基于热释电无线传感网络的人体目标识别系统

焦宇浩

（合肥工业大学，安徽合肥，230041）

1 人体运动目标识别研究

1.1 人体红外的基础知识

光是一种无线电波，其电磁辐射与无线通信波相同。目标的形状但是导弹手机由于高频电磁波的辐射。如果这部分辐射源是由室内温度引起的，它们会传导热量。其中，电磁辐射是自然界分布最广的。在运动中，会产生连续的红外线辐射，为空气排放提供热量。所以，不时会有红外线能量向外移动。连续向外扩散，都知道当小物体的整体温度较高时，分子的吸收和夸克运动会更加强烈，发出的红外光越多，生命的能量就越大。虽然红外探测辐射的影响是一种肉眼看不见的高能射线，但其核心本质特征与可见光谱基本相同，其特有的物质能量在人类的认识中是一样的。在性特征的情况下，红外辐射当然也有光的多次折射和散射。在真空环境中，红外探测的直接辐射的再传播速度非常快，光的有效传播速度相同。

1.2 热释电无线传感器的工作原理

热电材料是具有热电链接作用的主要材料。在本文中，研究了热释电传感器的物理原理，并且不熟悉工作方法。在某种程度上，设计了由热释电传感器和步兵阵列组成的传感器关键节点。试图实现快速识别人体运动中的近期目标的基本功能。在早期阶段，使用了perc材料和传感器。材料不仅具有调节系数大和介电自变量小的突出优点。另外，它具有宽的主动响应，高灵敏度和高灵敏度的优点。单晶硅材料的制造过程更加复杂，成本也很高。热电红外传感器通常有三种类型，即单元型，双型和四元型。每个单位类型的传感器都可以感应任何温度下室内温度的明显变化。因此，有必要对温度下降进行相应的补偿以降低灵敏度。各种传感器也称为室内温度经济补偿传感器。它们广泛用于空间探测器，各种气体分析和仪器设备，直接辐射测温仪等。到目前为止，人体目标检测主要使用先进的双四元素多传感器。在这个行业中，具有双重元素的传感器具有明显的优势。归一化后，圆瓣之间重叠区域的灵敏度将大大降低。产生这种不良现象的原因是组件的反向串联连接，这导致更严重的衰减率，该衰减率与区域的信号重叠。热电驱动效应是负电荷快速释放的过程。热释电传感器的背面受到红外探测器辐射的影响，从而导致室内温度发生重大变化。控制电路中的电阻器也可以真正模拟这种体验。当整体温度变化时，电阻变化很大，控制电路产生高压电流。

1.3 热释电红外传感器的检测原理

热电链接效应是指热电材料吸收电荷（电子）以始终保持表面的电中性的现象。当热释电红外材料通过热辐射时，整体温度将发生变化，因此材料和电偶极矩将发生变化。为了更好地长时间保持电的中性，该材料会在表面释放出负电荷。由具有热电市场效应和特殊工艺的主要材料制成的传感器称为热释电激光传感器。当热光电导效应的主要材料暴露于红外检测辐射源时，主要热电材料的外表面将带正电由于热电放大作用，可以制造热电光学传感器。热电的基本原理是当材料暴露在热成像辐射下时重新释放电荷。因此，当主要材料的表面暴露于红外检测器的直接辐射时，可以精确地测量表面电压值。热释电传感器将红外辐射转换成信号转换以得到检测结果。转换过程分为以下几个步骤：第一步是在接收红外探测器的辐射后改变主材料在外表面上的温度下降；第二步是改变表面温度。在第二步骤中，由于外部腔室内温度的明显变化，热电材料释放电能，这完全改变了正极上负电荷的高密度，但是并不总是保持原始的稳定状态。在第三步中，强信号将发生变化，主要材料的负电荷传递到内部和外部，然后放电到电路元件或输出阻抗电路系统中，以形成各种电信号。热电传感器的体表面积和室内温度的变化与形成电压时由红外传感器的直接辐射形成的强电流成比例。这种功能特性是热电最重要的主要特征。它成为红外传感器的很好的直接辐射源，人体功能的最典型室内温度值为37°C。正是因为人体功能的温度下降与外部环境的室内温度之间没有一定的温差，并且两者之间将存在连续的直接热交换。

1.4 热释电无线传感网络人体目标识别方法

到目前为止，热释电传感器主要用于监视警报，但是这种警报的准确性非常低。它只能准确地确定是否存在许多人，而不能准确地确定特定的主要位置。如何利用自身的热释电光电传感器来监测人体细胞辐射源的相对敏感化学特征，从而实现对人体长期目标的更准确自动识别，是该行业在新应用中的特殊情况。在主要可探测区域内移动时，重要区域内的各种传感器可以输出信号以指示它们将受到相应的刺激，并根据二进制系统排列这些信号，然后恢复人体的生理状态以在不同的主要区域内移动地区。可以基于许多代码值来计算形成的代码值以及人体细胞的性能。在特定内容的位置，为了实现对近期目标人工智能算法的自动识别，在硬件和软件系统中使用了热释电激光传感器。大目标的可识别精度与检测到的人类新陈代谢的主要位置无关，可以做出更大的努力来实现整体覆盖。随着研究者对热释电人体识别技术研究的深入，2009年Hao Q.等人提出利用4个热释电传感器节点组成热释电传感网络，并形成矩形感应区域。当多个人目标在感应区域固定的路径上移动时，各节点所采集的人体热释电信息通过多种融合算法进行了融合识别。但该方法对人体的移动路径，多人体的移动方式以及节点空间位置的要求过于严格，不利于实际环境中的应用。

