【導讀】SukLee,Member,IEEE,KyoungNamHa,KyungChangLee,Member,IEEE. s. sneeds

　　

【正文】 Chang Lee,電機及電子學工程師聯(lián)合會會員 摘要 —— 智能家居，是一種可以通過識別具有不同生活習慣和感覺的住戶來提供各種不同的智能服務。而實現(xiàn)這樣的功能其中最關鍵的問題之一就是如何確定住戶的位置。目前，研 究工作只要集中于兩種方法：終端方式和非終端方式。終端方式需要一種住戶隨身攜帶的設備，而非終端方式則不需要這樣的設備。本文提出一種使用可以探測到住戶的熱釋電紅外傳感器（紅外傳感器）的新的非終端方式。該系統(tǒng)的可行性已經通過了測試平臺的實驗性評估。 索引詞 —— 智能家居，定位服務，熱釋電紅外傳感器（紅外傳感器），定位識別算法 I. 簡介 現(xiàn)在由于人人都想有一個方便，舒適，安全的居住環(huán)境，因此大家對于智能家居表現(xiàn)的越來越感興趣 [1] [2]。一般來說，智能家居旨在提供合適的智能服務來積極促進住戶更好的生活，比如家務勞 動，娛樂，休息和睡眠。因此，為了提高住戶的便捷和安全，像家用電器，多媒體設備和互聯(lián)網設備應通過家庭網絡系統(tǒng)連接在一起，如圖 1所示。并且它們應通過電視或個人數(shù)字助理（ PDA）來控制或遠程監(jiān)控 [3] [4]。 圖 1 智能家居的家庭網絡體系結構 尤其要注意的是，作為一種提供高質量的智能服務，目標應集中于定位服務，同時考慮人為因素，比如住戶的生活方式，健康狀況和居住感受 [5]— [7]。也就是說，如果智能家居能識別住戶的生活方式或健康狀況，那么家用電器應該能預見住戶的需要，并能更主動的提供適合的智能服務。例如， 在一個被動的服務環(huán)境下，需要住戶控制供熱通風與空氣調節(jié)系統(tǒng)（供暖，通風和空調），而智能家居將根據住 14 戶情況自動調節(jié)房間的溫濕度。智能家居或智能辦公室的各種室內感應定位系統(tǒng)的已經研發(fā)到能夠識別住戶的位置。一般來說，室內定位感應系統(tǒng)根據測量技術分為三種類型：三角測量，場景分析和接近方法 [8]。三角測量法是通過多個已知點來計算位置距離。運用三角測量法的例子包括 Active Badges[9]，Active Bats[10]和 Easy Living[11]，它們分別運用了紅外傳感器，超聲波傳感器和視覺傳感器來實現(xiàn)的。 場景解析法是檢測一個場景內的特定著眼點。場景解析法的典型例子是使用直流磁力跟蹤器的MotiveStar[12]，和使用無線局域網絡 [LAN]標準 IEEE 802,11的 RADAR[13]。接近法則是以一組已知點中最接近的點近似作為定位點。接近法的例子有使用壓力傳感器的 Smart Floor[14]。 另外，室內感應定位系統(tǒng)可以根據是否需要住戶隨身攜帶一種設備來分類。終端方式，例如 Active Bats，不需要直接找到住戶位置，但是可以感應到住戶隨身攜帶的設備位置，例如紅外收發(fā)器或者射頻識別技術（ RFID）標 簽。因此，如果住戶沒有隨聲攜帶終端設備，那就不可能找到他。相反的，非終端方式如 Easy Living和 Smart Floor則不需要這種設備就能找到住戶位置。然而，人們認為 Easy Living侵犯了住戶隱私， Smart Floor則是擴展和維護都比較困難。 本文提出一種使用陣列熱釋電紅外（ PIR）傳感器實現(xiàn)的基于非終端方式的室內感應定位系統(tǒng) [15] [16]。