TWI770944B

TWI770944B - 應用電波感測之安防控制系統與安防方法

Info

Publication number: TWI770944B
Application number: TW110113767A
Authority: TW
Inventors: 吳思賢; 劉家宏; 王柏學; 王中和; 鄒曜駿
Original assignee: 中華電信股份有限公司
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-07-11
Also published as: TW202243504A

Abstract

一種應用電波感測之安防控制系統與安防方法。方法包含：通過發射和接收電波訊號產生通道狀態資訊；根據通道狀態資訊產生檢測結果集合；自檢測結果集合中取得對應於窗函數的多個檢測結果；根據多個檢測結果的數量產生檢測閾值；響應於多個檢測結果中指示空間遭到入侵的至少一第一檢測結果的第一數量大於檢測閾值而判斷空間遭到入侵；以及響應於空間遭到入侵而輸出告警。

Description

應用電波感測之安防控制系統與安防方法

本發明是有關於一種應用電波感測之安防控制系統與安防方法。

習知技術均以電波感知技術之研發為重點，一系統藉數組Wi-Fi等電波設備在一待測空間中構成無線通訊網路，其中一組為接收器，其他為發射器。當發射器傳送一訊號，經由待測空間傳輸後，由接收器接收並解出通道狀態資訊，意即該待測空間的通道響應。若該待測空間內之物體並未有移動，可預期通道響應趨近於一定值；若該待測空間內有物體移動，例如一入侵者進入該待測空間，並在該待測空間移動時，此時通道響應即會發生變化，該系統則可判斷當下有物體移動，告知使用者發生入侵事件。

綜上所述，現有的入侵感測技術，係在每一次量測的週期取樣並計算當下感測的物體運動數值，若該數值大於使用者設定之靈敏度閾值，則發出告警訊息。因此縮短量測週期，可提升取樣率而減少偵測時間與提升品質。然而，實務上必須進一步結合雲端應用服務設計，方能整合終端應用程式，以提供使用者完整的使用體驗，但大量頻繁回報感測數值至雲端伺服器，會造成伺服器的嚴重負擔，即習知之信令風暴；亦或在該系統佈署量增多時，伺服器亦需不斷擴增，徒增營業成本。

此外，電信業者亦需考量電波感知資料屬使用者個資，若上傳至網際網路上之雲端伺服器，容易有洩露用戶個資的風險，因此電信業者欲發展有關電波感測技術之業務，以滿足消費者智慧安防需求時，亦感窒礙難行。

當電信業者採購或佈建Wi-Fi AP等設備時，會採用數家不同供應商的產品，導致在同樣的場域佈建時，不同供應商的設備之效能表現亦會有明顯差異而導致使用體驗落差，造成電信業者管理困難。

本發明提供一種應用電波感測之安防控制系統與方法，係利用統計訊號處理技術實現一窗函數，能根據電波感測設備之偵測準確率估測所需窗函數大小以及檢測閾值，將電波感測設備高頻回傳之入侵訊息進行統計分析，決定該系統的安防狀態。若安防狀態改變再予回報，因此能有效解決某些電波感測技術偵測準確率不佳的議題，降低誤報與錯失的機率，並且有效降低回傳至電信級維運伺服器的封包量，避免信令風暴。本發明亦能透過電信級維運鏈路的封閉網路特性，避免使用者個資在公眾網際網路流竄，提供使用者更佳的個資保護能力。

本發明的一種應用電波感測之安防控制系統，適用於偵測空間是否遭到入侵。安防控制系統包含電波感測設備、收發器、儲存媒體以及處理器。電波感測設備包含電波發射裝置和電波接收裝置。電波發射裝置發射電波訊號。電波接收裝置接收電波訊號，根據電波訊號產生對應於空間的通道狀態資訊，並且根據通道狀態資訊產生檢測結果集合。處理器耦接電波感測設備以及收發器，其中處理器自檢測結果集合中取得對應於窗函數的多個檢測結果，根據多個檢測結果的數量產生檢測閾值，響應於多個檢測結果中指示空間遭到入侵的至少一第一檢測結果的第一數量大於檢測閾值而判斷空間遭到入侵，並且響應於空間遭到入侵而通過收發器輸出告警。

在本發明的一實施例中，上述的處理器根據電波感測設備的靈敏度計算多個檢測結果的偽陽性樣本的第二數量大於檢測閾值的第一機率，計算多個檢測結果的真陽性樣本的第三數量小於檢測閾值的第二機率，響應於第一機率與第二機率的總和大於預設值而增大窗函數以產生第二窗函數，並且根據第二窗函數判斷空間是否遭到入侵。

