王 歷，孫選辰，姜少維，俄萬林，李佳康，逯玉蘭

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

傳統(tǒng)意義上基于視頻、紅外、RFID、UWB的安防監(jiān)控系統(tǒng)能夠提供令人滿意的探測結(jié)果，但這些系統(tǒng)都需要專門的軟硬件設(shè)備，且需要對(duì)部署設(shè)備做好安全隱藏和一定程度的防護(hù)工作，普適性較差，部署成本較高[1]。近年來，使用“免持設(shè)備”的被動(dòng)式感知技術(shù)發(fā)展迅速，其中基于無線WiFi信號(hào)的智能感知技術(shù)成為研究熱點(diǎn)之一?；赪iFi技術(shù)的無線局域網(wǎng)，除了其通信功能之外，還能夠提供諸如人體檢測、室內(nèi)定位、穿墻斷層掃面、人員行為識(shí)別等傳感功能[2]。

事實(shí)上，利用無線信號(hào)進(jìn)行環(huán)境感知的應(yīng)用并不新鮮。多年以來，研究人員利用接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)(Received Signal Strengh Indication, RSSI)在各種無線感知場所進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究。但是由于RSSI是媒體訪問控制層的特性，沒有考慮信號(hào)在每個(gè)子載波上傳輸?shù)奶匦?，其粒度較粗，據(jù)此研究開發(fā)的系統(tǒng)魯棒性較差。文獻(xiàn)[3]研究表明，在室內(nèi)典型的環(huán)境下，一臺(tái)靜止的信號(hào)接收機(jī)接收到的信號(hào)，其RSSI指標(biāo)約有5 dB左右的波動(dòng)。文獻(xiàn)[4]指出，基于RSSI的室內(nèi)定位系統(tǒng)，在3 m～9 m的范圍內(nèi)，其出錯(cuò)的概率從50%～97%不等。目前，多數(shù)的無線通信系統(tǒng)都采用多載波調(diào)制技術(shù)，IEEE 802.11a/g/n無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)就是基于OFDM技術(shù)的[5]。OFDM將信號(hào)通過多個(gè)正交的子載波進(jìn)行傳輸，每個(gè)子載波上傳送的信號(hào)都具有不同的信號(hào)強(qiáng)度和相位，文獻(xiàn)[6]從理論上論證了獲取各個(gè)子載波信道頻譜特性的可行性，并提出了具體的實(shí)現(xiàn)思路，即利用目前廣泛部署的Intel 5300網(wǎng)卡，通過定制修改其驅(qū)動(dòng)程序，可獲取各個(gè)子載波的信道狀態(tài)信息CSI。

常規(guī)的安防系統(tǒng)大都基于視頻監(jiān)控方案，系統(tǒng)構(gòu)建涉及多個(gè)攝像頭、光纖、大容量硬盤、筆記本電腦、專用的視頻處理軟件、專業(yè)的管理和技術(shù)人員等，其建設(shè)成本很高；而且，在后期的事件復(fù)現(xiàn)過程中，基于視頻內(nèi)容的檢索是目前極具挑戰(zhàn)性的問題之一，即便存在解決方案，也要以采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種計(jì)算量超大的方案為代價(jià)。目前，工業(yè)界已經(jīng)部署的很多視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在事件重現(xiàn)階段都難以提供基于內(nèi)容的視頻檢索功能，只能依賴管理人員根據(jù)事發(fā)時(shí)間在視頻文件中人工搜尋，效率十分低下。CSI反映的是無線信號(hào)在MIMO系統(tǒng)中各個(gè)子載波的頻譜特性，其本質(zhì)是信道頻率響應(yīng)CFR的一個(gè)采樣版本。與MAC層的RSSI相比較，CSI能夠準(zhǔn)確地刻畫每個(gè)子載波的幅度以及相位變化，它對(duì)于環(huán)境變化異常敏感。在安保領(lǐng)域，諸如人員到訪等行為引起的信號(hào)變化，通過分析CSI數(shù)據(jù)，就可以建立起與現(xiàn)實(shí)環(huán)境變化相映射的數(shù)學(xué)模型。本文通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證實(shí)了通過CSI可以建立起基于普通WiFi設(shè)備的、普適性更強(qiáng)、成本更低的安防監(jiān)控系統(tǒng)。

