馬立克

（西北民族大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州，730000）

0 引言

隨著全民人口老齡化加快，我國(guó)已正式進(jìn)入到快速老齡化階段;據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，在未來20年之間，老齡人口的年均增長(zhǎng)速度將超過3%;到2050年，中國(guó)的老齡人口總量將超過4億人，老齡化人群將超過中國(guó)總?cè)丝跀?shù)的30%[1]。

據(jù)中國(guó)疾控中心慢病中心2018年全國(guó)疾病監(jiān)測(cè)系統(tǒng)死因監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，65歲以上老年人跌倒傷害占總傷害病例比例為34.51%。因此，跌倒已經(jīng)成為我國(guó)65歲以上老年人因傷致死的首位原因。現(xiàn)今，跌倒對(duì)于我國(guó)數(shù)量空前的老年人群體來說，是致命殺手般的存在。更令人擔(dān)憂的是，對(duì)在老年人群體中占大比例的空巢老人群體來說，其平日在室內(nèi)更多的是處于無人監(jiān)管的狀態(tài)，一旦發(fā)生意外，后果將不堪設(shè)想。因而，在這種情況下, 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)健康體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就成了隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)老年人居家安全的最佳手段。該類系統(tǒng)的研發(fā)與投入使用不但能從根本上降低了醫(yī)療資源的使用, 更甚者在很大程度上對(duì)意外發(fā)生時(shí)與發(fā)生后做到了及時(shí)的預(yù)警與求救，對(duì)保障老年人的生命安全健康起到很大的作用。

1 目的和意義

目前對(duì)于老年人健康監(jiān)測(cè)缺乏高效簡(jiǎn)潔的手段，在監(jiān)管老年健康方面容易出現(xiàn)問題。然而優(yōu)質(zhì)的健康監(jiān)護(hù)資源只有在醫(yī)院等機(jī)構(gòu)才能享受，但是這部分資源卻是有限的，無法與現(xiàn)有需求匹配。

隨著老齡化進(jìn)程不斷加快，全方位全周期健康監(jiān)測(cè)服務(wù)將是養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)所發(fā)展的重點(diǎn)，將科技與服務(wù)結(jié)合已成為現(xiàn)時(shí)代的趨勢(shì)。

而WiFi無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，幾乎所有設(shè)備都支持Wi-Fi上網(wǎng)，無線信號(hào)不僅在數(shù)據(jù)傳輸上發(fā)揮了重要的作用，而且也可以用來實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、人體動(dòng)作識(shí)別。

人體動(dòng)作識(shí)別作為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，同時(shí)也是關(guān)鍵的組成部分。本系統(tǒng)基于WiFi信號(hào)的人體行為識(shí)別方法能夠有效地解決和彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法所帶來的不足。與傳統(tǒng)的方法相比，被檢測(cè)的用戶不需要隨身攜帶任何的設(shè)備，僅僅利用WiFi無線射頻信號(hào)對(duì)人體的動(dòng)作進(jìn)行感知和識(shí)別，因此也不需要考慮各種傳感器的成本、壽命等問題?；跓o線信號(hào)的人體活動(dòng)監(jiān)測(cè)以用戶為中心，利用人體動(dòng)作對(duì)無線信號(hào)傳播產(chǎn)生的影響，采集人體的生理信息，包括人體的位置、姿勢(shì)、動(dòng)作等，并且將這些信息以數(shù)據(jù)的形式，通過無線傳輸?shù)姆绞絺魉徒o遠(yuǎn)程控制端，實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人健康狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。例如，對(duì)于獨(dú)居老年人而言，當(dāng)出現(xiàn)跌倒等健康威脅時(shí)，家庭使用的路由器作為WiFi信號(hào)的發(fā)射端，利用普通的接收設(shè)備作為信號(hào)的接收端，對(duì)于路由器采集到的數(shù)據(jù)第一時(shí)間進(jìn)行一系列行為識(shí)別分析，確定結(jié)果后第一時(shí)間將危險(xiǎn)信息上傳云端，與社區(qū)醫(yī)院相結(jié)合, 能及早地發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情并及時(shí)救治, 有效地達(dá)到了監(jiān)控病情的目的。同時(shí)結(jié)合手機(jī)APP與監(jiān)護(hù)人第一時(shí)間取得聯(lián)系。