紅外傳感器固定在天花板上，并使相鄰的傳感器的感應范圍有重疊。當它感應到一名住戶時，通過多個紅外傳感器的綜合，能夠比較準確的確定住戶的位置。該系統(tǒng)不僅 具有非終端方式的特有優(yōu)點，還避免了侵犯隱私，擴展性不佳和維護困難的問題。為了證明其有效性，已經在實驗平臺上通過了各種不同測試環(huán)境下的實驗性評估。 包括此簡介，本文共分為四個部分，第二部分介紹基于紅外傳感器的室內定位感應系統(tǒng)架構（ PILAS）以及定位識別算法。第三部分介紹了基于紅外傳感器的住戶檢測法和在實驗測試平臺上的不同環(huán)境下評估系統(tǒng)的表現(xiàn)。最后一部分為總結和結論。 II. 基于熱釋電紅外傳感器的室內感應定位系統(tǒng)架構 A．智能家居的結構 鑒于智能家居的室內環(huán)境，室內感應定位系統(tǒng)必須滿足一下條件。第一，由于需 要在各種大小不同的房間里安裝大量傳感器來感知智能家居中的住戶，因此定位感應系統(tǒng)需保持較低的成本。第二，傳感器的安裝必須是靈活可變的，因為各個房間的形狀結構不同，并且還有各樣阻礙傳感器正常工作的家電和家具。 第三，要求定位感應系統(tǒng)使用的傳感器能夠抵御很強的噪聲，這是因為智能家居能利用各種無線傳輸技術，比如無線局域網，射頻系統(tǒng)，它們都會產生電磁噪聲，并且光或溫度的巨大變化也會影響傳感器的正常工作。最后該系統(tǒng)的精度可以，根據房間類型作出最合適的調節(jié)。 盡管基于熱釋電紅外傳感器的這個系統(tǒng)有諸多的優(yōu)點，但在眾多滿足要求 的產品中并不能吸引人們更多的關注。它已應用于感應燈（當它感應到人體移動時使燈自動打開），并且成本低于許多其他種類的感應器。另外，由于熱釋電紅外傳感器感應的是人體發(fā)出的 ～ ，從溫度、濕度和電磁噪聲來說，這種波長相對周圍環(huán)境較為明顯。而且，它可以通過調整感應半徑來控制定位精度，并容易安裝在天花板上，這樣就不會受到房間結構和障礙物的影響。 圖 2 顯示的是為住戶提供基于位置的智能服務的 PILAS 智能家居框架。在這個框架下，包括熱釋電紅外傳感器、房屋終端、智能家居服務器和家用電器在內的各種設 備通過家庭網絡系統(tǒng)連接在一起。每個房間被視為一個單元，并在每個單元的天花板上安裝適當數(shù)量的傳感器，為定位服務提供足夠的定位精度。每個紅外傳感器周期性的感應住戶位置，然后將感應信息通過家庭網絡系統(tǒng)傳輸?shù)椒课萁K端。因此，房屋終端通過集合來自同一個單元的傳感器信息來確定住戶的位置，再將住戶位置傳輸?shù)街悄芗揖臃掌?，服務器就會控制家用電器為住戶提供基于位置的定位服務? 15 圖 2 PILAS智能家居框架 在這個框架內，智能家居服務器具有以下功能： （ 1）虛擬地圖發(fā)生器為智能家居提供虛擬地圖（生成虛擬地圖），并在虛擬 地圖中標出由房屋終端提供的住戶位置信息（標注住戶位置）。然后，它通過連接住戶的連續(xù)定位點來繪制住戶的運動軌跡（追蹤住戶運動）。 （ 2）家電控制器通過家庭網絡系統(tǒng)發(fā)送控制命令給家用電器為住戶提供智能服務。 （ 3）運動模式預測器保存當前的住戶運動軌跡、家電的動作和反映居家環(huán)境的參數(shù)，比如時間、溫度、濕度、光照度。儲存足夠的信息后，它可能會使家電主動提供滿足人們需要的人性化的智能服務。例如，如果智能家居服務器“知道”住戶通常在早上 7點醒來，之后要淋浴，它也許就會在那一時間打開燈并播放音樂。另外，住戶的淋浴水溫也會 被自動記錄。 B．定位識別算法 為了確定住戶在房間里的位置，要使用一組熱釋電紅外傳感器，如圖 3所示。