在本發明的一實施例中，上述的電波感測設備通過指向型天線發射和接收電波訊號以利用電波訊號以建立空間的電子圍籬。

在本發明的一實施例中，上述的處理器響應於通過收發器接收靜默指令而配置電波感測設備停止電波訊號的傳輸。

在本發明的一實施例中，上述的處理器響應於通過收發器接收靜默指令而停止輸出告警。

在本發明的一實施例中，上述的電波訊號對應於下列通訊協定的至少其中之一：Wi-Fi、行動通信網路、藍牙及ZigBee。

在本發明的一實施例中，上述的安防控制系統包含告警模式和安全模式，其中處理器響應於第一數量大於檢測閾值而將安防控制系統切換為告警模式，並且響應於第一數量小於或等於檢測閾值而將安防控制系統切換為安全模式，其中處理器響應於將安防控制系統自安全模式切換至告警模式而輸出告警。

本發明的一種應用電波感測之安防方法，適用於偵測空間是否遭到入侵，其中安防方法包含：通過發射和接收電波訊號產生對應於空間的通道狀態資訊；根據通道狀態資訊產生檢測結果集合；自檢測結果集合中取得對應於窗函數的多個檢測結果；根據多個檢測結果的數量產生檢測閾值；響應於多個檢測結果中指示空間遭到入侵的至少一第一檢測結果的第一數量大於檢測閾值而判斷空間遭到入侵；以及響應於空間遭到入侵而輸出告警。

本發明之目的即在於提供一種應用電波感測之安防控制系統與方法。如前所述，習知技術均以電波感知技術之研發為重點，利用電波感測設備量測空間的通道響應，若該待測空間內有物體移動，通道響應即會發生變化，該系統則可判斷當下有物體移動，告知使用者發生入侵事件。然而電信業者採購或佈建Wi-Fi AP等設備時，會採用數家不同供應商的產品，導致在同樣的場域佈建時，不同供應商的設備之效能表現，例如判定正確率、回報頻率等亦會有明顯差異而導致使用體驗落差，並造成電信業者管理困難，甚至導致局端設備受信令風暴而故障。因此本發明係使用一統計訊號處理理論研製一系統與方法，加以結合現行網管系統，以克服該議題，讓不同的設備均能提供接近的使用者體驗，並且減輕網管系統等局端設備的負擔。

圖1根據本發明的實施例繪示一種應用電波感測的安防控制系統100的示意圖。安防控制系統100適用於偵測一空間是否遭到入侵。安防控制系統100可包含處理器110、儲存媒體120、收發器130以及電波感測設備140。

處理器110例如是中央處理單元（central processing unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微控制單元（micro control unit，MCU）、微處理器（microprocessor）、數位訊號處理器（digital signal processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（application specific integrated circuit，ASIC）、圖形處理器（graphics processing unit，GPU）、影像訊號處理器（image signal processor，ISP）、影像處理單元（image processing unit，IPU）、算數邏輯單元（arithmetic logic unit，ALU）、複雜可程式邏輯裝置（complex programmable logic device，CPLD）、現場可程式化邏輯閘陣列（field programmable gate array，FPGA）或其他類似元件或上述元件的組合。處理器110可耦接至儲存媒體120、收發器130以及電波感測設備140，並且存取和執行儲存於儲存媒體120中的多個模組和各種應用程式。

儲存媒體120例如是任何型態的固定式或可移動式的隨機存取記憶體（random access memory，RAM）、唯讀記憶體（read-only memory，ROM）、快閃記憶體（flash memory）、硬碟（hard disk drive，HDD）、固態硬碟（solid state drive，SSD）或類似元件或上述元件的組合，而用於儲存可由處理器110執行的多個模組或各種應用程式。

收發器130以無線或有線的方式傳送及接收訊號。收發器130還可以執行例如低噪聲放大、阻抗匹配、混頻、向上或向下頻率轉換、濾波、放大以及類似的操作。當安防控制系統100判斷所監視的空間遭到入侵時，處理器110可通過收發器130輸出告警。例如，處理器110可通過收發器130傳送告警訊息至MQTT閘道器，以由MQTT閘道器將告警訊息轉發至使用者的終端裝置，藉以提醒使用者空間遭到入侵。另一方面，處理器110可通過收發器130接收來自使用者的終端裝置的設定檔。處理器110可基於設定檔來配置安防控制系統100。設定檔可包含由使用者定義的各種參數，諸如後續會提到的閾值、檢測閾值或窗函數。