1 相關(guān)背景

1.1 CSI數(shù)據(jù)解析

CSI刻畫的是每個(gè)子載波的幅度和相位信息，可用公式(1)描述：

H(fk)=||H(fk)||ejsin∠H

(1)

其中，H(fk)是中心頻率為fk的子載波的CSI值，∠H是相位。因此，一組CSI值H(fk)(k=1,2,…,k)刻畫的就是一個(gè)子載波的k個(gè)CFR樣本。

假設(shè)MIMO系統(tǒng)中，發(fā)射天線的個(gè)數(shù)為M，接收天線的個(gè)數(shù)為N。則每2根天線對(duì)之間的CSI可用矩陣描述如下：

(2)

其中，Hij表示第i根接收天線和第j根發(fā)射天線之間每個(gè)子載波上的CSI序列值。由于電磁波在室內(nèi)環(huán)境傳播過程中存在路徑損耗、陰影效應(yīng)和多徑衰落，這些環(huán)境因素導(dǎo)致的信道狀態(tài)信息都會(huì)如實(shí)地記錄在CSI中。

1.2 基于CSI的無線感知

自華盛頓大學(xué)、MIT等知名高校率先開展CSI研究以來，目前國內(nèi)已有香港科技大學(xué)、清華大學(xué)、南京郵電大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)開展基于CSI的應(yīng)用研究?？傮w而言，可將基于CSI的研究大致分為以下幾類。

1.2.1 室內(nèi)定位

目前，室外露天的定位系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展得十分完善，除了美國的GPS全球定位系統(tǒng)以外，近幾年我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)也發(fā)展迅速。但這些系統(tǒng)因?yàn)榻ㄖ锏恼诒味己茈y應(yīng)用到室內(nèi)環(huán)境[7]。而室內(nèi)定位的應(yīng)用需求卻十分迫切，諸如災(zāi)后人員搜救、老弱及精神疾病患者監(jiān)控、人質(zhì)解救、虛擬訓(xùn)練場等多種應(yīng)用場合都需要準(zhǔn)確的室內(nèi)定位信息。就基于CSI的室內(nèi)定位系統(tǒng)而言，文獻(xiàn)[8]提出的基于5G WiFi信號(hào)的BiLoc模型，通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，該系統(tǒng)通過判斷信道的到達(dá)角度實(shí)現(xiàn)定位。文獻(xiàn)[9]提出的Pilot系統(tǒng)充分利用CSI信息，通過建立指紋庫的辦法實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)定位，其異常探測能力和定位準(zhǔn)確性都較基于RSSI的系統(tǒng)高。文獻(xiàn)[10]基于CSI，利用三角定位算法，在Android平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)定位。

1.2.2 動(dòng)作姿勢及身份識(shí)別

WiFi信號(hào)通過電磁波傳播，人體在電磁波傳播環(huán)境中所做的不同動(dòng)作對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響也不盡相同，通過深入地處理和分析CSI數(shù)據(jù)，可達(dá)到通過CSI識(shí)別人體動(dòng)作的目的。更進(jìn)一步地，通過對(duì)CSI數(shù)據(jù)做更加精細(xì)化的處理，已有學(xué)者嘗試從CSI數(shù)據(jù)中提取人員身份信息，即從CSI數(shù)據(jù)中提取出由某個(gè)特定的人導(dǎo)致的數(shù)據(jù)變化，達(dá)到人員身份識(shí)別的目的。文獻(xiàn)[11]通過建立WiGest系統(tǒng)，在仔細(xì)處理和甄別CSI數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，做到了識(shí)別上、下、左、右、回環(huán)等幾種手勢。文獻(xiàn)[12]建立的系統(tǒng)能夠通過在視距路徑和非視距路徑下識(shí)別走、爬、跌倒、站立、坐下等動(dòng)作。文獻(xiàn)[13]提出的WiWho系統(tǒng)將CSI信息和人員行走的步態(tài)建立映射關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到身份識(shí)別的目的。文獻(xiàn)[14]通過CSI數(shù)據(jù)給被試人員建立“無線電指紋”，實(shí)現(xiàn)了“隔墻識(shí)人”。

