基于熱釋電無線傳感網(wǎng)絡(luò)的人體目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)

焦宇浩

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥，230041）

1 人體運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別研究

1.1 人體紅外的基礎(chǔ)知識(shí)

光是一種無線電波，其電磁輻射與無線通信波相同。目標(biāo)的形狀但是導(dǎo)彈手機(jī)由于高頻電磁波的輻射。如果這部分輻射源是由室內(nèi)溫度引起的，它們會(huì)傳導(dǎo)熱量。其中，電磁輻射是自然界分布最廣的。在運(yùn)動(dòng)中，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的紅外線輻射，為空氣排放提供熱量。所以，不時(shí)會(huì)有紅外線能量向外移動(dòng)。連續(xù)向外擴(kuò)散，都知道當(dāng)小物體的整體溫度較高時(shí)，分子的吸收和夸克運(yùn)動(dòng)會(huì)更加強(qiáng)烈，發(fā)出的紅外光越多，生命的能量就越大。雖然紅外探測(cè)輻射的影響是一種肉眼看不見的高能射線，但其核心本質(zhì)特征與可見光譜基本相同，其特有的物質(zhì)能量在人類的認(rèn)識(shí)中是一樣的。在性特征的情況下，紅外輻射當(dāng)然也有光的多次折射和散射。在真空環(huán)境中，紅外探測(cè)的直接輻射的再傳播速度非常快，光的有效傳播速度相同。

1.2 熱釋電無線傳感器的工作原理

熱電材料是具有熱電鏈接作用的主要材料。在本文中，研究了熱釋電傳感器的物理原理，并且不熟悉工作方法。在某種程度上，設(shè)計(jì)了由熱釋電傳感器和步兵陣列組成的傳感器關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。試圖實(shí)現(xiàn)快速識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)中的近期目標(biāo)的基本功能。在早期階段，使用了perc材料和傳感器。材料不僅具有調(diào)節(jié)系數(shù)大和介電自變量小的突出優(yōu)點(diǎn)。另外，它具有寬的主動(dòng)響應(yīng)，高靈敏度和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)。單晶硅材料的制造過程更加復(fù)雜，成本也很高。熱電紅外傳感器通常有三種類型，即單元型，雙型和四元型。每個(gè)單位類型的傳感器都可以感應(yīng)任何溫度下室內(nèi)溫度的明顯變化。因此，有必要對(duì)溫度下降進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償以降低靈敏度。各種傳感器也稱為室內(nèi)溫度經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償傳感器。它們廣泛用于空間探測(cè)器，各種氣體分析和儀器設(shè)備，直接輻射測(cè)溫儀等。到目前為止，人體目標(biāo)檢測(cè)主要使用先進(jìn)的雙四元素多傳感器。在這個(gè)行業(yè)中，具有雙重元素的傳感器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。歸一化后，圓瓣之間重疊區(qū)域的靈敏度將大大降低。產(chǎn)生這種不良現(xiàn)象的原因是組件的反向串聯(lián)連接，這導(dǎo)致更嚴(yán)重的衰減率，該衰減率與區(qū)域的信號(hào)重疊。熱電驅(qū)動(dòng)效應(yīng)是負(fù)電荷快速釋放的過程。熱釋電傳感器的背面受到紅外探測(cè)器輻射的影響，從而導(dǎo)致室內(nèi)溫度發(fā)生重大變化。控制電路中的電阻器也可以真正模擬這種體驗(yàn)。當(dāng)整體溫度變化時(shí)，電阻變化很大，控制電路產(chǎn)生高壓電流。

1.3 熱釋電紅外傳感器的檢測(cè)原理

熱電鏈接效應(yīng)是指熱電材料吸收電荷（電子）以始終保持表面的電中性的現(xiàn)象。當(dāng)熱釋電紅外材料通過熱輻射時(shí)，整體溫度將發(fā)生變化，因此材料和電偶極矩將發(fā)生變化。為了更好地長(zhǎng)時(shí)間保持電的中性，該材料會(huì)在表面釋放出負(fù)電荷。由具有熱電市場(chǎng)效應(yīng)和特殊工藝的主要材料制成的傳感器稱為熱釋電激光傳感器。當(dāng)熱光電導(dǎo)效應(yīng)的主要材料暴露于紅外檢測(cè)輻射源時(shí)，主要熱電材料的外表面將帶正電由于熱電放大作用，可以制造熱電光學(xué)傳感器。熱電的基本原理是當(dāng)材料暴露在熱成像輻射下時(shí)重新釋放電荷。因此，當(dāng)主要材料的表面暴露于紅外檢測(cè)器的直接輻射時(shí)，可以精確地測(cè)量表面電壓值。熱釋電傳感器將紅外輻射轉(zhuǎn)換成信號(hào)轉(zhuǎn)換以得到檢測(cè)結(jié)果。轉(zhuǎn)換過程分為以下幾個(gè)步驟：第一步是在接收紅外探測(cè)器的輻射后改變主材料在外表面上的溫度下降；第二步是改變表面溫度。在第二步驟中，由于外部腔室內(nèi)溫度的明顯變化，熱電材料釋放電能，這完全改變了正極上負(fù)電荷的高密度，但是并不總是保持原始的穩(wěn)定狀態(tài)。在第三步中，強(qiáng)信號(hào)將發(fā)生變化，主要材料的負(fù)電荷傳遞到內(nèi)部和外部，然后放電到電路元件或輸出阻抗電路系統(tǒng)中，以形成各種電信號(hào)。熱電傳感器的體表面積和室內(nèi)溫度的變化與形成電壓時(shí)由紅外傳感器的直接輻射形成的強(qiáng)電流成比例。這種功能特性是熱電最重要的主要特征。它成為紅外傳感器的很好的直接輻射源，人體功能的最典型室內(nèi)溫度值為37°C。正是因?yàn)槿梭w功能的溫度下降與外部環(huán)境的室內(nèi)溫度之間沒有一定的溫差，并且兩者之間將存在連續(xù)的直接熱交換。