2 老年人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及需求現(xiàn)狀

人口老齡化使老齡化服務(wù)行業(yè)進(jìn)入了黃金期。目前針對(duì)于老年人行為識(shí)別的技術(shù)主流上包括基于視頻監(jiān)控、基于傳感器的掃描識(shí)別、基于無線射頻信號(hào)等。

以下列舉了當(dāng)前市場(chǎng)上涉及到的相關(guān)老年人健康監(jiān)測(cè)的主流產(chǎn)品。

圖1是普遍家庭比較流行的家居監(jiān)控?cái)z像頭，其特點(diǎn)是自動(dòng)識(shí)別抓拍移動(dòng)物體，更高級(jí)的有人形偵測(cè)功能。其利用紅外光實(shí)現(xiàn)夜晚攝像，黑白畫面，實(shí)現(xiàn)全時(shí)段監(jiān)測(cè)，并且可通過APP實(shí)現(xiàn)手機(jī)和攝像頭對(duì)接；但是此類產(chǎn)品的缺陷也有很多，安裝前需提前部署監(jiān)測(cè)位置，電源，網(wǎng)線；使用無線傳輸時(shí)得充分考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；攝像頭只能設(shè)置在走道、門廳等公共區(qū)域，不宜裝在臥室，衛(wèi)生間等隱私區(qū)域并且存在監(jiān)控死角。而老年人跌倒的高發(fā)區(qū)往往發(fā)生會(huì)在衛(wèi)生間等比較濕滑的地方，監(jiān)測(cè)區(qū)域的有限是監(jiān)控?cái)z像頭的一大弊端。為保證數(shù)據(jù)隱私不被泄露，還需要選擇購(gòu)買有加密傳輸能力的攝像頭產(chǎn)品，安裝成本大大提高。

圖1 普遍家庭比較流行的家居監(jiān)控?cái)z像頭

圖2是智能手環(huán)，作為時(shí)下熱門的一款老年人健康監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，可以支持24小時(shí)心率監(jiān)測(cè)，清晰反饋老年人的健康實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，方便根據(jù)情況調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。具有智能脈搏波技術(shù)，輕松測(cè)量血壓等多種功能表。但是需要做到24小時(shí)佩戴，當(dāng)老人洗澡睡覺時(shí)，不方便佩戴，無法達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的；并且需過慮擦汗、翻書、擺臂等手部動(dòng)作的干擾，無法對(duì)跌倒這種大動(dòng)作做到及時(shí)有效的判斷。

圖2 智能手環(huán)

相比于上述所列出的兩款產(chǎn)品，基于wifi信號(hào)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很好地解決了許多傳統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所面臨的問題，同時(shí)具備很好的空間性、時(shí)效性和安全性。

通過網(wǎng)絡(luò)以及相關(guān)資料，還有走訪了解部分老年人群體，我們發(fā)現(xiàn)存在以下問題：（1）市面上涉及到老年人健康監(jiān)測(cè)的產(chǎn)品無法很好的切合實(shí)際老年人防跌倒的需求。（2）基于WiFi無線射頻的人體行為識(shí)別技術(shù)，其最顯著的特點(diǎn)是恰恰彌補(bǔ)了基于視頻、基于傳感器等各項(xiàng)健康檢測(cè)的缺陷：無檢測(cè)位置限制，無隱私泄露隱患，方便快捷。但是市場(chǎng)上目前還沒有相關(guān)的健康監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。（3）基于WiFi的這一套系統(tǒng)只需要很少的資源就能達(dá)到比同類型產(chǎn)品更好的效果。綜上所述，我們認(rèn)為利用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)以及計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的便捷性，利用WiFi人體行為識(shí)別技術(shù)做出一款同時(shí)具備空間性，安全性，全時(shí)效性，便捷性的老年人健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為關(guān)注老年人健康，促進(jìn)全民健康水平提升貢獻(xiàn)自己的一份力量[2]。