1.2.3 LOS識(shí)別

CSI數(shù)據(jù)反映的是多個(gè)子載波信道的頻譜特性，多個(gè)子載波在頻譜上相互交織，難以區(qū)分。為實(shí)現(xiàn)基于CSI數(shù)據(jù)測距的目的，識(shí)別CSI信號(hào)中的“可視路徑”部分顯得格外重要。文獻(xiàn)[3]提及的FILA將CFR部分通過傅里葉反變換得到CIR，采用一種設(shè)置閾值的辦法分離出CSI數(shù)據(jù)中的可視路徑部分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)精確定位。由于帶寬限制，目前只能通過CSI數(shù)據(jù)分離出可視路徑的主要部分，而不能完全分離出在可視路徑下傳播的某個(gè)特定的子載波。

1.2.4 其他研究主題

一些研究人員利用CSI數(shù)據(jù)，開創(chuàng)了一些富有新意的研究課題，文獻(xiàn)[15]利用CSI數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了金屬探測，在1 m的范圍內(nèi)，其報(bào)警成功率高達(dá)90%。文獻(xiàn)[16]嘗試給出了通過WiFi信號(hào)識(shí)別鍵盤擊鍵的具體方案。文獻(xiàn)[17]通過精細(xì)的數(shù)據(jù)處理和算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于CSI的多人呼吸率檢測。文獻(xiàn)[18]實(shí)現(xiàn)了基于CSI數(shù)據(jù)的人員輪廓描繪系統(tǒng)，可基于此做到動(dòng)作識(shí)別和身份識(shí)別，做到了“隔墻觀人”。文獻(xiàn)[19]基于CSI實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)煙霧探測。文獻(xiàn)[20]基于CSI實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)。文獻(xiàn)[21-22]基于CSI實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)定位。

2 基于CSI的安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人類生活的諸多環(huán)境中，都需要建設(shè)對(duì)警戒級(jí)別要求不高的、能夠記錄“人員到訪”這一事實(shí)的安防監(jiān)控系統(tǒng)。這些場所涉及倉庫、圖書館、工業(yè)生產(chǎn)區(qū)、信訪接待室、居民小區(qū)、動(dòng)物保護(hù)站等。傳統(tǒng)的解決方案都是在上述環(huán)境中部署價(jià)格不菲的視頻監(jiān)控系統(tǒng)而且需要配備專門的管理和技術(shù)人員，成本頗高。WiFi信號(hào)從發(fā)送端到接收端的傳播過程中受環(huán)境變化(包括人體移動(dòng))影響，電磁波會(huì)發(fā)生反射、衍射、干涉等現(xiàn)象，這些由環(huán)境變化導(dǎo)致的信道狀態(tài)變化都能夠以CSI數(shù)據(jù)的形式記錄下來。目前，倉庫、圖書館、接待室、工業(yè)廠區(qū)、居民小區(qū)等常見的生產(chǎn)和生活環(huán)境基本上都部署了WiFi熱點(diǎn)，可以通過一臺(tái)安裝有Intel 5300網(wǎng)卡的普通計(jì)算機(jī)和現(xiàn)成的WiFi熱點(diǎn)建立起網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)發(fā)送端和接收端都處于通信狀態(tài)時(shí)(Ping命令就可以實(shí)現(xiàn)二者的網(wǎng)絡(luò)通信)，如果環(huán)境中沒有什么變化，WiFi信號(hào)基本都保持在一個(gè)比較平穩(wěn)的狀態(tài)(CSI數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較好的一致性和穩(wěn)定性)。當(dāng)人員來訪或者外界干擾發(fā)生時(shí)，CSI數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)出“突變”模態(tài)。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了基于CSI的安防監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于一般只需要保留和記錄“人員來訪”事實(shí)的、警戒級(jí)別較低的場所。與使用視頻以及其他傳感器建立監(jiān)控系統(tǒng)相比較，通過CSI數(shù)據(jù)建立安防監(jiān)控系統(tǒng)具備如下明顯的優(yōu)勢：

1)普適性。目前，WiFi信號(hào)已經(jīng)像自來水等生活基礎(chǔ)設(shè)施一樣部署在人類生活的各個(gè)場所，利用WiFi信號(hào)開發(fā)相關(guān)應(yīng)用具有很強(qiáng)的普適性。

