引言
智能环境被动定位可以无打扰追踪，避免有意识的人际互动，和危害用户隐私的摄像头方案，已经由来已久。很多当前技术在人们理应舒适、有安全感和放松的生活环境中，因为传感器体积庞大、与装修不协调、给人隐私被侵犯的感觉，而不受欢迎。所以，未来智能环境所需的定位技术遭到挑战。
近年来被动式人员跟踪技术有很大发展，其中电容式用户跟踪技术在三维定位和识别用户接触物体中的作用确立了地位。电容式感知方法可以对人做3D定位、移动、姿势和接触环境物体感知。现有的测量方法和技术基于电场，被测人员之间、人员和一组感应电极之间电容变化。将电极隐藏在环境里，可以不显眼地进行感应。
其它相关技术
很久以来视频摄像用于记录身体移动和姿态，从视频流检测人类身体移动的有效算法已经存在很久，但是基于视频的活动捕捉存在用户隐私问题。很多人不想在他们的地盘安装摄像头，这是开发其他替代性无线位置和活动传感方法来进行室内监视的原因。包括超声波、无线电、光学和惯性传感器技术需要活动的人携带一个设备，用户佩戴标签或小型电子设备影响实用价值，而且并不是每个人都可以装备所需的标签。
所以，被动式或无标签的室内人员定位方法进入研究领域，同时避免基于视觉方案带来的隐私侵犯。相关技术有利用中央空调管道，检测气流扰动；地板铺设压力传感器；地板铺设压电材料；天花板安装超声波收发阵列；红外热感应等技术。
电容感应原理
电容感应测量两个或更多电极或物体之间的电容，对于人员追踪，物体就是人体和接地环境，与常规的测量的不同在于，这种方法需要发射和接收电极。感应电极周围人为建立电场，用于产生测量用的电极间位移电流。通常用低频信号（30-100KHz）进行测量，确保电极间的纯电容性质而不会在环境中形成磁场。
电容测量所需的电子设备可以认为由一个信号发生器、一个移相器和一个同步检测器组成，可以使用商用电容测量芯片和商用电容-数字转换器（CDC）。无论哪种检测方法，都可以修改测量电路参数实现，其中的差别并不显著。
感应模式
测量身体姿态有三种主要模式：传导模式、分流模式和负载模式。传导模式通过分析发射和接收端之间的移位电流ir测量Ct和Cr的串联电容，负载模式只测量人体和地之间的移位电流it，计算人体和电极之间的电容。
传导模式
当发射电极与人体间电容Ct或接收电极与人体间电容Cr远大于人体与地之间电容Cg，实践中这种情况被测量人体离电极很近或接触到电极，适用传导模式。身体电容耦合到附近电极，电位在电极上的响应随位置改变，人体可以显著增加电极面积，减少电极间观察距离，因此，当人靠近一个电极，测量到的Ct和Cr串联电容大于附近没有人的情形。允许电极以实用的方式定位，可以用这种感应模式。
分流模式
分流模式下，人体对地的电容Cg明显高于Ct或Cr，将电场分流到地，阻止接收器检测的移位电流，降低了Ct和Cr串联电容测量值。Ct和Cr串联电容的测量严重依赖于被测人体对地耦合，事实上，如果人体接地影响，而且Cg很高，Ct和Cr的串联电容会很低，反之亦然。虽然通过测量接收端移位电流ir，可以推导两个测量电极之间的身体部分，如果Ct或Cr等于Cg，Ct和Cr的串联电容测量值有没有人几乎都一样。
负载模式
负载模式只测量发射端穿过人体到地的移位电流it，计算人体和地之间的电容。除了周围地面，只有一个电极用于测量的时候用这种模式。分流模式中存在人体对地耦合影响测量结果，很难测定人体和电极之间的绝对距离。
电容式人员跟踪技术
电容式人员跟踪技术具有这样的特点，1）能保护用户隐私，2）感应电极无需被人看到，3）可以识别走动和静止的人员，4）大空间覆盖也只需大型廉价电极。电容式跟踪技术已经用于探测靠近机器人的人员活动，让机器人在人员靠近的时候停止动作确保安全。麻省理工学院媒体实验室用同平面上的一个发射电极和三个接收电极，在分流模式下实现了手部动作检测。另一个系统将人体作为发射电极，配合安装在屏幕四角的四个接收电极，可以在屏幕上用手势作画。
最近一项研究成果，使用分段式地板电极，采用负载模式的测量方法，测量发射器和地之间的电容。系统对地板电极扫描，每个电极切换发射测量信号，当人员脚下的电极工作，从人体通过空气扩散到环地的位移电流比普通情况大，人员动作通过电极的物理位置和每个电极上的电流强度确定。这种方式不能用于活动探测，也不能测量人体的重量和姿势，但是可以知道是不是躺在地板上。
基于地板的定位
公开发表的测试中，在架空地板下表面设置一层导电金属层，形成分段的地板电极，这些地板电极作为发射器，发射器附近设置一个或多个接收器。整个系统以传导模式工作，可对地板上的人员进行定位。
测试使用60×60cm的地板电极，如果使用30×30cm的地板电极，能得到更高的精度。不过，将大的发射区域一分为四时，使用的定位算法需要四倍的时间，同时需要更多的布线。决定地板电极尺寸时，需要在精度、速度和布线工作量中取得折中。
测试中接收器使用垂直线路或小型平板电极，两者对于地面电极定位算法没有影响，但是为了保证测试可靠性，要注意接收器和发射器之间的距离。被定位人员与接收器之间的距离与信噪比几乎是线性下降的关系，实践中接收器与发射器之间最大距离不能超过3米，而且要确保发射器和人体直接没有绝缘层或只有一层很薄的绝缘材料，不过提高发射电压可以延长接收器和发射器直接的距离。
智能环境中的人员活动可以通过他们和环境中物体的互动来监视，例如，被测人员接触到床、沙发、桌子或冰箱之类的家具，使用相应的基于地板的定位方法，可以使用单测量系统与用户交互推导出人员的位置。
为了测量人员与环境的互动，传导模式传感器用来测量用户与发射或接收电极的接触，传感器可以隐藏在环境物体中，比如安装在床、沙发或桌子等地方。对于绝缘物体，可以用贴一层铜箔。
总结
被动式测量人员高度和姿势比较困难，一般通过测量用户和接收电极之间的水平距离计算。建造或装修房子的时候，可以在地板和天花板预设发射器和接收器，不过每个电极需要一个单独的同轴电缆。测量电极形成的电磁场远远低于国际非电离辐射防护委员会的规定，对人体绝对安全。
电容式跟踪用不显眼的方式保持令人放松的环境，让人保持常态。在智慧家庭中了解三维人体位置和姿势，就能了解人员活动，做出更精确的响应。比如感知老人有没有在家中摔倒，提供相应的服务。这种技术也可以用于虚拟现实和电子游戏。
论文作者:刘建波
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/10
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