3 項(xiàng)目的主要內(nèi)容

基于上述分析，為了以更低的成本更好的保護(hù)這些老人的生命健康安全，以WiFi信號(hào)識(shí)別人體動(dòng)作作為基礎(chǔ)，并將其識(shí)別的動(dòng)作與預(yù)先存入的動(dòng)作模型進(jìn)行匹配，如果相同就以app報(bào)警的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，并自動(dòng)向家人或者有關(guān)終端進(jìn)行預(yù)警，方便監(jiān)護(hù)方能更快的發(fā)現(xiàn)并處理老人摔倒所發(fā)生的狀況。

3.1 基本功能

由于軟件所面向的主體對(duì)象人群是易發(fā)生意外的老年人群。初期，考慮到許多老年人并不熟悉智能設(shè)備的使用，同時(shí)也為了更好的服務(wù)老年人群，我們的產(chǎn)品將會(huì)考慮到老年人的實(shí)際情況，簡(jiǎn)化使用的各個(gè)方面，但在保證功能不受影響的情況下，開發(fā)并應(yīng)用引導(dǎo)系統(tǒng)，以此來引導(dǎo)各類人群的使用。同時(shí)，我們也會(huì)降低用戶頁(yè)面的復(fù)雜程度，給予被服務(wù)人群最簡(jiǎn)易的使用流程。主要有以下功能：

3.1.1 用戶意外預(yù)警功能

分為兩種模式--主動(dòng)和被動(dòng)。主動(dòng)功能是當(dāng)老人發(fā)生意外突發(fā)狀況時(shí)可以快速的通過app通知救助方，該功能是通過一鍵撥號(hào)系統(tǒng)可以讓用戶以最快的速度聯(lián)系救助方。不同的是，被動(dòng)功能是軟件的核心功能，它以WiFi識(shí)別具體的人體動(dòng)作，通過跌倒檢測(cè)分析進(jìn)而達(dá)到預(yù)警的效果。最后，除此兩種主要的功能外，大聲播報(bào)日程功能和天氣播報(bào)功能等生活輔助性功能則可以幫助用戶更好的處理每一天的行程等等，大大加強(qiáng)了軟件的實(shí)用性與日常性。

3.1.2 智能引導(dǎo)系統(tǒng)

智能引導(dǎo)系統(tǒng)則是當(dāng)你打開app的時(shí)就自動(dòng)的在后臺(tái)進(jìn)行調(diào)用。并且，當(dāng)你需要使用到某項(xiàng)功能的時(shí)候，用戶可以選擇相應(yīng)的app引導(dǎo)功能，屆時(shí)，app將會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能一步步的告訴用戶如何執(zhí)行。

3.1.3 利用室內(nèi)音響，附加了日程播報(bào)，廣播功能以及天氣預(yù)報(bào)功能等實(shí)用功能。

4 實(shí)施目標(biāo)

4.1 系統(tǒng)流程圖

技術(shù)人員通過對(duì)一些情景預(yù)設(shè)下的行為動(dòng)作識(shí)別進(jìn)而通過契合模型建立將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行封裝存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將這些數(shù)據(jù)作為未來跌倒檢測(cè)實(shí)時(shí)判斷的依據(jù)來源。

在實(shí)用階段，將WiFi采集信息傳送至電腦終端進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、判斷和處理，如果信息匹配，將會(huì)作為異常信息處理，并將處理的結(jié)果發(fā)送至相應(yīng)的app終端，使得接收者及時(shí)進(jìn)行處理響應(yīng)。

圖3 項(xiàng)目功能圖

圖4 系統(tǒng)流程圖

4.2 關(guān)鍵過程

在本項(xiàng)目的實(shí)施過程中，關(guān)鍵過程如下。

圖5 項(xiàng)目總體過程

4.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)采集

通過進(jìn)行預(yù)設(shè)環(huán)境下技術(shù)人員對(duì)適用對(duì)象的行為動(dòng)作進(jìn)行模擬，建立合適的動(dòng)作模型來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且將數(shù)據(jù)記錄到相應(yīng)的文檔中，為接下來數(shù)據(jù)的預(yù)處理提供豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是完成這一系列的工作較為繁瑣，工作量大，需要一定量的時(shí)間收集和處理數(shù)據(jù)。