2)免穿戴?；赪iFi信號(hào)的檢測是一種被動(dòng)檢測，無需被檢測對(duì)象攜帶任何設(shè)備，也不需要被檢測對(duì)象暴露在可視環(huán)境中。

3)精度較高。每一個(gè)CSI數(shù)據(jù)記錄中包含所有發(fā)射天線和接收天線間各個(gè)載波的幅度、相位、時(shí)間戳等豐富的信息，完全能夠保證安防監(jiān)控的精度要求。

4)成本低。與需要采用各種專用設(shè)備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，基于CSI的安防監(jiān)控系統(tǒng)只需要采用普通的路由器和計(jì)算機(jī)就可以搭建，成本很低。

5)隱私保護(hù)。與視頻監(jiān)控需要保存被檢測對(duì)象的影像數(shù)據(jù)不同，基于CSI的檢測系統(tǒng)只檢測并保留“人員到訪”事件的CSI特征數(shù)據(jù)，避免了隱私泄露。

6)便于檢索。較之于視頻監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)以連續(xù)的圖像或視頻形式保存，而且難以構(gòu)建基于內(nèi)容的檢索系統(tǒng)。CSI數(shù)據(jù)可以普通文本形式存儲(chǔ)，對(duì)于“到訪”事件的時(shí)間以及的典型的特征值都可以存儲(chǔ)在普通的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，可以很容易地構(gòu)建基于時(shí)間和事件內(nèi)容的檢索系統(tǒng)，極大地提高了重現(xiàn)事件的效率。

2.1 系統(tǒng)框架

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、特征提取模塊以及分類模塊組成，系統(tǒng)實(shí)施分2個(gè)階段進(jìn)行：1)離線建設(shè)與訓(xùn)練階段，通過對(duì)比靜態(tài)環(huán)境和有人員到訪條件下的CSI數(shù)據(jù)，抽象出“人員到訪”事件的特征并依賴聚類模塊形成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；2)在線檢測階段，系統(tǒng)開啟實(shí)時(shí)檢測模式，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)和已有的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集做特征匹配運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)安防監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的本質(zhì)是用可控的信號(hào)載體捕捉現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的變化，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)基于傳感器對(duì)光學(xué)信號(hào)的捕捉并保存為圖像或視頻形式供人分析和鑒別。所涉及的核心設(shè)備有信號(hào)發(fā)生器(普通光學(xué)信號(hào)的光源，即光照條件)、信號(hào)采集器(攝像頭等光信號(hào)采集設(shè)備)、信號(hào)存儲(chǔ)器(硬盤)以及信號(hào)處理設(shè)備(專用的圖像或視頻信號(hào)處理軟件)。當(dāng)感知環(huán)境的信號(hào)由光學(xué)信號(hào)變?yōu)閃iFi信號(hào)后，監(jiān)控系統(tǒng)的本質(zhì)并沒有發(fā)生改變，依舊需要信號(hào)發(fā)生器(普通路由器)、信號(hào)接收機(jī)(配備Intel 5300網(wǎng)卡的普通計(jì)算機(jī))以及信號(hào)處理設(shè)備(一些針對(duì)特定領(lǐng)域的算法和程序)。顯然，后者的部署成本要低得多。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，系統(tǒng)部署采用極為普通和廉價(jià)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，WiFi信號(hào)發(fā)射端使用Tenda W3000R路由器，接收端使用配置了Intel 5300網(wǎng)卡的ThinkPad X200筆記本電腦。為了降低數(shù)據(jù)處理的難度，發(fā)送端配置1根發(fā)射天線(常見的單天線交換機(jī))，接收端配置3根接收天線(一般商用和家用電腦的網(wǎng)卡配置)。發(fā)送端和接收端放置在離地面約為1.5 m高的桌面上，二者水平相距3 m。接收端通過向發(fā)送端發(fā)送ICMP數(shù)據(jù)包并通過CSI工具(Linux平臺(tái)下定制的Intel 5300的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)以及CSI實(shí)時(shí)記錄工具，系開源工具)實(shí)時(shí)記錄來自發(fā)送端的反饋數(shù)據(jù)包，即CSI記錄。數(shù)據(jù)采集的設(shè)備部署如圖2所示。