在此圖中，每個傳感器的感應面呈圓形并且相鄰的幾個傳感器有重疊的感應范圍。因此，當住戶進入某一感應區(qū)域后，系統(tǒng)根據從房間內的所有傳感器收集到的感應信息判斷他 /她是否屬于這一感應區(qū)。例如，當一位住戶進入B感應區(qū)， a， b傳感器輸出“ ON”信號，而 c傳感器輸出“ OFF”信號。收集輸出信號后，該算法可以推斷出住戶屬于 B感應區(qū)。根據傳感器的數(shù)量和傳感信號“ ON”的排列，住戶的位置通常有以下幾種情況。首先，如果只有一個傳感器輸出“ ON”信號，那么認為住戶處于該傳感器感應區(qū)域的中心位置。其次，如果有兩個相鄰的傳感器輸出“ ON”信號，那么認為住戶位于兩傳感器的連線中心點處。最后，如果有三個或者更多的傳感器輸出“ ON”信號，則認為住戶位于所有這些傳感器的面心處。比如，假設住戶位于圖中的點 1處，只有一個傳感器 a輸出“ ON”信號，而當住戶位于點 2處，傳感器a和 b都輸出“ ON”信號。 16 圖 3 熱釋電紅外傳感器的定位識別算法 這個系統(tǒng)的定位精度定義為假設點和住戶之間的最大距 離。例如當住戶進入 A 感應區(qū)，住戶被假設在點 1處。在此假設中，住戶可以代表一個點，熱釋電紅外傳感器的感應半徑為 1米，故定位精確度是 1米。因此，當住戶位于 A感應區(qū)的邊緣時最有可能發(fā)生判斷錯誤。另外，當住戶位于 B感應區(qū)時，他被假設為在點 2處，定位誤差最大時就是實際上住戶位于點 3處。在這種情況下，定位誤差達 ，即在點 2和點 3之間距離是 。因此，圖 3顯示的這個系統(tǒng)定位精度被視為 1米，這是每個區(qū)域定位精度的最大有效值。傳感器的數(shù)量和它們感應區(qū)域的面積決定了 PILAS 的定位精度，必須合理安排傳感器，以保證系統(tǒng) 的精確度。 為了準確判斷住戶位置，提高系統(tǒng)的精確度，這就需要給定數(shù)量的傳感器有更大的感應范圍。圖 4顯示的是一些傳感器不同排列產生的不同感應范圍。圖 4（ a）和（ b）顯示的是 9個傳感器不同排列分別產生的 40和 21的感應范圍。如果從感應范圍來看圖 4（ a） 中的排列比圖 4（ b）的好。但是，按照（ a）中傳感器的排列，在某些區(qū)域將無法感應到住戶位置，并且定位精度低于（ b）。圖 4（ c） 中顯示 12個傳感器排列成 28 的感應范圍內沒有任何盲點。 17 圖 4 定位精度取決于熱釋電紅外傳感器的排列 （ a） 40感應范圍 （ b） 21感應范圍 （ c） 12個傳感器構成的 28感應范圍 當傳感器如圖 4（ c）一樣排列在房間邊緣，他有時會產生尷尬的結果。圖 5 就是一個例子。圖 5（ a）顯示的是住戶的運動路線。如果我們通過使用傳感器定位或相鄰傳感器的中點來標記系統(tǒng)假設的住戶位置點，那么運動路線就會變?yōu)槿鐖D 5（ b）顯示的折形路線。為了緩解這一問題，我們認為處于房間邊緣的傳感器稍微向內補償，結果就如圖 5（ c）。 18 圖 5 中心點外部傳感器的補償效果 （ a）住戶的運動路線 （ b）外部傳感器補償之前 （ c） 外部傳感器補償之后 Ⅲ . PILAS 的性能評估 A．使用熱釋電紅外傳感器的住戶檢測法 結合來自同一單元內的所有傳感器的輸出并判斷是否是單一的傳感器是“ ON”或“ OFF”來確定住戶位置，這直接影響定位精度?？偟膩碚f，由于“ ON/OFF”的值是通過預先設定的閾值和從紅外傳感器的模擬信號中抽樣獲得的數(shù)字輸出信號相比較來確定，故選擇一個合適的信號電平作為閾值是很有必要的。