電波感測設備140可包含電波發射裝置141以及電波接收裝置142。在一實施例中，電波感測設備140可包含多個電波發射裝置141或多個電波接收裝置142。電波感測設備140可用以檢測一空間是否遭到入侵。具體來說，電波發射裝置141可在空間中發射電波訊號，其中所述電波訊號例如對應於Wi-Fi、行動通信網路、藍牙或ZigBee等通訊協定。電波接收裝置142可接收由電波發射裝置141所發射的電波訊號，並且根據電波訊號產生對應於空間的通道狀態資訊（channel state information，CSI）或無線接收訊號強度（received signal strength indication）。電波接收裝置142可根據通道狀態資訊或無線接收訊號強度產生偵測值。偵測值用以指示電波感測設備140的檢測結果，並且檢測結果可以是以二元的方式表示。如公式（1）所示，若偵測值S小於閾值T，則電波接收裝置142可判斷偵測值S對應於檢測結果為「假」。處理器110可根據檢測結果為「假」來判斷空間未遭到入侵。若偵測值S大於或等於閾值T，則電波接收裝置142可判斷偵測值S對應於檢測結果為「真」。處理器110可根據檢測結果為「真」來判斷空間已遭到入侵。閾值T可由使用者自定義。電波感測設備140可通過TR069協定來將檢測結果傳送給處理器110。

…(1)

在一實施例中，電波感測設備140的電波發射裝置141或電波接收裝置142可包含指向型天線。電波發射裝置141可通過指向型天線發射電波訊號，並且電波接收裝置142可通過指向型天線接收電波訊號。如此，電波感測設備140可利用電波訊號建立安防控制系統100所監視的空間的電子圍籬。

傳統的檢測設備忽略了入侵者離開或進入一空間並不會瞬間移動，而是會在一時間區間內存在或離開。因此，傳統的檢測設備在設計時並未考慮時間軸上的統計特性。在實務運用檢測設備一段時間後，使用者會發現檢測設備的偵測穩定度不佳。例如，檢測設備的檢測結果前一秒顯示空間遭到入侵，下一秒卻又顯示空間並未遭到入侵。

相對於傳統的檢測設備，本案的安防控制系統100可考慮電波感測設備140所產生之檢測結果在時間軸上的統計特性，從而更精準地判斷電波感測設備140所偵測的空間是否遭到入侵。具體來說，電波接收裝置142可在一段時間區間內產生多個偵測值，並根據所述多個偵測值產生包含多個檢測結果的檢測結果集合。每個偵測值均為獨立判斷無相依性，其中偵測值大於閾值而被判定為對應於檢測結果「真」，並且偵測值小於或等於閾值而被判定為對應於檢測結果「假」。假設電波感測設備140的每一個檢測結果的靈敏率（sensitivity）或真陽性率（true positive rate）為p，則處理器110可從檢測結果集合中取出與窗函數相對應的數量n（n為正整數）的檢測結果。處理器110可根據公式（2）計算出檢測結果集合中的多個檢測結果的真陽性樣本（即假說H ₁：空間遭到入侵時，其值為「真」的檢測結果）的數量的機率分佈，其中P1(x=k)為所述多個檢測結果的真陽性樣本的數量為k（k為小於或等於n的正整數）時的機率。

…(2)

此外，處理器110可根據公式（3）計算出檢測結果集合中的多個檢測結果的偽陽性樣本（即假說H _０：空間未遭到入侵時，其值為「真」的檢測結果）的數量的機率分佈，其中P2(x=k)為所述多個檢測結果的偽陽性樣本的數量為k（k為小於或等於n的正整數）時的機率。

…(3)

另一方面，處理器110可根據檢測結果集合中的多個檢測結果的數量決定檢測閾值，如公式（4）所示，其中Z為檢測閾值，並且n為多個檢測結果的數量。多個檢測結果的數量n與窗函數相對應。處理器110可響應於多個檢測結果中指示受監視的空間遭到入侵的檢測結果（即：檢測結果「真」）的數量（即：第一數量）大於檢測閾值而判斷該空間遭到入侵。處理器110可響應於多個檢測結果中指示受監視的空間未遭到入侵的檢測結果（即：檢測結果「假」）的數量小於或等於檢測閾值而判斷該空間未遭到入侵。舉例來說，假設窗函數為n=5，則處理器110可響應於指示空間遭到入侵的檢測結果（即：檢測結果「真」）的數量大於5/2=2.5而判斷空間遭到入侵。

…(4)

