用于解调解码低频唤醒信号和测量感应信号场强并将信息传递至中央控制模块；所述高频发射模块用于上传定位信息。

4.按权利要求1所述卡口人员进出检测装置，其特征在于，所述待定位标签为人员随身携带；所述环境感知标签设置于卡口门开合侧，其离地高度为卡口高度的1/5～4/5之间；所述参考标签布置于参考点处，其离地高度为卡口高度的1/4～3/4之间。

5.按权利要求1所述卡口人员进出检测装置，其特征在于，所述低频发射天线中主天线与辅助天线分别布置在卡口区域的四角、且离地高度在同一水平面，所述离地高度为卡口高度的1/5～4/5之间。

6.一种卡口人员进出检测方法，包括：离线阶段与定位阶段：其特征在于，

所述离线阶段包括以下步骤：

步骤1-1.数据采集；

以卡口的中间区域的中心为坐标原点，在卡口的精定位有效检测区域内划分l个栅格区域、并将每个栅格区域的中心点作为参考点s_i＝(x_i,y_i)、i＝1,2,3,...,l，采集所有参考点与低频发射天线的二维物理坐标；

设卡口门开合角度等分为n个角度，则环境感知标签到低频发射天线中主天线的的RSSI距离测量值为：

d_a＝[d_a,1 d_a,2 … d_a,n]^T

其中，d_a,j为金属门第j个角度下环境感知标签到主天线的RSSI距离测量值，j＝1,2,...,n；

针对每一个参考点s_i，将参考标签置于参考点处，采集参考标签到四个低频发射天线的RSSI距离测量值矩阵为：

其中，

为参考标签在参考点s_i上且金属门在第j个角度下时、参考标签到第m个低频发射源的RSSI距离测量值，m＝1,2,3,4；

步骤1-2.拟合处理；

针对每一个参考点s_i，分别得到环境感知标签与参考标签到m号低频发射天线的RSSI距离测量值数据集

使用最小二乘的最佳拟合次数多项式进行拟合得到四个低频发射天线的拟合曲线分别为f_i,1(x),f_i,2(x),f_i,3(x),f_i,4(x)：

其中，

为m号低频发射天线的最小二乘最佳拟合参数的k次项系数，x为环境感知标签到主天线RSSI距离测量值；

步骤1-3.构建环境修正指纹数据库；

针对每一个参考点s_i，构建指纹为：

测量参考点s_i到四个低频发射天线的真实距离值为：

那么，

表示参考标签到m号低频发射天线的真实距离值；

则得到每个参考位置点s_i的环境修正指纹数据：

进而构建得到环境修正指纹数据库；

所述定位阶段包括以下步骤：

步骤2-1.有效检测区域判别；

根据待定位标签卡到一号至四号低频发射天线的RSSI距离测量值d₁、d₂、d₃、d₄判定待定位标签卡的所属区域：

设定判别条件1：d₁≤D₂，或d₂≤D₂，或d₃≤D₂，或d₄≤D₂；判别条件2：d₁≤D₁，且d₂≤D₁、d₃≤D₁、d₄≤D₁；

若满足判别条件1且不满足判别条件2，则判定待定位标签卡位于粗定位有效检测区域，执行步骤2-2；

若满足判别条件1且满足判别条件2，则判定待定位标签卡位于精定位有效检测区域，执行步骤2-3；

步骤2-2.粗定位有效检测区域内卡口人员定位：采用四点定位算法对待定位标签卡进行定位判别；

步骤2-3.精定位有效检测区域内卡口人员定位；

步骤2-3-1.第一次卡口人员定位；

选择栅格区域的中心栅格的中心点s₁＝(0,0)作为第一次参考点进行误差修正并定位：

根据环境感知标签到主天线的RSSI距离测量值d_a与环境修正指纹数据库中参考点的指纹，计算得到参考点到低频发射天线的距离测量值为：

d_{r_m}＝[f_1,1(d_a) f_1,2(d_a) f_1,3(d_a) f_1,4(d_a)]^T

进而得到误差修正后待定位标签到低频发射天线的RSSI距离测量值矩阵：

d＝[d₁ d₂ d₃ d₄]^T＝d_m+d_R-d_{r_m}

其中，d_m为待定位标签到低频发射天线的RSSI距离测量值，d_R为参考标签到低频发射天线的真实距离值；

采用极大似然估计算法求得待定位标签的坐标X；

步骤2-3-2.搜寻与坐标X欧氏距离

最小的参考点s_i作为第二次参考点，采用与步骤2-3-1相同的误差修正与定位过程，得到待定位标签精确位置坐标。

7.按权利要求6所述卡口人员进出检测方法，其特征在于，所述步骤2-3中，还包括：根据待定位标签精确位置坐标进一步判定待定位标签所处区域：

当-a≤x≤a且-b≤y≤b时，判定待定位标签在卡口中间区域；否则，进一步判定：

当x≥0时、判定待定位标签在卡口外侧，否则、判定待定位标签在卡口内侧；

其中，a＝A/2、A为卡口中间区域的长度，b＝B/2、B为卡口中间区域的宽度。

8.按权利要求6所述卡口人员进出检测方法，其特征在于，所述步骤2-3中，极大似然估计算法的具体求解过程为：

X＝(AA^T)^-1AB

X＝(x，y)^T

其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、(x₄,y₄)分别表示一号至四号低频发射天线的物理坐标。

9.按权利要求6所述卡口人员进出检测方法，其特征在于，所述步骤2-2中，四点定位算法的具体过程为：根据待定位标签到一号至四号低频发射天线的RSSI值：RSSI_1、RSSI_2、RSSI_3、RSSI_4，对待定位标签进行定位：

当RSSI_1≥RSSI_2且RSSI_3≥RSSI_4，判定待定位标签在卡口外侧；

当RSSI_1≥RSSI_2且RSSI_3<RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3≥RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口外侧；

当RSSI_1≥RSSI_2且RSSI_3<RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3<RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口内侧；

当RSSI_1<RSSI_2且RSSI_3<RSSI_4，判定待定位标签在卡口内侧；

当RSSI_1<RSSI_2且RSSI_3≥RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3≥RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口外侧；

当RSSI_1<RSSI_2且RSSI_3≥RSSI_4，若RSSI_1+RSSI_3<RSSI_2+RSSI_4，判定待定位标签在卡口内侧。

10.按权利要求6所述卡口人员进出检测方法，其特征在于，所述步骤2-1中，精定位有效检测区域的距离阈值D₁与粗定位有效检测区域距离阈值D₂满足如下条件：

D₂＜D_max，D₂＞D₁

其中，a＝A/2、A为卡口区域的长度，b＝B/2、B为卡口区域的宽度，D_{max_error}为先验已知标签到低频发射天线的最大RSSI测距误差值，D_max为标签卡的唤醒距离阈值。

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