基于WiFi人體行為識別的老年人跌倒監測系統

馬立克

（西北民族大學數學與計算機科學學院，甘肅蘭州，730000）

0 引言

隨著全民人口老齡化加快，我國已正式進入到快速老齡化階段;據有關數據表明，在未來20年之間，老齡人口的年均增長速度將超過3%;到2050年，中國的老齡人口總量將超過4億人，老齡化人群將超過中國總人口數的30%[1]。

據中國疾控中心慢病中心2018年全國疾病監測系統死因監測結果顯示，65歲以上老年人跌倒傷害占總傷害病例比例為34.51%。因此，跌倒已經成為我國65歲以上老年人因傷致死的首位原因。現今，跌倒對于我國數量空前的老年人群體來說，是致命殺手般的存在。更令人擔憂的是，對在老年人群體中占大比例的空巢老人群體來說，其平日在室內更多的是處于無人監管的狀態，一旦發生意外，后果將不堪設想。因而，在這種情況下, 實時動態健康體征監測系統就成了隨時隨地監測老年人居家安全的最佳手段。該類系統的研發與投入使用不但能從根本上降低了醫療資源的使用, 更甚者在很大程度上對意外發生時與發生后做到了及時的預警與求救，對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

目前對于老年人健康監測缺乏高效簡潔的手段，在監管老年健康方面容易出現問題。然而優質的健康監護資源只有在醫院等機構才能享受，但是這部分資源卻是有限的，無法與現有需求匹配。

隨著老齡化進程不斷加快，全方位全周期健康監測服務將是養老產業所發展的重點，將科技與服務結合已成為現時代的趨勢。

而WiFi無線聯網技術作為當今使用最廣的一種無線網絡傳輸技術，幾乎所有設備都支持Wi-Fi上網，無線信號不僅在數據傳輸上發揮了重要的作用，而且也可以用來實現環境感知、人體動作識別。

人體動作識別作為健康監測系統的基礎模塊，同時也是關鍵的組成部分。本系統基于WiFi信號的人體行為識別方法能夠有效地解決和彌補傳統方法所帶來的不足。與傳統的方法相比，被檢測的用戶不需要隨身攜帶任何的設備，僅僅利用WiFi無線射頻信號對人體的動作進行感知和識別，因此也不需要考慮各種傳感器的成本、壽命等問題。基于無線信號的人體活動監測以用戶為中心，利用人體動作對無線信號傳播產生的影響，采集人體的生理信息，包括人體的位置、姿勢、動作等，并且將這些信息以數據的形式，通過無線傳輸的方式傳送給遠程控制端，實現對老年人健康狀況的遠程監測。例如，對于獨居老年人而言，當出現跌倒等健康威脅時，家庭使用的路由器作為WiFi信號的發射端，利用普通的接收設備作為信號的接收端，對于路由器采集到的數據第一時間進行一系列行為識別分析，確定結果后第一時間將危險信息上傳云端，與社區醫院相結合, 能及早地發現險情并及時救治, 有效地達到了監控病情的目的。同時結合手機APP與監護人第一時間取得聯系。

2 老年人監測系統及需求現狀

人口老齡化使老齡化服務行業進入了黃金期。目前針對于老年人行為識別的技術主流上包括基于視頻監控、基于傳感器的掃描識別、基于無線射頻信號等。

以下列舉了當前市場上涉及到的相關老年人健康監測的主流產品。

圖1是普遍家庭比較流行的家居監控攝像頭，其特點是自動識別抓拍移動物體，更高級的有人形偵測功能。其利用紅外光實現夜晚攝像，黑白畫面，實現全時段監測，并且可通過APP實現手機和攝像頭對接；但是此類產品的缺陷也有很多，安裝前需提前部署監測位置，電源，網線；使用無線傳輸時得充分考慮網絡負載；攝像頭只能設置在走道、門廳等公共區域，不宜裝在臥室，衛生間等隱私區域并且存在監控死角。而老年人跌倒的高發區往往發生會在衛生間等比較濕滑的地方，監測區域的有限是監控攝像頭的一大弊端。為保證數據隱私不被泄露，還需要選擇購買有加密傳輸能力的攝像頭產品，安裝成本大大提高。

