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1、学号： 09446501 常 州 大 学毕业设计（论文）外文翻译（2013届）外文题目 Tracking Motion Direction and distance with Pyroelectric IR Sensor 译文题目 热释电传感器跟踪运动方向与距离的应用 外文出处 IEEE 美国电气与电子工程师协会 学 生 成 驰 学 院 信息科学与工程学院 专 业 班 级 电子093 校内指导教师 段仲麒 专业技术职务 讲师 校外指导老师 专业技术职务 二一三年二月常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译热释电传感器跟踪运动方向和距离的应用热释电传感器因其具有无线传感网络（WSN）,低成本，低能
2、耗，以及呈现出小的波形因数而被称为极好的传感器器件。热释电传感器作为一个简单但是可靠的警报存在触发以及自动的亮灯系统，然而热释电传感器的产量取决于多个方面超越了简单的人类存在，例如人与传感器的距离和运动的方向，以及多个人的存在。在本论文中，我们将展示一种特征提出和传感器融合技术，这种技术利用一组装配有PIR传感器的无线节点来追踪在走廊中人类移动。我们的方法降低了计算和内存要求，因此它非常适合受资源限制的数字系统，比如可用的空闲节点。利用所提议的技术百分之百的正确检测运动的方向，以及83.49%-95.35%正确的检测距离间隔。 关键词分类器，距离，热释电传感器，跟踪一、简介热释电传感器属于温度
3、传感器的分类。温度传感器能够检测出由于温度改变伴随而来的辐射。当一个合适的吸波材料被应用于探测器的表面，它们可以对选定的波长范围做出响应。PIR传感器是用来检测人类身体，因此特定波长主要在红外窗口的8/14m的范围内，在这个范围人体的红外辐射也到达37的峰值。因为低成本，低能耗，而且能可靠的指示人类的存在，热释电红外传感器获得了世界范围的广泛应用。此外，热释电红外传感器可以用一个递减的波形因数方法生产，这种方法允许悄悄整合我们周围的大量的波形信号。现在，许多大楼安装有基于大量散布于不同的房间的PIR传感器的自动电灯开关和监控系统。超越了简单的存在，PIR传感器的产量取决于在其视场中的几个身体移
4、动的特征，比如运动的方向和人体与传感器的距离。这种观察激发了我们在发展提出这些特征的新技术的努力。特别是，我们的目标是实现一种基于密集排列的PIR传感器的人类检测系统。先前的工作论述了这种系统如何能够被用于提高视频监控系统和保护个人隐私。 在本论文中，我们提供了一种利用分布在环境中的PIR传感器的排列来检测人类的技术。这种技术只要求很低的计算能力，适合平行实现，并且只基于低成本低能耗。因此，它很适合于实现无线传感器网络节点，因为是无线从而减少了日后的成本。我们的方法采用了一种简单的分层结构。几个PIR传感器的自治集群覆盖感兴趣区。每个簇由两个可以检测运动方向和在3种可能区域中区分人类位置的节点
5、组成。在每个簇中，这些节点像分层数据图一样组织起来（靠近传感器，居中，靠近另一个节点）。每个节点局部地提出一组特征，并将它们发送到一个选中的节点(集群头)，这个节点执行传感器融合。这些信息再传送到控制感兴趣区的系统中。 论文的其余部分组织如下。在第二部分中，我们介绍热释电传感器和其工作原理。在第四部分描述系统和其分层结构。我们在感兴趣区中追踪人类移动的技术将在第五和第六部分呈现。最后我们将写出实验结果并将其包含在论文内。二、热释电传感器图1 典型的COTS热释电传感器的原理图。其中Lens 透镜 Overlapping FoV 重叠视场 FET Pre-amplifier 场效应晶体管前者放大
6、器 Sensitive element 敏感器件热电是一个电极或介电材料对其温度变化的电气响应。一个热电元件通过以下两步将入射红外流量转换成一种电量输出：吸收层的将辐射通量变化转换温度变化，然后热电元件完成温度到电量的转换。商用现货热释电传感器由通过相反极性端串联的两个元件组成（见图一）。这种结构使得传感器在背景温度下不受低电量的影响并且减少了输入辐射通量到达平稳经过的阶段。热释电红外传感器被用来与菲涅耳透镜连接起来从而增大并形成它们的视场。菲涅耳透镜是由经济型的塑料构成的良好的能量收集器并且呈现出比一般的透镜更加紧凑的形式因素。典型的菲涅耳透镜排列被用于将热释电传感器形成的视场分成几个相对分
7、开的锥形体视场。原因在于热释电元件只能检测出对即时红外辐射的变换。如果使用一个透镜，当人体通过热释电传感器的视场运动时（尤其是当该视场覆盖一个广阔的区域），即使很微小的红外辐射输入变化也可以被感知。另一方面，使用多个透镜是，人体在不同的透镜形成的锥形体中运动并且整体被感知。三、相关研究成果热释电传感器作为简单但是可靠的触发器被广泛应用于监控系统和自动光电开关系统。同时，热释电传感器作为低成本的相机增强机在视频监控系统中体现出令人满意的容量。Rajgarhia等人的研究利用热释电传感器连同摄像机来解决隐私问题。摄像机部署在公共领域而热释电传感器则部署在私人空间。人体跟踪通过两个系统的关联信息来实