在一實施例中，安防控制系統100可包含安全模式和告警模式。當處理器110判斷該空間遭到入侵時，處理器110可將安防控制系統100切換為告警模式。當處理器110判斷該空間未遭到入侵時，處理器110可將安防控制系統100切換為安全模式。當處理器110將安防控制系統100從安全模式切換到告警模式時，處理器110可輸出告警以提示使用者空間遭到入侵。

處理器110可根據電波感測設備140的靈敏度動態地更新窗函數，以決定用於判斷空間是否遭到入侵的多個檢測結果的數量n。具體來說，處理器110可根據電波感測設備140的靈敏度計算多個檢測結果的偽陽性樣本的數量（即：第二數量）大於初始的檢測閾值的機率P(FA)（即：第一機率），並可根據電波感測設備140的靈敏度計算多個檢測結果的真陽性樣本的數量（即：第三數量）小於初始的檢測閾值的機率P(MISS)（即：第二機率）。處理器110可響應於機率P(FA)和P(MISS)的總和大於預設值而增大窗函數以產生更新的窗函數（即：第二窗函數）。處理器110可根據更新的窗函數來判斷安防控制系統110所監視的空間是否遭到入侵。

舉例來說，假設靈敏度為75%（即：p=0.75）的電波感測設備140在一時間區間內產生5個檢測結果（即：窗函數為n=5），則檢測結果的機率分佈可如圖2所示。圖2根據本發明的實施例繪示檢測結果的機率分佈的示意圖，其中機率p21為5個檢測結果中的真陽性樣本的數量為1的機率（即：P2(x=1)）、機率p22為5個檢測結果中的真陽性樣本的數量為2的機率（即：P2(x=2)）、機率p23為5個檢測結果中的真陽性樣本的數量為3的機率（即：P2(x=3)）、機率p24為5個檢測結果中的真陽性樣本的數量為4的機率（即：P2(x=4)）、機率p25為5個檢測結果中的真陽性樣本的數量為5的機率（即：P2(x=1)）、機率p30為5個檢測結果中的偽陽性樣本的數量為0的機率（即：P1(x=0)）、機率p31為5個檢測結果中的偽陽性樣本的數量為1的機率（即：P1(x=1)）、機率p32為5個檢測結果中的偽陽性樣本的數量為2的機率（即：P1(x=2)）、機率p33為5個檢測結果中的偽陽性樣本的數量為3的機率（即：P1(x=3)）並且機率p34為5個檢測結果中的偽陽性樣本的數量為4的機率（即：P1(x=4)）。

由圖2可知，當安防控制系統100監視的空間有入侵者時，電波感測設備140有89.6%的機率出現2次以內的誤警（false alarm），而僅有10.4%的機率出現3次以上的誤警。同理，當空間有入侵者時，電波感測設備140所產生的告警有89.6%機率在3次以上，而僅有10.4%的機率在2次以下。因此，處理器110可透過與窗函相對應的5個估計值進行統計，以檢測閾值Z=2.5為分界。處理器110可基於告警次數（即：檢測結果「真」的數量）小於2.5判定空間未遭到入侵，並可基於告警次數大於2.5判定空間遭到入侵。

另一方面，處理器110可計算多個檢測結果的偽陽性樣本的數量大於檢測閾值Z=2.5的機率P(FA)=p33+p34，並可計算多個檢測結果的真陽性樣本的數量小於檢測閾值Z=2.5的機率P(MISS)=p21+p22。處理器110可響應於機率P(FA)和機率P(MISS)的總和大於預設值而增大窗函數n=5。預設值可由使用者自定義。例如，處理器110可響應於機率P(FA)和機率P(MISS)的總和大於預設值0.1%而將窗函數n=5更新為窗函數n=15，並可根據更新的窗函數n=15而將檢測閾值更新為Z=7.5。

藉由上述的演算法，能將一靈敏度為75%的電波感測設備140所產生的檢測結果的真陽性率提升至近90%。對於電信運營商而言，若引進不同品牌機型的電波感測設備140，可以透過調整窗函數來獲取不同數目的檢測結果，即可大幅提升判定入侵行為的正確率。

在一實施例中，處理器110可通過收發器130接收由使用者的終端裝置所發出的靜默指令。處理器110可基於靜默指令而配置電波感測設備140停止電波訊號的傳輸，或基於靜默指令停止通過收發器130輸出告警。在接收到靜默指令後，無論安防控制系統100處於安全模式或告警模式，處理器110都會停止傳輸電波訊號或停止輸出告警。如此，使用者可通過靜默指令來保障自身的隱私。

