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一种基于Wi-Fi的室内人员辨识模型.docx
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2023-02-23
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一种基于Wi-Fi的室内人员辨识模型.docx
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摘要
准确获取室内不同区域人员数量对于建筑节能、空调与照明系统智能调控以及公共安防等具有重要
意义。为此,提出一种低成本、高辨识准确率的基于 Wi-Fi 的室内人员辨识通用模型。该模型通过
部署多个 Wi-Fi 探针,在离线阶段采集不同环境下的终端样本数据,使用粒子群算法优化 BP 神经
网络,并采用并行方法快速训练人员辨识模型;在在线阶段,基于训练完成的人员辨识模型,根据
实际接收到的 Wi-Fi 信号强度判断人员是否在区域内,最终统计出区域内的人数。在安徽建筑大学
某科研楼搭建了一套基于 Wi-Fi 的室内人员辨识系统,对该模型的有效性进行测试。结果表明,在
实验涉及的所有区域,该人员辨识模型的召回率均大于 90%以上,准确率可达 91%以上,满足建
筑物智能系统快速获取人员数量的实际应用需求。
Abstract
Obtaining the accurate estimation of indoor occupant counting in different areas is
of great significance in many applications, including building energy conservation,
intelligent regulation of air conditioning and lighting systems, and public security.
Therefore,propose a low-cost, high-accuracy Wi-Fi-based indoor personnel
identification general model. This model deploys multiple Wi-Fi probes, collects
terminal sample data in different environments in the offline phase, uses particle
swarm optimization to optimize the BP neural network, and uses a parallel method
to quickly train the personnel identification model; in the online stage, based on
the trained personnel identification model, judge whether the personnel are in the
area according to the actual received Wi-Fi signal strength, and finally count the
number of people in the area. Finally, in a research building of Anhui Jianzhu
University, a Wi-Fi-based indoor people identification system was built, and the
effectiveness of the method was tested through experiments. The results show that
the personnel identification model in all areas involved in the experiment, the
recall rate of the model is greater than 90%, and the model accuracy rate can
reach more than 91%,which meets the practical application requirements of
building intelligent system for the rapid deployment of personnel quantity
measurement method.
译
关键词
Wi-Fi 探针; 人员辨识; BP 神经网络; 粒子群优化; 并行处理
Keywords
Wi-Fi sniffer; personnel identification; BP neural network; particle swarm
optimization; parallel processing
译
0 引言
现阶段我国建筑能耗约占全国社会终端总能耗的 22%,远高于发达国家的平均水平
[ 1]
,建筑节能
势在必行。建筑物的使用与人员关联甚紧,建筑物内人员数量、流量和位置分布均为节能调控提供
了重要的数据参考。
当前,室内人员辨识及其在建筑节能领域的应用已成为学术界和工业界的一大研究热点
[ 2-9]
。其中,
人员计数、人群密度估计属于计算机视觉领域的重要研究内容。例如,Alzaydi 等
[ 10]
对高密度视
频图像的人员计数方法进行了研究;Chen 等
[ 11 ]
首次提出利用移动设备的麦克风和扬声器等音频
技术实现人员计数的方法;Meyn 等
[ 12 ]
基于 SUN(Sensor-Utility-Network)框架实现了室内
人员计数,准确率比直接观察提高了 70%;Huang 等
[ 13]
首次提出基于二氧化碳浓度对室内人员
数目进行估计, 但准确率受 外界环境影 响较大。目 前,上海交 通大学、清华大学 、香港中文 大学、
中国科学院自动化研究所等机构的专家学者们相继开展了遮挡检测和补偿技术、背景消除技术、回
归算法(模型)等基于视频图像的人员计数方法研究
[ 14-1 6]
。
除人员计数外,人员定位也是人员状态监测的重要组成部分。例如,Want 等
[ 17]
设计了第一个室
内标记感测原型系统 Active Badge;Valle 等
[ 18]
采用智能手机的 Wi-Fi 信号、GSM、加速度计/
磁场传感功能实现了人员室内定位;Priyantha 等
[ 19]
研究了基于 WLAN、蓝牙、WiFi、RFID 等
无线信号强度的人员室内定位方法,精度可达到厘米级;Sun 等
[ 20 ]
基于惯性/磁传感、无线通信
技术,结合惯性导航算法实现了基于信号强度的人员室内定位;Kotaru 等
[ 21 ]
研发了基于 Wi-Fi
的可精准到厘米级别的人体定位系统 SpotFi;Wang 等
[ 22]
提出一种基于光学无线通信技术的室内
定位系统。
以上人员计数与定位方法依赖于大量硬件设施,成本高昂,且很少将人员定位与计数相结合。为此,
本文提出一种无需额外铺设昂贵硬件设施和人员主动参与的室内人员自动计数方法。该方法基于当
今社会人员与移动终端的强依赖关系,在感兴趣区域部署多个可持续监测 Wi-Fi 连接请求信息的低
廉商用 Wi-Fi 探针,以检测人员的存在性。考虑到不同建筑物、区域、背景环境对 Wi-Fi 信号存在
不同程度的反射、折射、散射以及衍射等影响,本文从 Wi-Fi 数据采集和模型构建两方面着手,通
过部署多探针装置采集数据并构建通用室内人员辨识模型,以降低环境对模型性能的影响,提高其
泛化能力,实现室内人员精准计数。
1 室内环境下 Wi-Fi 终端入网信号传播特点
如图 1 所示,根据 IEEE 802.11 系列协议,当移动终端打开 Wi-Fi 模块后便会广播 Wi-Fi 探测请
求(Probe Request)帧 ,扫描所 在 区 域内目前有 哪 些 802.11 网络可接入(图 1 中用虚线 框 表
示无线接入点可有可无),该帧中包含终端 MAC 地址、接收信号强度、信道号等信息。Wi-Fi 探
针即利用 Wi-Fi 探测请求帧的明文特性监测并解析出其中的有用信息。
图 1 Wi-Fi 探针嗅探 Wi-Fi 终端示意图
Fig. 1 Schematic diagram of Wi-Fi probe sniffing Wi-Fi terminal
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
除加密性和广播性外,只要移动终端开启 Wi-Fi 模块,无论是否成功接入到某个无线接入点,终端
都会间歇性、突发性地广播 Wi-Fi 探测请求帧。加之室内无线传播环境的复杂性,位于终端通信半
径内的 Wi-Fi 探针不可能持续周期性地正确接收到来自于同一终端的 Wi-Fi 探测请求帧;且在相同
的时间间隔内,不同探针检测到的帧数量也不尽相同。如图 2 所示,同一时间段内不同探针接收到
的来自同一终端 Wi-Fi 的探测请求帧相互独立,具有间歇性和突发性。
图 2 Wi-Fi 终端入网探测请求帧特性
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