例如，使用非終端方式的 Smart Floor，因為當住戶站在某一點不動時，他的重量通過壓力傳感器的輸出是一個恒定電壓，故比較閾值和傳感器的輸出值可以準確的確定住戶位置。但是，紅外傳感器測量的是人 體移動產生的紅外線信號的變化，它輸出的是模擬信號，如圖 6所示。也就是說，當住戶進入一個紅外感應區(qū)，住戶發(fā)出紅外輻射逐漸增強，紅外傳感器輸出一個增大的電壓信號。相反的，當住戶離開感應區(qū)，電壓信號變小。如果住戶站在感應區(qū)不動，紅外輻射不變，輸出電壓為 0。因此，當住戶一直停留在某一感應區(qū)內，只用紅外傳感器的電壓或電流閾值是很難判斷的。 19 圖 6 熱釋電紅外傳感器的輸出信號 為了保證定位精度，住戶檢測法必須滿足下面幾個要求。首先，如果感應區(qū)內沒有住戶，傳感器不能輸出“ ON”信號。也就是說，傳感器不能被如移動的寵物 、溫度變化、陽光等干擾而誤報。其次，它應該能精確確定住戶進入和離開感應區(qū)時的時間點。那么根據傳感器的變化特征、住戶的速度和高度應該能完全確定時間點。最后，因為住戶在感應區(qū)內沒有移動時，紅外傳感器的輸出電壓不能超過閾值電壓，故判定住戶是否停留在感應區(qū)內是很有必要的。 為了滿足這些要求，下面介紹基于熱釋電紅外傳感器的住戶檢測法來實現(xiàn)。第一，使用菲涅爾透鏡以消除由于寵物或溫度變化引起的傳感器誤報。菲涅爾透鏡安裝在熱釋電紅外傳感器前部，它只允許人體的紅外線波長通過而阻止其他波長的紅外線。第二，當傳感器輸出電壓超過正 閾值電壓且保持數(shù)個采樣周期，那么認為住戶進入了感應區(qū)。這種方法中的閾值必須有足夠的能力區(qū)別人體的紅外線變化和寵物或者溫度變化引起的環(huán)境紅外信號。此外，當傳感器輸出電壓低于負閾值電壓且保持數(shù)個采樣周期，則認為住戶離開了感應區(qū)。最后，當輸出電壓處于正負閾值電壓之間，例如住戶站在某一感應區(qū)內不移動，此區(qū)域的紅外傳感器輸出就從“ ON”變?yōu)椤?OFF”。在這段時間內，如果安裝在它附近的其它傳感器不輸出“ ON”信號，此法認為住戶保持在此區(qū)域。 Ｂ．使用實驗測試平臺進行性能評估 為了驗證 PILAS 法的可行性，使用實驗測試平 臺進行測試。智能家居中的基于位置的智能服務不要求有很高的定位精度，我們設計的系統(tǒng)定位精度為 。圖 7顯示的是房間中的實驗測試平臺測量4 4 （寬 長 高）范圍。此實驗中， 12個傳感器如圖 4（ c）排列在天花板上。用美國 Atmel公司的 AT89C51CC001單片機 [17]處理信號并判斷 “ ON/OFF” ，用日本陶瓷公司 RE431B 型熱釋電紅外傳感器和 NL11 型 菲涅爾透鏡。特別注意，每個紅外傳感器套上一個圓環(huán)，只允許直徑 2 米的感應范圍。圖 8顯示的是帶圓環(huán)的實驗結果。在圖中，當住戶通過感應圓時 RE431B型傳感器輸出信號如（ a）所示，而當住戶在感應圓區(qū)域內移動時輸出不規(guī)則的信號，如（ b）所示。最后，當住戶走出感應圓，沒有信號輸出，如（ c）所示。根據這些測試結果，證明熱釋電紅外傳感器只能感應到在感應區(qū)內的住戶。此外，為了判斷信號是“ ON”還是“ OFF”，并考慮到外部環(huán)境干擾，有必要為 RE431B傳感器設置一個閾值。最初幾次實驗用于確定閾值，確定時要考慮是由空調或電熱器或其他干擾（比如風或陽光）引起的內部溫度變化?；谶@些實驗結果，當 RE431B 傳感器的閾值設為177。 時，外部溫度變化不影響其感應住戶的性 能。此外，我們還驗證了在同樣的閾值下，寵物也