圖3根據本發明的一實施例繪示一種應用電波感測的安防方法的流程圖，其中所述安防方法適用於偵測一空間是否遭到入侵，並且所述安防方法可由如圖1所示的安防控制系統100實施。在步驟S301中，通過發射和接收電波訊號產生對應於空間的通道狀態資訊。在步驟S302中，根據通道狀態資訊產生檢測結果集合。在步驟S303中，自檢測結果集合中取得對應於窗函數的多個檢測結果。在步驟S304中，根據多個檢測結果的數量產生檢測閾值。在步驟S305中，響應於多個檢測結果中指示空間遭到入侵的至少一第一檢測結果的第一數量大於檢測閾值而判斷空間遭到入侵。在步驟S306中，響應於空間遭到入侵而輸出告警。

本發明的特點及功效：一、降低大量訊務量，減少信令風暴；二、彌補電波感測技術準確度不佳，降低誤報與錯失的機率；三、不需要機器學習，能在低運算能力的SoC上應用。

100:安防控制系統 110:處理器 120:儲存媒體 130:收發器 140:電波感測設備 141:電波發射裝置 142:電波接收裝置 p21、p22、p23、p24、p25、p30、p31、p32、p33、p34:機率 S301、S302、S303、S304、S305、S306:步驟

圖1根據本發明的實施例繪示一種應用電波感測的安防控制系統的示意圖。圖2根據本發明的實施例繪示檢測結果的機率分佈的示意圖。圖3根據本發明的一實施例繪示一種應用電波感測的安防方法的流程圖。

S301、S302、S303、S304、S305、S306:步驟

Claims

一種應用電波感測之安防控制系統，適用於偵測空間是否遭到入侵，包括：電波感測設備，包括：電波發射裝置，發射電波訊號；以及電波接收裝置，接收所述電波訊號，根據所述電波訊號產生對應於所述空間的通道狀態資訊，並且根據所述通道狀態資訊產生檢測結果集合；收發器；以及處理器，耦接所述電波感測設備以及所述收發器，其中所述處理器自所述檢測結果集合中取得對應於窗函數的多個檢測結果，根據所述多個檢測結果的數量產生檢測閾值，響應於所述多個檢測結果中指示所述空間遭到入侵的至少一第一檢測結果的第一數量大於所述檢測閾值而判斷所述空間遭到入侵，並且響應於所述空間遭到入侵而通過所述收發器輸出告警。
如請求項1之安防控制系統，其中所述處理器根據所述電波感測設備的靈敏度計算所述多個檢測結果的偽陽性樣本的第二數量大於所述檢測閾值的第一機率，計算所述多個檢測結果的真陽性樣本的第三數量小於所述檢測閾值的第二機率，響應於所述第一機率與所述第二機率的總和大於預設值而增大所述窗函數以產生第二窗函數，並且根據所述第二窗函數判斷所述空間是否遭到入侵。
如請求項1之安防控制系統，其中所述電波感測設備通過指向型天線發射和接收所述電波訊號以利用所述電波訊號以建立所述空間的電子圍籬。
如請求項1之安防控制系統，其中所述處理器響應於通過所述收發器接收靜默指令而配置所述電波感測設備停止所述電波訊號的傳輸。
請求項1之安防控制系統，其中所述處理器響應於通過所述收發器接收靜默指令而停止輸出所述告警。
如請求項1之安防控制系統，其中所述電波訊號對應於下列通訊協定的至少其中之一：Wi-Fi、行動通信網路、藍牙及ZigBee。
如請求項1之安防控制系統，其中所述安防控制系統包括告警模式和安全模式，其中所述處理器響應於所述第一數量大於所述檢測閾值而將所述安防控制系統切換為所述告警模式，並且響應於所述第一數量小於或等於所述檢測閾值而將所述安防控制系統切換為所述安全模式，其中所述處理器響應於將所述安防控制系統自所述安全模式切換至所述告警模式而輸出所述告警。
一種應用電波感測之安防方法，適用於偵測空間是否遭到入侵，其中所述安防方法包括：通過發射和接收電波訊號產生對應於所述空間的通道狀態資訊；根據所述通道狀態資訊產生檢測結果集合；自所述檢測結果集合中取得對應於窗函數的多個檢測結果；根據所述多個檢測結果的數量產生檢測閾值；響應於所述多個檢測結果中指示所述空間遭到入侵的至少一第一檢測結果的第一數量大於所述檢測閾值而判斷所述空間遭到入侵；以及響應於所述空間遭到入侵而輸出告警。