圖2 設(shè)備部署與數(shù)據(jù)采集

由于發(fā)送端配置有1根天線，接收端配置有3根天線，每一個(gè)天線對(duì)之間的信號(hào)通過30個(gè)子載波傳遞[20]，根據(jù)公式(1)、公式(2)，獲取的數(shù)據(jù)格式為1×3×30的矩陣形式。

在獲取數(shù)據(jù)時(shí)，假設(shè)設(shè)備的部署環(huán)境沒有強(qiáng)電磁干擾，具備WiFi信號(hào)通信的基本條件。圖3展示了在一般的小區(qū)環(huán)境中，通過模擬人員到訪行為獲取的各個(gè)天線上的原始載波數(shù)據(jù)。

圖3 “人員到訪”原始載波數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)處理

理論上，每個(gè)接收天線的30個(gè)子載波具有大致相同的傳輸環(huán)境。實(shí)際情況中，這30個(gè)子載波在傳輸過程中發(fā)生反射、衍射、干涉等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致載波數(shù)據(jù)不會(huì)完全一致，表現(xiàn)為圖3當(dāng)中部分載波數(shù)據(jù)的“形變”。因此，數(shù)據(jù)處理的第1步是從天線的子載波數(shù)據(jù)中抽取“有用”的信息，忽略數(shù)據(jù)的微小差異，只保留基本趨勢較為穩(wěn)定的載波數(shù)據(jù)。實(shí)際上，每個(gè)天線的載波數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含著十分細(xì)致的環(huán)境變化數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)的研究可以進(jìn)一步拓展CSI無線感知的應(yīng)用領(lǐng)域。本文所涉及的安防監(jiān)控系統(tǒng)只需要提取穩(wěn)定的、能夠反映“人員到訪”事實(shí)的數(shù)據(jù)，所以文中以均值濾波算法為基礎(chǔ)，將每個(gè)天線的30個(gè)載波數(shù)據(jù)做了平滑處理，所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 載波數(shù)據(jù)預(yù)處理

一般而言，人員移動(dòng)的頻率介于0.3 Hz～2 Hz，即人員移動(dòng)對(duì)于信號(hào)所造成的擾動(dòng)主要反映在信號(hào)的低頻部分，故數(shù)據(jù)處理的第2步是將信號(hào)中的高頻部分予以過濾，只保留能夠反映人員移動(dòng)的低頻部分。本文使用巴特沃茲IIR濾波器對(duì)較為穩(wěn)定的載波數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，設(shè)人員擾動(dòng)的頻率f為2 Hz，由于CSI數(shù)據(jù)的采樣頻率Fs為1000 Hz，通過公式(1)可得，巴特沃茲濾波器的截止頻率wc:

(3)

濾波效果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)濾波

2.4 “人員到訪”事件特征提取

CSI數(shù)據(jù)包含每個(gè)子載波的幅度和相位信息，基于CSI的數(shù)據(jù)分析，需要針對(duì)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)出明確的特征空間，即一系列統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的集合。在時(shí)域上，可利用最大值、最小值、平均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏斜度以及峰態(tài)等作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，通過在給定的時(shí)間窗口內(nèi)計(jì)算這些指標(biāo)中的一個(gè)或若干個(gè)來明確地定義“人員到訪”行為。在頻域上，可利用的指標(biāo)有功率、熵值、頻率、傅氏變換峰值等，具體的指標(biāo)體系及其說明見表1。

