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        ZigBee信號(hào)在無限感知系統(tǒng)位置中的應(yīng)用

        2022-07-29 14:12:28
        計(jì)算機(jī)時(shí)代 2022年7期
        關(guān)鍵詞:接收端尺度波形

        孫 遒

        (黑龍江科技大學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心,黑龍江 哈爾濱 150022)

        0 引言

        ZigBee 信號(hào)作為常見的無線通信媒介,已被科研人員熟知,如居室和辦公室都可以應(yīng)用。以無接觸的方式復(fù)用ZigBee 信號(hào),來感知人或環(huán)境的情境信息已成為一個(gè)新興而極具潛力的研究方向,催生了一系列智能感知應(yīng)用,從小尺度的呼吸檢測(cè)、手指跟蹤、鍵盤輸入,到大尺度的跌倒檢測(cè)、行為識(shí)別、行走軌跡追蹤等。

        相比于基于可穿戴設(shè)備的感知方式,ZigBee 無接觸感知無需被感知目標(biāo)攜帶任何設(shè)備,具有自然、非侵?jǐn)_的優(yōu)勢(shì)。ZigBee 無接觸感知的基本原理是:ZigBee 發(fā)送端發(fā)射無線電磁波信號(hào),該信號(hào)受環(huán)境中靜態(tài)和動(dòng)態(tài)目標(biāo)的反射、衍射、散射等物理現(xiàn)象的影響,通過多條路徑傳播到ZigBee 接收端。如果能建立接收信號(hào)與感知目標(biāo)活動(dòng)狀態(tài)之間的映射關(guān)系,那么就能用接收到的ZigBee信號(hào)反演出目標(biāo)的活動(dòng)狀態(tài)。

        1 基于菲涅爾區(qū)模型的無線感知

        2016 年,張大慶等學(xué)者將菲涅爾區(qū)模型引入到ZigBee 無接觸感知領(lǐng)域,從幾何空間的角度建立了ZigBee 信道狀態(tài)信息的波動(dòng)模式與被感知目標(biāo)相對(duì)于收發(fā)設(shè)備的位置及其運(yùn)動(dòng)軌跡之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,為理解ZigBee 無接觸感知系統(tǒng)中的位置依賴性問題奠定了理論基礎(chǔ)。

        1.1 基于菲涅爾區(qū)的衍射模型

        假設(shè)空間中位置物體到直射路徑(LoS)的距離為,信號(hào)經(jīng)過P 點(diǎn)的路徑長度與路徑長度的差為:

        那么,兩條路徑到達(dá)接收端信號(hào)的相位差為:

        所以,物體到達(dá)前沿和后沿接收端的表達(dá)式為:

        因此,物體在兩端產(chǎn)生的衍射增益為:

        根據(jù)式⑸,模擬直徑為30cm的圓形物體穿越第一菲涅爾區(qū)的過程。假設(shè)收發(fā)設(shè)備相距3m,則第一菲涅爾區(qū)半徑為18cm,根據(jù)模型計(jì)算獲得的理論波形如圖1所示。

        圖1 菲涅爾區(qū)信號(hào)疊加示意圖

        1.2 基于菲涅爾區(qū)的反射模型

        當(dāng)物體位于第一菲涅爾區(qū)以外時(shí),反射現(xiàn)象占主導(dǎo)地位。此時(shí),物體不會(huì)遮擋直射路徑,到達(dá)接收端的能量是物體反射信號(hào)和直射信號(hào)疊加的效果。ZigBee 接收端得到的信道狀態(tài)信息刻畫了經(jīng)過所有路徑的信號(hào)線性疊加的結(jié)果,這些路徑包括經(jīng)由LoS等不變的靜態(tài)路徑和由目標(biāo)移動(dòng)引起的會(huì)發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)路徑。如果靜態(tài)路徑和動(dòng)態(tài)路徑的信號(hào)合成矢量分別被表示為H(靜態(tài)信號(hào)矢量)和H(動(dòng)態(tài)信號(hào)矢量),那么接收信號(hào)的振幅可表示為:

        其中,是靜態(tài)信號(hào)矢量和動(dòng)態(tài)信號(hào)矢量間的相位差,也被稱為菲涅爾相位。

        1.3 模型驗(yàn)證

        通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證菲涅爾區(qū)衍射和反射模型。使用滑軌分別控制鐵罐和人體模型的移動(dòng),從菲涅爾以外移動(dòng)直至穿越第一菲涅爾區(qū),驗(yàn)證理論公式計(jì)算的接收信號(hào)和實(shí)際的物體移動(dòng)接收到的信號(hào)的匹配程度。放置一對(duì)ZigBee收發(fā)設(shè)備,如圖2所示,天線具有高度相同,相互距離2m,ZigBee信號(hào)的中心頻率為5.24GHz,信號(hào)的波長為5.8cm。鐵罐直徑為17cm,人體模型的胸腔厚度為26cm,將鐵罐/人體模型放置于滑軌上,滑軌的速度設(shè)置為16cm/s。