1.4 熱釋電無線傳感網(wǎng)絡(luò)人體目標(biāo)識(shí)別方法

到目前為止，熱釋電傳感器主要用于監(jiān)視警報(bào)，但是這種警報(bào)的準(zhǔn)確性非常低。它只能準(zhǔn)確地確定是否存在許多人，而不能準(zhǔn)確地確定特定的主要位置。如何利用自身的熱釋電光電傳感器來監(jiān)測(cè)人體細(xì)胞輻射源的相對(duì)敏感化學(xué)特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體長(zhǎng)期目標(biāo)的更準(zhǔn)確自動(dòng)識(shí)別，是該行業(yè)在新應(yīng)用中的特殊情況。在主要可探測(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，重要區(qū)域內(nèi)的各種傳感器可以輸出信號(hào)以指示它們將受到相應(yīng)的刺激，并根據(jù)二進(jìn)制系統(tǒng)排列這些信號(hào)，然后恢復(fù)人體的生理狀態(tài)以在不同的主要區(qū)域內(nèi)移動(dòng)地區(qū)?？梢曰谠S多代碼值來計(jì)算形成的代碼值以及人體細(xì)胞的性能。在特定內(nèi)容的位置，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)近期目標(biāo)人工智能算法的自動(dòng)識(shí)別，在硬件和軟件系統(tǒng)中使用了熱釋電激光傳感器。大目標(biāo)的可識(shí)別精度與檢測(cè)到的人類新陳代謝的主要位置無關(guān)，可以做出更大的努力來實(shí)現(xiàn)整體覆蓋。隨著研究者對(duì)熱釋電人體識(shí)別技術(shù)研究的深入，2009年Hao Q.等人提出利用4個(gè)熱釋電傳感器節(jié)點(diǎn)組成熱釋電傳感網(wǎng)絡(luò)，并形成矩形感應(yīng)區(qū)域。當(dāng)多個(gè)人目標(biāo)在感應(yīng)區(qū)域固定的路徑上移動(dòng)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)所采集的人體熱釋電信息通過多種融合算法進(jìn)行了融合識(shí)別。但該方法對(duì)人體的移動(dòng)路徑，多人體的移動(dòng)方式以及節(jié)點(diǎn)空間位置的要求過于嚴(yán)格，不利于實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用。

近期，Zhao N.等人利用 BSS 的方法將多個(gè)在感應(yīng)區(qū)域移動(dòng)的人體目標(biāo)數(shù)目進(jìn)行了識(shí)別。開拓了將 BSS 方法應(yīng)用在人體熱釋電信息分離的先例。Xiong J.等人利用熱釋電傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的雙欄多孔結(jié)構(gòu)體來獲取人體熱釋電信息，并利用希爾伯特-黃變換實(shí)現(xiàn)了對(duì)多人體信號(hào)的識(shí)別。然而他們的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)都利用了HAO Q.的數(shù)據(jù)采集模型，沒有人為因素和其他環(huán)境因素的干擾，并且無線網(wǎng)絡(luò)中熱釋電節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均為矩形。不能滿足實(shí)際環(huán)境中對(duì)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的需求。同時(shí)，Guan Q.J.等人首次提出利用熱釋電傳感器矩陣獲取人體熱紅外信號(hào)，然后利用壓縮感知技術(shù)并結(jié)合最近鄰域法( nearest neighbour classifier algorithms，NN) 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的多種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行識(shí)別，但該算法計(jì)算量較大，難于達(dá)到實(shí)時(shí)識(shí)別?？偨Y(jié)現(xiàn)階段的研究成果發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外的研究人員都利用了不同結(jié)構(gòu)的熱釋電矩陣以不同方式實(shí)現(xiàn)對(duì)人體目標(biāo)的識(shí)別，并提高了對(duì)人體的識(shí)別能力，但忽略了對(duì)人體識(shí)別的可靠性和抗干擾性。