表1 CSI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)體系

σ表示一個(gè)滑動(dòng)窗口內(nèi)載波信號(hào)振幅的標(biāo)準(zhǔn)差。

MaxPt表示一個(gè)滑動(dòng)窗口內(nèi)振幅值超過窗口均值的極大值點(diǎn)的個(gè)數(shù)，理想情況下值為1。

MinPt表示一個(gè)滑動(dòng)窗口內(nèi)振幅值超過窗口均值的極小值點(diǎn)的個(gè)數(shù)，理想情況下值為1。

一般而言，“人員到訪”行為會(huì)在2 s～10 s內(nèi)完成，本文設(shè)定觀測信號(hào)的時(shí)間窗口T的值為10 s。

理想情況下，在沒有“人員到訪”事件時(shí)，一個(gè)滑動(dòng)窗口內(nèi)的信號(hào)振幅的標(biāo)準(zhǔn)差σ應(yīng)當(dāng)恒為0。但實(shí)際應(yīng)用中，σ的值總是大于0的，圖6展示了一段時(shí)間內(nèi)多個(gè)連續(xù)的滑動(dòng)窗口的σ值的變化趨勢。分析發(fā)現(xiàn)，即便沒有人員到訪行為，信號(hào)的σ值也并非0值，這進(jìn)一步說明了CSI信號(hào)對(duì)于環(huán)境變化異常敏感，對(duì)于細(xì)微的變化也能夠?qū)崟r(shí)“捕捉”。

圖6 多個(gè)連續(xù)滑動(dòng)窗口的標(biāo)準(zhǔn)差趨勢

對(duì)于信號(hào)的能量特征E，當(dāng)“人員到訪”事件發(fā)生時(shí)，其值也會(huì)發(fā)生明顯的“激增”，也能很好地表征事件，本文通過實(shí)驗(yàn)將E的取值范圍定為(2.0×10-4,∞)。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，一個(gè)正確表征了“人員到訪”事件的滑動(dòng)窗口，其內(nèi)至少含有一個(gè)波峰和一個(gè)波谷，但峰值點(diǎn)的個(gè)數(shù)在有些情況下不止1個(gè)(一般為2～3個(gè))，這些精致的變化實(shí)際上蘊(yùn)含著人員到訪者的其他身體活動(dòng)(比如彎腰、突然減速、臥倒匍匐等)。

2.5 系統(tǒng)部署

系統(tǒng)實(shí)施分為前期訓(xùn)練和后期在線檢測2個(gè)階段。前期訓(xùn)練主要為了在特定的應(yīng)用場合部署系統(tǒng)并訓(xùn)練出“人員到訪”事件各個(gè)特征值的取值范圍；后期在線檢測利用已有的特征值做特征匹配進(jìn)而判斷是否有“到訪”事件發(fā)生。

2.6 系統(tǒng)改進(jìn)

在上述部署之后，如果有必要在“人員到訪”事件發(fā)生時(shí)記錄視頻信息，只需要在系統(tǒng)中部署攝像頭而且僅需要在事件發(fā)生時(shí)啟動(dòng)攝像頭產(chǎn)生視頻數(shù)據(jù)，其余時(shí)間并不記錄視頻數(shù)據(jù)，整個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)由WiFi信號(hào)的各個(gè)子載波承擔(dān)，系統(tǒng)改進(jìn)后的基本流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)改進(jìn)后流程

改進(jìn)后的系統(tǒng)僅在事件發(fā)生時(shí)啟動(dòng)攝像頭記錄視頻數(shù)據(jù)，記錄時(shí)長可根據(jù)應(yīng)用需求自行設(shè)置(圖中設(shè)置為10 s～60 s)，可以用事件發(fā)生的時(shí)間作為視頻數(shù)據(jù)文件的文件名。與此同時(shí)，還可以將事件發(fā)生時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中，其數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 事件記錄表

這樣，在產(chǎn)生海量視頻文件時(shí)，可以方便地在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查找和統(tǒng)計(jì)，比如統(tǒng)計(jì)本月內(nèi)的“人員到訪”次數(shù)。這些操作在當(dāng)前傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中都難以實(shí)現(xiàn)，僅僅就統(tǒng)計(jì)某一時(shí)間段內(nèi)的“人員到訪”次數(shù)而言，首先要瀏覽該時(shí)間段內(nèi)的所有視頻數(shù)據(jù)，而且要讓系統(tǒng)理解視頻中什么是“人員到訪”事件(即理解視頻內(nèi)容)，目前的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)集

本文設(shè)計(jì)此系統(tǒng)的初衷不但是為了通過信道狀態(tài)信息監(jiān)測到人員到訪事件，進(jìn)一步地，還包括通過信道狀態(tài)信息識(shí)別人員到訪的事件類別，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)化地判斷到訪人員的寡眾。因此，在構(gòu)建數(shù)據(jù)集的過程中，選用宿舍大廳監(jiān)控場景，共采集了4244個(gè)人員活動(dòng)事件片段，并通過人工標(biāo)注方法記錄了人員活動(dòng)事件的類型，分別為單人通過、多人通過以及多人聚集3種動(dòng)作類型，并將數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集和測試集，詳見表3。