        圖2 模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

        如圖3所示,如果環(huán)境中僅有一個(gè)被感知目標(biāo),當(dāng)它活動(dòng)起來穿越第一菲涅爾區(qū)時(shí),動(dòng)態(tài)路徑信號(hào)呈類似正弦“sina”波形,其波峰波谷對(duì)應(yīng)物體穿越菲涅爾區(qū)邊界。物體到達(dá)第二菲涅爾區(qū)邊界時(shí),信號(hào)的波峰對(duì)應(yīng)目標(biāo)穿越奇數(shù)菲涅爾區(qū)邊界的位置,信號(hào)的波谷對(duì)應(yīng)目標(biāo)穿越偶數(shù)菲涅爾區(qū)邊界的位置,形成類似“W”狀的波形模式。由于不同尺度大小的活動(dòng)因幅度差異而導(dǎo)致穿越菲涅爾區(qū)的數(shù)量有明顯區(qū)別,下面將利用菲涅爾區(qū)模型分析小尺度活動(dòng)的位置問題。

        圖3 菲涅爾區(qū)模型的運(yùn)動(dòng)軌跡與接收信號(hào)波動(dòng)模式之間的關(guān)系

        2 小尺度活動(dòng)的位置依賴問題

        像呼吸、敲擊鍵盤、嘴部動(dòng)作等小尺度活動(dòng),其活動(dòng)幅度往往只有毫米級(jí)或厘米級(jí),無法穿越一個(gè)完整的菲涅爾區(qū),使得接收信號(hào)的波形只是完整周期信號(hào)波形中的一個(gè)片段,該信號(hào)片段的模式與被感知目標(biāo)所在的菲涅爾區(qū)的位置相關(guān)。

        以微小的手指活動(dòng)為例,圖4 給出了四種典型的信號(hào)片段波動(dòng)模式與其對(duì)應(yīng)的小尺度活動(dòng)位置的關(guān)系。以位置1 和位置2 為例,當(dāng)手指從偶數(shù)菲涅爾區(qū)中間(位置1)開始向外側(cè)菲涅爾區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí),對(duì)應(yīng)的信號(hào)片段(片段1)位于周期波形的單調(diào)下降區(qū)域,信號(hào)波動(dòng)較大;而當(dāng)手指輕微地移動(dòng)到接近偶數(shù)菲涅爾區(qū)的邊界(位置2)時(shí),對(duì)應(yīng)的信號(hào)片段(片段2)位于周期信號(hào)的波谷處,信號(hào)波動(dòng)最小。總結(jié)歸納,小尺度活動(dòng)的位置依賴性問題體現(xiàn)在存在感知盲區(qū)、對(duì)應(yīng)多種多樣的信號(hào)波動(dòng)模式兩方面。而小尺度活動(dòng)所在的菲涅爾區(qū)的位置對(duì)信號(hào)波動(dòng)模式起決定作用。

        圖4 小尺度活動(dòng)的位置依賴問題

        3 典型案例

        實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:為了驗(yàn)證上述分析的正確性,利用了兩臺(tái)配置有Intel5200 網(wǎng)卡的技嘉MiniPC 分別作為ZigBee 信號(hào)的發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備,如圖5 所示。其中,發(fā)射設(shè)備連接一根全向發(fā)射天線,接收設(shè)備連接兩根全向接收天線,兩根天線之間的間距為全波長。收發(fā)設(shè)備均安裝了哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的Tool 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)用來從網(wǎng)卡中提取信息。實(shí)驗(yàn)中采集在5.2GHz頻段,使用40MHz 的帶寬,采樣率設(shè)為200Hz。手指在圖所示的兩個(gè)位置分別進(jìn)行“開/關(guān)”手勢(shì),接收信號(hào)如圖6所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相同手指動(dòng)作在不同位置對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)不一致,微小的位置變換都會(huì)導(dǎo)致這種不一致性。

        圖5 手指活動(dòng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及位置振幅相位關(guān)系

        圖6 “開/關(guān)”手指在位置1和2的接收信號(hào)

        4 結(jié)束語

        位置依賴性問題既是收發(fā)分離的無線非接觸感知系統(tǒng)的共性問題,也是無線非接觸感知領(lǐng)域尚未很好解決的問題。利用菲涅爾區(qū)感知理論可以很好地解釋和深入理解位置依賴性問題,并為ZigBee 等射頻信號(hào)無線感知系統(tǒng)提供普適的理論基礎(chǔ),但基于菲涅爾區(qū)模型有效解決無線感知系統(tǒng)仍是未來普適計(jì)算領(lǐng)域挑戰(zhàn)性的問題。

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