鑒于國內(nèi)外對(duì)熱釋電識(shí)別技術(shù)的研究大部分停留在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)階段，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沒有環(huán)境因素和人為因素的影響，同時(shí)部分研究團(tuán)隊(duì)為了得到完整的人體熱釋電數(shù)據(jù)和相應(yīng)的結(jié)論，簡(jiǎn)單的應(yīng)用了單個(gè)節(jié)點(diǎn)或固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)人體熱紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。而在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用環(huán)境和策略中，所得結(jié)論并不穩(wěn)定可靠，并且應(yīng)用場(chǎng)景也受到一定的限制，所以需要設(shè)計(jì)并建立一套能在真實(shí)環(huán)境中以應(yīng)用為基礎(chǔ)的融合策略和算法，來彌補(bǔ)單個(gè)傳感器或多個(gè)簡(jiǎn)單疊加的傳感器在實(shí)際應(yīng)用過程中所存在的缺陷，即單個(gè)傳感器識(shí)別能力較弱且不穩(wěn)定、多個(gè)簡(jiǎn)單疊加的傳感器所組成的傳感網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用模式存在局限，都不能滿足實(shí)際需求。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熱釋電傳感器的輸出能力信號(hào)是低壓實(shí)際模擬信號(hào)。必須先生成信號(hào)，然后將其放大到5V以上，以執(zhí)行閾值以做出判斷和處理。在熱物理信號(hào)被放大顯示控制電路最大化后，它被傳輸?shù)絋TL電路連接，并且TTL電路的一部分輸出容量。熱電輸出的高電平電壓值高于2.4V，低電平輸出電壓可低于0.4V。在正常條件下，熱釋電可輸出的高電平輸入電壓值為3.5V；當(dāng)插頭輸出電流為9V時(shí)，熱放電光傳感器將通過電位輸出電壓信號(hào)表示，輸入電壓為典型特性值20mV，最大輸出約為50mV。因此，要生成信號(hào)然后放大幾千倍，則需要再放大100倍。選擇使用另一個(gè)無限放大100倍的前置放大器，這很容易導(dǎo)致高放大倍數(shù)的信號(hào)噪聲。因此，信號(hào)的產(chǎn)生必須無限擴(kuò)展到100倍，設(shè)計(jì)了放大顯示的軟件系統(tǒng)。電路系統(tǒng)的重要功能是對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行校正，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和放大，然后通過電磁耦合的方式將信號(hào)傳輸?shù)降诙?jí)運(yùn)算過程功率放大器進(jìn)行二級(jí)放大。為了和數(shù)字控制電路相匹配，各種真實(shí)模擬信號(hào)被送入由比較器組成的幅度鑒別器，它可以檢測(cè)各種有效信號(hào)并輸出高低TTL電平。熱電紅外傳感器模塊的電源由主板的擴(kuò)展接口提供。傳感器功能模塊可以通過引腳固定在主板上。為了更好地簡(jiǎn)化模塊的整體結(jié)構(gòu)，該引腳為2.54mm引腳，這引腳依次為信號(hào)控制輸出引腳（OUT），插入板io端口（vcc）和接地墊（GND）。該信號(hào)使用次級(jí)運(yùn)算放大器的功率放大器和鑒頻器，并且可以按照相同的規(guī)定由數(shù)字信號(hào)/實(shí)際模擬信號(hào)表示，并且觸發(fā)信號(hào)輸出功能芯片引腳。LM324的最大耐壓為32V，因此VCC芯片引腳也可以連接到主板的主板上。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)母板的硬件實(shí)現(xiàn)

多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的主板是傳感器系統(tǒng)模塊的背板以及系統(tǒng)模塊ZigBee的模塊。通過插針位置固定在主板上，因此它成為傳感器的非常關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)。主板的幾個(gè)功能是：1.插入擴(kuò)展系統(tǒng)模塊，然后使用插件模塊完全更改主板的基本功能。根據(jù)以上實(shí)際數(shù)據(jù)，將及時(shí)選擇主板的功能。2.電壓穩(wěn)定性和電壓轉(zhuǎn)換熱電工作，電壓傳感器為9V，而CC2430僅需要3.3V。這功能模塊已插入主板電源模式，因此在使用主板時(shí)，它們可以提供電源和電源電壓調(diào)節(jié)的基本功能。對(duì)高頻放大器的實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，集成電路3.3V的連續(xù)輸出不是理想的DC電平，沒有與周期性電脈沖機(jī)械噪聲混合，其幅度大約是一個(gè)正數(shù)，以免影響ATV。對(duì)于通信設(shè)備，在電路連接部分設(shè)計(jì)的輸入和輸出引腳上安裝了大小不一的濾波電感器，以確保穩(wěn)定的運(yùn)行電壓值。