4.2.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

在室內(nèi)環(huán)境中，WiFi信號(hào)在傳播過程中會(huì)受到周遭環(huán)境的影響，而許多的無關(guān)因素會(huì)對(duì)采集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，因此，我們需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理以消除干擾因素[3]。

消除干擾因素我們主要采用的方法是：主成分分析的處理方法--常用于數(shù)據(jù)維度較高的數(shù)據(jù)集。其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)降維，從而降低算法復(fù)雜度，同時(shí)能去除不相干的噪音成分。這一點(diǎn)傳統(tǒng)的低通濾波器是不能實(shí)現(xiàn)的。因此，主成分分析的方法常用于CSI數(shù)據(jù)的處理。相關(guān)的技術(shù)還有待學(xué)習(xí)與實(shí)現(xiàn)[4]。

4.2.3 特征提取

特征提取作為建立分類決策模型之前關(guān)鍵的一步，也是人體動(dòng)作系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中十分的重要環(huán)節(jié)。特征提取的目的是通過挖掘CSI信號(hào)的本質(zhì)信息，建立人體動(dòng)作和CSI信號(hào)變化模式的相互關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的動(dòng)作提取最具代表的特征，作為對(duì)應(yīng)特征的特殊標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)較好的識(shí)別效果。

而特征提取主要包括時(shí)域分析、頻域分析的方法，對(duì)于CSI信號(hào)而言，可以根據(jù)不同的行為動(dòng)作提取對(duì)應(yīng)的時(shí)域和頻域的特征并將其轉(zhuǎn)化為特征碼。最后，將這些特征碼通過統(tǒng)一格式導(dǎo)入到專門的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存[5]。

4.2.4 用svm模型進(jìn)行行為識(shí)別

對(duì)于提取出來的特征碼，我們將采用svm模型進(jìn)行識(shí)別。Svm模型--支持向量機(jī)（Support Vector Machines,SVM）是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。SVM的基本模型是間隔最大化的線性分類器[6]。在實(shí)際應(yīng)用中，如果訓(xùn)練樣本的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)線性可分的特點(diǎn)，那么就可以通過硬間隔最大化，并繼續(xù)通過學(xué)習(xí)得到線性分類器;如果訓(xùn)練樣本的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不可分的特點(diǎn)，就可以通過學(xué)習(xí)得到一個(gè)非線性的分類器。[7]

4.2.5 對(duì)分析系統(tǒng)進(jìn)行封裝

將以上技術(shù)中提到的特征碼、用于接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的模型等其他功能進(jìn)行封裝。以至于將功能集中化，最后作為一款可用的分析系統(tǒng)[8]。

4.2.6 app的制作

用安卓開發(fā)的方式完成對(duì)APP的制作，將app制作成用于對(duì)分析系統(tǒng)報(bào)送的信息進(jìn)行接收并對(duì)用戶進(jìn)行預(yù)警的一款小程序，再進(jìn)行一些實(shí)用功能的添加，例如一鍵報(bào)警等。

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目相較于其他產(chǎn)品來說，此項(xiàng)目采用WiFi無線監(jiān)測(cè)的形式，在擁有了市場(chǎng)已有產(chǎn)品功能的同時(shí)，在隱私性，安全性，便捷性等方面更好的滿足了老年人健康監(jiān)測(cè)的需求。

通過市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，同類產(chǎn)品多是采用傳感器技術(shù)，視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)，生產(chǎn)，購(gòu)買成本大大提高，而此系統(tǒng)只需要客戶在家中搭載一臺(tái)具有無線監(jiān)測(cè)的路由器，成本方面遠(yuǎn)低于其他產(chǎn)品。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，基于WiFi人體行為識(shí)別的技術(shù)已發(fā)展的比較成熟，這使老年人跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在項(xiàng)目可行性方面更加利于實(shí)現(xiàn)。