表3 數(shù)據(jù)集樣本分布

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)信號(hào)在特定特征上的數(shù)值超過設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為發(fā)生了人員到訪事件，時(shí)間檢測的準(zhǔn)確性通過時(shí)間誤差進(jìn)行度量。假設(shè)視頻中發(fā)生人員到訪事件的真實(shí)時(shí)間為Tg，系統(tǒng)通過CSI信號(hào)檢測到人員到訪事件的預(yù)測時(shí)間為Tp,則Tg與Tp之間的差值即可反映系統(tǒng)的預(yù)測性能。通過實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得到系統(tǒng)在整個(gè)數(shù)據(jù)集上對(duì)人員到訪時(shí)間的平均預(yù)測差值為1.8 s,其計(jì)算公式如式(4)：

(4)

式中，Tg(i)和Tp(i)分別為第i次人員到訪事件的真實(shí)時(shí)間和預(yù)測時(shí)間，N為事件總數(shù)。表4給出了其中20次人員到訪事件的真實(shí)時(shí)間以及系統(tǒng)的預(yù)測時(shí)間，可以看到，每次事件預(yù)測的時(shí)間誤差在2 s以內(nèi)。

表4 事件檢測結(jié)果

表5給出了這20次人員到訪事件的關(guān)鍵特征值。

表5 事件特征值

經(jīng)過調(diào)試，在有人員活動(dòng)的場景下，對(duì)單人或多人活動(dòng)的事件檢測，相關(guān)的特征閾值設(shè)置為表6所示的數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)間檢測的準(zhǔn)確率最高。

表6 “人員到訪”事件典型特征值

確定了上述特征值的系統(tǒng)在部署以后，對(duì)于“人員到訪”事件的檢測成功率超過99.07%。將系統(tǒng)部署運(yùn)行后，在24 h的檢測時(shí)間段內(nèi)，成功預(yù)警了共計(jì)107次人員到訪事件。

4 結(jié)束語

以較低的成本實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控系統(tǒng)在很多行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，在警戒級(jí)別較低的一般性安保場所，通過最基本的WiFi設(shè)施(路由器、手機(jī)和普通電腦)實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控是理想的實(shí)施方案。本文根據(jù)當(dāng)前已有的關(guān)于CSI應(yīng)用的理論成果，使用最為常用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在合理部署實(shí)驗(yàn)并獲取大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了可用于一般安保場所的安防監(jiān)控系統(tǒng)。主要結(jié)果可總結(jié)如下：

1)與其他理論研究相比較，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最終得以部署應(yīng)用，系統(tǒng)安防監(jiān)控的成功率超過99%且系統(tǒng)的部署成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他專用監(jiān)控系統(tǒng)。

2)與其他專用監(jiān)控系統(tǒng)相比較，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的不便之處體現(xiàn)在部署系統(tǒng)時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場情況做若干次實(shí)驗(yàn)以確定具體參數(shù)。但即便如此，系統(tǒng)部署時(shí)間也遠(yuǎn)少于專用系統(tǒng)的安裝時(shí)間。

4)較之于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在加入攝像頭和數(shù)據(jù)庫支持后可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)視頻“內(nèi)容”的檢索，而且只有在感興趣的事件發(fā)生時(shí)記錄視頻數(shù)據(jù)，其余時(shí)間不產(chǎn)生視頻數(shù)據(jù)，大大提高了監(jiān)控效率。

實(shí)際上，CSI信號(hào)對(duì)于環(huán)境變化極其敏感，對(duì)于環(huán)境中的細(xì)微變化也能夠?qū)崟r(shí)“捕獲”。從本質(zhì)上講，CSI信號(hào)中保留了WiFi無線電信號(hào)在空間傳播時(shí)的真實(shí)記錄。通過進(jìn)一步挖掘CSI信號(hào)數(shù)據(jù)，可以更深入地窺探WiFi無線電信號(hào)在不同環(huán)境中的傳輸細(xì)節(jié)，借此可增加基于CSI信號(hào)無線感知應(yīng)用的深度和廣度，這也是筆者后續(xù)研究的方向。