8、现。本论文论述了在热释电传感器的帮助下减少相机部署的益处。事实上，一个60人调查强调了移动传感器为什么被认为比相机对人们隐私入侵性小。在Bai和Teng的论文中，他们提出了一种为居家监控的写字板设计。写字板中包含了ARM处理器，网络摄像头以及热释电传感器。后者触发了网络摄像头提示入侵者从而捕捉发送快照给远程服务器。Cucchiara等提出一种融合来自热释电传感器信息和来自一组摄像机的视频数据流从而提高在自动光学检测中的人类移动的一致标签。热释电传感器检测人类存在，移动的方向，这些特性帮助区分在障碍物后运动的反应和变化。其他作品只使用PIR传感器呈现不同的方法来执行人类跟踪。因为PIR对入射辐射
9、的变化很敏感, Hashimoto等人使用的数组传感器联同一个斩波器轮9。车轮具有与背景相同的温度;因此,这个模块只有在具有不同于背景温度的身体的存在下产生输出且作为一个热像仪。Gopinathan 等人10开发了一种基于编码孔径热电运动跟踪系统。四个PIR探测器是使用一个框架阴影与一组光圈设计来调节PIR在1.6 - 1.6米的可见区域。15细胞可以识别测量哪个热释电传感器可以感知人体存在哪个不可以。Song等人的作品11分析了热释电传感器对于安全系统的性能及适用性,提出了一种基于区域人力跟踪算法。作者定义了一个基于重叠视场的部署策略以确定兴趣区域的不同区域。这种技术已经在实际环境中被实现和
10、测试,作者声称高室内定位精度。Hao等人开发了一种无线热电传感器系统用来跟踪人类并作为生物识别系统。 这个系统由许多模块组成，每个模块内嵌几个热释电检测器。传感器视场用塑料包装调制。在Hao的作品中12，每个模块包含8个热释电传感器360度全面覆盖。模块采样过滤以及数字话来自于热释电传感器的数据从而推断出在一份局部坐标系中身体的角位置。四个模块部署在一个房间来跟踪单个人运动。类似的方法使用具有不同形式因素的模块和不同数量的热释电传感器在13中被呈现。使用相同的模块来跟踪多个人在14被提出。图2系统结构的示意图，其中Cluster簇 Cluster head 簇头System manager 系
11、统管理器 Area of Interest 感兴趣区在本论文中被呈现出的作品属于后者。关于此设计已被评估的部分的一个共同特使是这些作品都使用热释电传感器作为人体存在的数字指示。例如，在Hao的作品中12，角位置的是通过观察哪个传感器的输出超过阈值而得到的（数字化步骤）。与这种方法相反的是我们的方法探讨了模拟特性的使用如信号幅度和持续时间，这些特性可以由COTS PIR 传感器通过一个低成本，低功耗的无线传感器节点提取出来。此外,我们的系统具有模块化结构从而支持部署的灵活性,通过使用一个独立的构建块的变量数量。最后,对我们的算法发展的驱动因素是限制功率消耗。与其他作品相对照，我们的设计获得成功仅
12、仅是因为热释电传感器的低功耗。图3 热释电传感器视场 Metallic tape 金属带在本论文中，3种策略被采用：1）低计算需求的资源约束的低功耗硬件的使用；2）减少无线通信的节点间的分布式处理；3）红外传感器的使用也作为从超低功耗状态触发唤醒传感器节点四、系统描述 一个无线传感器网络开发人员必须处理一些关于无线传感器网络的具体特点的相关问题。电力消耗是关键问题之一,因为电池定标是对传感器节点微型化15的主要限制。此外,电池更换在很多情况下是不可行的。因此,有效的能源管理是至关重要的。最简单的方法来减少功耗是使用低功耗设备和被动传感器(如被动式红外传感器)。低功耗微控制器通常呈现出低计算能力
13、和记忆容量,通常小于10 kB RAM和小于512 kB的程序内存。由于这个原因,这些节点的算法开发应该提供有限的复杂性。注意,尽管单节点的能力是有限的,但由大量的节点组成在一起,整个网络的计算能力就足以执行复杂的算法。因此，具有高并行度的算法才被需要。通常，当收音机活跃时，无线传感器节点的功耗达到峰值。因此，无线通信应该是有限的。因此,无线通信应该是有限的。这些原因导致传感器数据是通过具体路径到达最终用户在本地进行处理和聚合而不是发送到中央基站进行加工。基于以上考虑因素，我们设计了一种分层结构来监控和跟踪人类通行。我们方法的方案可见图2。在设计图中，我们可以看到兴趣区域即我们所见的走廊就是由
14、集群中的几个节点所覆盖。每个集群是由两个放置在相反的墙壁且相对的节点组成。集群中的一个节点可作为簇头。所有的网络节点处理从传感器传入的数据并且提取一组相关特性(参见以下部分)。这些特性被发送给簇首,这些簇首用于融合与提取人们在其视场移动的信息。该指示发送到系统处理器，与其他簇首发送来的指示一起有系统管理器处理来跟踪人们的运动。A节点概述我们开发的一个无线传感器节点安装在Zigbee发地板的顶端，该发地板包含一个8位微处理器（GT60 of the 8-bit family HCS08）和一个Zigbee兼容的收发器(MC13192)。Zigbee是一种为WSN开发的低成本，低带宽，低功耗的无线
15、协议17。GT60具有60KB的数据和程序内存，4KB的RAM内存，且其频率为16MHz。我们的原型被动式红外传感器板设计使用了COTS组件。检测器是 Murata IRA E710 18，信号调节电路是一个两级放大器,它达到的总增长约1400并且是一个波长范围在0.57至11赫兹的带通滤波器。这是一个检测人类运动的合适范围19。此外,没有检测到运动时仍然有输出电压偏差。这个调节电路板包含一个低功耗的用来为来自收发信机的供电电源线路去耦的电压调节器，以及当电路板是在一个低功率的状态是产生唤醒信号的比较仪。传感器及其调节电路封装在COTS PIR存在检测器中,即 IS-215T 20。通常情况下,菲涅耳透镜数组产生的视场在水平面跨越110 -120度和垂直面90度。这种方法是不适合多人在兴