近期，Zhao N.等人利用 BSS 的方法将多个在感应区域移动的人体目标数目进行了识别。开拓了将 BSS 方法应用在人体热释电信息分离的先例。Xiong J.等人利用热释电传感器设计了一个独特的双栏多孔结构体来获取人体热释电信息，并利用希尔伯特-黄变换实现了对多人体信号的识别。然而他们的数据采集平台都利用了HAO Q.的数据采集模型，没有人为因素和其他环境因素的干扰，并且无线网络中热释电节点的拓扑结构均为矩形。不能满足实际环境中对节点拓扑结构的需求。同时，Guan Q.J.等人首次提出利用热释电传感器矩阵获取人体热红外信号，然后利用压缩感知技术并结合最近邻域法( nearest neighbour classifier algorithms，NN) 算法实现对人体的多种运动姿态进行识别，但该算法计算量较大，难于达到实时识别。总结现阶段的研究成果发现国内外的研究人员都利用了不同结构的热释电矩阵以不同方式实现对人体目标的识别，并提高了对人体的识别能力，但忽略了对人体识别的可靠性和抗干扰性。

鉴于国内外对热释电识别技术的研究大部分停留在实验室内阶段，实验室内没有环境因素和人为因素的影响，同时部分研究团队为了得到完整的人体热释电数据和相应的结论，简单的应用了单个节点或固定的拓扑结构对人体热红外数据进行采集。而在现实的应用环境和策略中，所得结论并不稳定可靠，并且应用场景也受到一定的限制，所以需要设计并建立一套能在真实环境中以应用为基础的融合策略和算法，来弥补单个传感器或多个简单叠加的传感器在实际应用过程中所存在的缺陷，即单个传感器识别能力较弱且不稳定、多个简单叠加的传感器所组成的传感网络，应用模式存在局限，都不能满足实际需求。

2 实验系统的设计与实现

2.1 传感器节点设计与实现

热释电传感器的输出能力信号是低压实际模拟信号。必须先生成信号，然后将其放大到5V以上，以执行阈值以做出判断和处理。在热物理信号被放大显示控制电路最大化后，它被传输到TTL电路连接，并且TTL电路的一部分输出容量。热电输出的高电平电压值高于2.4V，低电平输出电压可低于0.4V。在正常条件下，热释电可输出的高电平输入电压值为3.5V；当插头输出电流为9V时，热放电光传感器将通过电位输出电压信号表示，输入电压为典型特性值20mV，最大输出约为50mV。因此，要生成信号然后放大几千倍，则需要再放大100倍。选择使用另一个无限放大100倍的前置放大器，这很容易导致高放大倍数的信号噪声。因此，信号的产生必须无限扩展到100倍，设计了放大显示的软件系统。电路系统的重要功能是对控制信号进行校正，对控制信号进行预处理和放大，然后通过电磁耦合的方式将信号传输到第二级运算过程功率放大器进行二级放大。为了和数字控制电路相匹配，各种真实模拟信号被送入由比较器组成的幅度鉴别器，它可以检测各种有效信号并输出高低TTL电平。热电红外传感器模块的电源由主板的扩展接口提供。传感器功能模块可以通过引脚固定在主板上。为了更好地简化模块的整体结构，该引脚为2.54mm引脚，这引脚依次为信号控制输出引脚（OUT），插入板io端口（vcc）和接地垫（GND）。该信号使用次级运算放大器的功率放大器和鉴频器，并且可以按照相同的规定由数字信号/实际模拟信号表示，并且触发信号输出功能芯片引脚。LM324的最大耐压为32V，因此VCC芯片引脚也可以连接到主板的主板上。

2.2 传感器节点母板的硬件实现

多个传感器节点的主板是传感器系统模块的背板以及系统模块ZigBee的模块。通过插针位置固定在主板上，因此它成为传感器的非常关键的节点。主板的几个功能是：1.插入扩展系统模块，然后使用插件模块完全更改主板的基本功能。根据以上实际数据，将及时选择主板的功能。2.电压稳定性和电压转换热电工作，电压传感器为9V，而CC2430仅需要3.3V。这功能模块已插入主板电源模式，因此在使用主板时，它们可以提供电源和电源电压调节的基本功能。对高频放大器的实际数据测试发现，集成电路3.3V的连续输出不是理想的DC电平，没有与周期性电脉冲机械噪声混合，其幅度大约是一个正数，以免影响ATV。对于通信设备，在电路连接部分设计的输入和输出引脚上安装了大小不一的滤波电感器，以确保稳定的运行电压值。