A Pyroelectric Infrared Sensor-based Indoor Location-Aware System for the Smart Home

現在智慧型空間都趨向於提供各式各樣的智慧的服務藉由辨別居民的生活型態和感受。其中一個重要的議題就在討論要如何偵測居民的位置。現在研究的成果多著重在兩個方法:有終端機和沒有終端機的方法。使用終端機的這個方法使用的裝置是必須被居民所攜帶著的，而沒有終端機的方法則是不需要。這篇論文提供一個新奇的且不需使用終端機方法，而是使用一系列的有焦電特性的紅外線感測器(pyroeletric infrared sensors)，簡稱PIR sensors，用這些感測器可以感測到居民，而這系統的可能性目前還在臨床實驗。

爲了要提高居民的便利性和安全性，而必須將所使用的裝置則像家具，多功能的器具，還有網路的器具透過家庭的網路系統連結在一起。就像paper的圖1中所示，而且這些器具必須透過television或是PDA(personal digital assistant)來控制和監控。
現在的研究專注在地理定位服務(location based service, LBS)上，認為這是一種提供高品質的智慧型服務的方法，因為當要考慮給人使用要考慮的因素包括此人的生活，健康，和現在的心情，假如智慧型空間可以去偵測此未居住者的生活，健康或是心情，就可以去預期此居住者未來的需要，就可以更自動的提供適當的且有智慧的服務，譬如:在一個被動式的環境中，使用者控制環境中的HAVC(暖的，通風的，冷氣機)系統的運作，但是在智慧型空間就可以依據使用者的狀況來調整溫度和濕度。
各式各樣的室內位置感知系統(Location-Aware Systems根據使用者位置給予適當資訊，結合Mobile device定位技術，如：PDA with WLAN(802.11b) card and bluetooth module；與Infrastructure，如WLAN access points or bluetooth access points、computing and data server，資料來自行政院)已經被發展並可以辨識居住者的位置，在智慧型空間或是智慧型辦公室中。一般來說，室內位置辨識的系統根據測量的工具可分為三類，(1)三角測量，(2)事件分析(scene analysis)，還有(3)proximity method(鄰近的方法)。三角測量是利用多個已知的點的距離來判斷，出處有Active Badges，Active Bats，and Easy Living，這些研究分別使用紅外線感測器，超音波感測器，和影像感測器；而在事件分析方法調查從特殊有利的位置出發。典型的關於這類研究的分析方法是MotionStar，此研究使用直流並帶有磁性追蹤；另外一個研究是RADAR，使用802.11無線位置區域網路(LAN)。最後鄰近的方法，是去測量到一已知接近或是鄰近區域位置的多個點的時間和距離，其中一個範例是Smart Floor，是使用壓力感測器。
二選一的，室內位置辨識系統可以根據是否有無使用終端機來分類，以使用終端機為基礎的方法，就像Active Bats，沒有直接辨別使用者的位置，但是去感知使用者手持裝置的位置，就像是紅外線傳輸(infrared transceiver)或是射頻識別標籤(radio frequency identification tag)，如果居住者沒有攜帶這些裝置就無法辨別使用者的位置。而不使用終端機的方法，就像是 Easy Living，Smart Floor，就可以不用這些裝置而可以感測到使用者的位置。然而，Easy Living被認為是侵入使用者的隱私，而Smart Floor在擴充性和持續性上則是發生困難。
這篇論文是提供一個不使用終端機的位置辨識系統是使用一系列的焦電特性的紅外線感測器，這些感測器是裝在天花板上偵測面前的居住者的位置並列出，這樣偵測的區域就會重疊，然後結合這些多重的PIR感測器，此系統就可以去確認此位居民的位置在一個誤差合理的範圍下，而且此系統並不會牽涉到隱私，也不會有擴充性和持續性上的問題，為了示範此系統的效益，我們設計了ㄧ個實驗，而且我們所提出的系統也被評估和實驗在各種的實驗環境中。
這篇論文的組織有四個部份，包含介紹，第二部份就會呈現以PIR感測的位置辨識系統的架構(PILAS)，還有位置辨識的方法。第三部份則是描述透過PIR感測器偵測一個居住者的位置的方法，並且評估此系統在各種情況的臨床實驗的表現，最後，做一個摘要和結論。
A.smart home的架構
室內位置辨識的系統必須符合以下的要求:
(1)花費必須相當少，因為使用的sensor數目很多，(2)sensor的安裝必須有彈性，每個房間的外形不同，也會有不同的障礙物，像家具或是其他裝備設施，(3)室內辨識系統必須可抗干擾，且不會被環境中的其他裝置干擾，因為智慧型空間中會安裝多種的無線傳輸方式，就像是無線區域網路和射頻，會有電磁干擾，或是在燈光或是溫度的轉換也有可能會影響sensor的表現。(4)準確度會隨著房間的形式而改變。
PIR sensor目前還沒吸引很多目光，此sensor目前已被運用，當感測到有人在走動時就打開燈光，也比很多種sensor便宜。而此sensor的波長是在9.4~10.4μm之間，因此對於溫度溼度和其他的干擾有抵抗能力。此系統可以透過調整PIR sensor的半徑來調整正確性，而且此系統可以輕鬆的安裝在天花板，而不會被其他裝置或是障礙物影響。
圖二是PILAS在一個智慧型空間的架構，此架構提供位置定位的智慧型服務給居住者，根據這個架構，各式的裝備透過家庭網路系統會互相連結，包含PIR sensor，房間的終端機，智慧型空間的伺服器，家中的設備，每個房間都被視為一個cell，然後每個cell會安裝適合的數量的sensor，然後安裝在天花板上。每隔一段時間sensor就會感測居住者的位置，並透過家庭網路系統把資料傳送到房間的終端機上，所以房間的終端機判別居住者的位置是整合所有在這個cell的sensor的資訊，然後將這些資訊傳送到智慧型空間的伺服器上，然後控制這個房間中的其他設備，以提供給此位居住者位置定位的智慧型服務。
從這個架構來看，智慧型空間的伺服器有以下的方程式，(1)虛擬地圖的產生器會產生智慧型空間的虛擬地圖，並把居住者的位置畫在上面，根據這個資訊畫出居住者移動的軌跡(追蹤使用者的活動)，(2)這個家的裝置控制傳輸器透過家庭網路系統控制對於家庭裝備的回應，去提供智慧型的服務給居住者，(3)這種以移動的形式的預測儲存居住者現在移動的軌跡，還有現在家裡的裝備如何運作，並反映這個房間的其他參數，像是時間，溫度，溼度，和照明。在儲存足夠的資訊之後，這個系統有可能提供居住者的位置的智慧型服務，此空間的裝置可以自發地提供服務去滿足人的需要。舉例來說，如果此空間的伺服器"知道"此居住者一般起床的時間是早上7:00，並且洗澡，這個系統就有可能打開燈光和音樂，此外，水的溫度可以自動調整到居住者需要的溫度。
B.Location-recognition algorithm
爲了決定居住者在一個房間的位置，一系列的PIR sensor的使用在圖三有說明，再此範例中有三個sensor，每個sensor可以畫一個圓的範圍，且sensor的範圍有可能會重疊，有可能會有兩個或兩個以上的sensor的範圍重疊，當使用者踏進這個房間之後，會透過蒐集所有此房間內的PIR sensor的資訊來確認此居住者的位置。