基于姿態識別與K—means算法的老年人安全伴侶

陳唯關　李晶　丑佳文　劉夏平

摘要：基于姿態識別與K-means聚類算法的老年人安全伴侶應用是一款為老人設計，采用加速度傳感器采集數據，檢測老人是否摔倒而及時發出預警信號的軟件檢測系統。在特制移動終端上使用TMD2771X傳感器檢測物體距離，對夜視或視力不佳的人與老年人具有極佳的幫助，除此以外，安全伴侶還集成了心率監測，智能定位等貼心功能，彌補了傳統設備不足的同時，開創性的實現了以往未有的效果。

關鍵詞：紅外距離傳感器；模式識別；老年人安全；心率檢測

0引言

人口老齡化問題日益嚴重，關注老年人生活成了目前人們最為關注的問題。基于姿態識別與K-means聚類算法的老年人安全伴侶應用便應運而生，該應用在特制的具有TMD2771X傳感器的移動終端上可實現檢測物體距離，對夜視或視力不佳的人與老年人具有極佳的幫助。在智能手表的定制版上，可檢測血壓、心率。在老人跌倒的問題上，可以在老人跌倒的同時，調用聲音播放功能，向周圍發出求救信號，同時給老人的親人發送求救短信，并且撥通設定的親情號碼，連接老人與親人間的通信，同時對老人所處的環境進行GPS定位，以便親人及時知道老人所在。另可通過手動觸發按鍵，選擇誤吸、窒息、壓瘡、燙傷、凍傷等老年人高頻出現的危機，獲取解決方案及貼心功能。

1老年人安全伴侶的五大核心技術

1.1老年人安全伴侶中的定位模式選擇

常見的定位方式有兩種：GPS衛星定位和基站定位。GPS衛星定位是以人造衛星作為基準點，向其發射無線電導航信號后，利用接收機接收信號，并通過解碼獲得衛星到接收機的距離。通過三維坐標中的距離公式組成3個方程式，從而接觸觀測點的位置。除此以外，還需引入第四顆衛星，產生4個方程式，用來求解觀測點的經緯度和高程。基站定位是利用電信移動等運營商的基站來獲取用戶的位置，采用三角公式估計算法計算位置。其精準度會受到基站的數量情況影響。基站定位的優點是覆蓋率高，但缺點是誤差較大。由于老年人安全伴侶主要針對的是老年人群體，出于耗能性的考慮，定位方式選擇了GPS定位。

1.2K-means聚類算法對老年人安全伴侶的定位核心優化

K-means聚類算法因為思想簡單，算法簡潔，收斂性好等特點，適合用于最小距離的對象劃分。因此，在科研和商業領域都有著重要的應用。傳統的K-means聚類算法將k個對象分為n個簇，取每個簇中的數值作為每個簇之間的距離，通過簇內元素相似度最高的原理，不斷迭代運算，賦值到最近的簇，使得函數逐漸收斂到最優。但該算法存在缺陷，容易得到局部最優解，而非全局最優解。基于姿態識別與K-means聚類算法的老年人安全伴侶使用的是針對定位功能而改進的K-means聚類算法，在百度地圖的各種坐標體系下，提出一種改進的基于網格的K-means算法，用新的方法確定k值以及K個初始質心，形似數學的無限趨近思想，由于百度地圖的實現原理，決定了可以將百度地圖看似是由若干個圖塊構成，百度地圖的每一個級別縮放，會將一個圖塊再次分成若干個圖塊，最后無限趨近于最優解。相對于傳統的Kmeans算法，該算法在一定程度上減少了因采用誤差平方和準則函數而出現較大的聚類簇分割開的情況，仿真實驗結果表明：改進后的K-means算法優于原始算法，并且穩定性更好，更多還原。

1.3心率監測在老年人安全伴侶中的實現

心率監測技術在智能手表上應用是現今的一個熱門技術，現市面上心率監測手表有兩種類型，一種是利用了光反射測量原理，另一種則是利用電勢測量原理。光反射測量原理是利用了單波長光直射到接收組織后的反射光信號來測量組織容積在心臟脈搏波信號，通過檢測峰值來獲得心率。由于人的心臟跳動和脈搏跳動具有聯動的關系，測試脈搏跳動頻率即可獲得心率值，而脈搏的跳動情況，會影響組織面積的波動情況，從而影響單波光長的直射距離。因此通過檢測單波光長直射距離變化所產生的數值，使用截取峰值的方法，可求得心臟的搏動次數，即心率。但其容易受到干擾，如人體生長的毛發干擾。電勢測量原理則是將帶手表的手腕作為一極，而任一個手指或手掌觸摸在傳感電極位置作為另一極，采集兩極反應后的數據，通過濾波放大等處理，經過神念科技的專利算法處理后，將16位高精度ADC模擬信號轉化成數字信號，通過獲取計算后的電極測量檢測峰值來獲得心率值。由于神念科技的心電芯片僅3*3 mm，可嵌入于現市面上的常見智能產品，滿足如：智能手環、智能手表、智能項鏈等主流產品的需求，而老年人安全伴侶主要針對的是老年人群體，出于耗能性的考慮，選擇了功耗更低，干擾性更小，適用范圍更廣的電勢測量技術。

1.4姿態識別在老年人安全伴侶中的應用

姿態識別技術是近幾年來非常火熱的研究方向。主流的姿態識別方法有兩種，一種是基于圖像分析的人體姿態識別模式，另一種則是使用加速度傳感器進行數據采集分析的姿態識別模式。前者主要應用于視頻監控領域，其多數使用場景均為固定場景，固定范圍，可攜帶性不高，后者則是以加速度傳感器的X、Y、Z方向的三軸加速度傳感器所構成的動態空間模型進行數據的采集、分析處理。其精準度極高，可攜帶性極大，更適用于個體測試使用。老年人安全伴侶選擇了后者開發使用。在老年人安全伴侶的姿態識別應用中，首先對X、Y、Z方向的三軸加速度傳感器采集的數據進行預處理（去噪），再通過加速度數值方向分量校正、加窗、小波分解、特征值提取融合，得到特征值，并根據特征選擇搜索特征子集，經過學習算法中選擇出好的特征子集，放入SVM分類器，最后識別出結果。其中出現不好的特征子集，程序會重新返回到特征選擇搜索模塊，特征評價模塊對特征選擇搜索模塊做出特征值的性能評價，學習算法則運用數學上的思想，類似于二分法，不斷的向特征評價提出“假設”，通過不斷的迭代運算，使得結果越來越逼近于最優解。在特征提取融合模塊中，程序會分別做兩件事，一是進行特征提取融合，二是生成每個類的類模板，計算訓練類模板和所有樣本問的距離，訓練SVM分類器并反饋檢測數據給檢測分析庫。而檢測分析庫的數據，則與華南理工大學整理的SCUT-NAA數據庫定期內不斷做對比優化，完善服務器端的人體動作數據庫。endprint

經過500次的測試嘗試，發現靜坐，跑和跳的運動產生的加速度波形非常容易識別，而有的運動模式準確性識別則較為復雜，如上下樓時的波形。

由于不同的穿戴設備在形式上的不同體現，使得加速度傳感器在不同的身體部位時，所檢測的數值也會有一定的不同，如穿戴于手腕上的智能手表，穿戴于身上的智能項鏈，藏在衣服里的智能手機，在數據庫中應作不同的判斷，所幸的是，針對此類問題，華南理工大學的科研成果SCUT-NAA庫，針對此類不同身體位置的設備，提供了一一對應的參照范圍。

1.5TMD2771X傳感器在老年人安全伴侶中的應用

TMD2771X傳感器的內部集成了紅外發射管，無需外部的LED支持，適用于設備與障礙物之間的距離檢測。由于TMD2771X傳感器是依靠發光二極管偵測光線強度以及反射紅外光的距離來檢測物體的距離，因此設備內部的密封情況會影響到距離檢測的精度，通常會在傳感器上密封一層硅膠套以保障光源所造成的影響，確保精準程度。由于基于姿態識別與K-means聚類算法的老年人安全伴侶應用的特殊性，只需要檢測障礙物以及障礙物的宏觀距離，因此該傳感器能完美實現功能所需。并且MTK平臺在這方面提供了一套完整的開發工具包，內含研發、調試等工具，使用Android的ADB命令也可以對該傳感器進行調試。

TMD2771X傳感器內部集成了兩個發光二極管，一個用來檢測可見光，一個用來檢測紅外光，因此，數據采集時需要做一定的運算，消除干擾因素。勒克斯（Lux）公式提供了發光二極管轉換成光的量度單位的運算：

Lux=GA*DF*IRF*CDATA/IntegrationTime*Gain）

其中GA是玻璃的衰減指數，DF是環境中沒有紅外光時，采樣數據與lux之間的關系，IRF是紅外光因素，Integration Time是積分時間，Gain是增益，CDATA是采樣數據，包含了紅外光和可見光。

在使用Lux公式運算紅外距離時，還應考慮，如當手機放置衣服里，紅外檢測距離是滿量程時，或人處于高空中觀察夜景，手機直指天上星星量程值有可能為0時的不同情況，在邏輯代碼上做相應的處理。

2享受科技帶來的改變

克服以往技術的不足，老年人安全伴侶的出現，對于老齡人來說，是及時、有意義的。老年人安全伴侶給老人有別以往的體驗。有了安全伴侶，老齡人可以在一定程度上自己照顧自己，給兒女減負。老年人安全伴侶起到了收集信息處理信息的作用，幫助老年人過精致的生活，數字化的生活。

3總結

人口進入老齡化后，及時推出的老年安全伴侶系列產品，起到了關愛老人，為家庭減負的作用。它應用高科技，不僅可以為正在工作的中青年減輕照顧老齡人帶來的負擔，而且可以讓老年人自己照顧自己。兒女開心上班去，老人快樂悠閑中。這是老年人安全伴侶倡導的理念，也是時代獻給老齡人的先進產品。endprint