圖1 普遍家庭比較流行的家居監控攝像頭

圖2是智能手環，作為時下熱門的一款老年人健康監測產品，可以支持24小時心率監測，清晰反饋老年人的健康實時數據，方便根據情況調節運動強度。具有智能脈搏波技術，輕松測量血壓等多種功能表。但是需要做到24小時佩戴，當老人洗澡睡覺時，不方便佩戴，無法達到實時監測的目的；并且需過慮擦汗、翻書、擺臂等手部動作的干擾，無法對跌倒這種大動作做到及時有效的判斷。

圖2 智能手環

相比于上述所列出的兩款產品，基于wifi信號的健康監測系統很好地解決了許多傳統的健康監測系統所面臨的問題，同時具備很好的空間性、時效性和安全性。

通過網絡以及相關資料，還有走訪了解部分老年人群體，我們發現存在以下問題：（1）市面上涉及到老年人健康監測的產品無法很好的切合實際老年人防跌倒的需求。（2）基于WiFi無線射頻的人體行為識別技術，其最顯著的特點是恰恰彌補了基于視頻、基于傳感器等各項健康檢測的缺陷：無檢測位置限制，無隱私泄露隱患，方便快捷。但是市場上目前還沒有相關的健康監測產品。（3）基于WiFi的這一套系統只需要很少的資源就能達到比同類型產品更好的效果。綜上所述，我們認為利用現代互聯網以及計算機處理數據的便捷性，利用WiFi人體行為識別技術做出一款同時具備空間性，安全性，全時效性，便捷性的老年人健康監測系統。為關注老年人健康，促進全民健康水平提升貢獻自己的一份力量[2]。

3 項目的主要內容

基于上述分析，為了以更低的成本更好的保護這些老人的生命健康安全，以WiFi信號識別人體動作作為基礎，并將其識別的動作與預先存入的動作模型進行匹配，如果相同就以app報警的方式進行呈現，并自動向家人或者有關終端進行預警，方便監護方能更快的發現并處理老人摔倒所發生的狀況。

3.1 基本功能

由于軟件所面向的主體對象人群是易發生意外的老年人群。初期，考慮到許多老年人并不熟悉智能設備的使用，同時也為了更好的服務老年人群，我們的產品將會考慮到老年人的實際情況，簡化使用的各個方面，但在保證功能不受影響的情況下，開發并應用引導系統，以此來引導各類人群的使用。同時，我們也會降低用戶頁面的復雜程度，給予被服務人群最簡易的使用流程。主要有以下功能：

3.1.1 用戶意外預警功能

分為兩種模式--主動和被動。主動功能是當老人發生意外突發狀況時可以快速的通過app通知救助方，該功能是通過一鍵撥號系統可以讓用戶以最快的速度聯系救助方。不同的是，被動功能是軟件的核心功能，它以WiFi識別具體的人體動作，通過跌倒檢測分析進而達到預警的效果。最后，除此兩種主要的功能外，大聲播報日程功能和天氣播報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，大大加強了軟件的實用性與日常性。

3.1.2 智能引導系統

智能引導系統則是當你打開app的時就自動的在后臺進行調用。并且，當你需要使用到某項功能的時候，用戶可以選擇相應的app引導功能，屆時，app將會自動跳轉到相應的功能一步步的告訴用戶如何執行。

3.1.3 利用室內音響，附加了日程播報，廣播功能以及天氣預報功能等實用功能。

4 實施目標

4.1 系統流程圖

技術人員通過對一些情景預設下的行為動作識別進而通過契合模型建立將其轉化為數字信號，再對其進行封裝存儲于數據庫中，并將這些數據作為未來跌倒檢測實時判斷的依據來源。

在實用階段，將WiFi采集信息傳送至電腦終端進行數據接收、判斷和處理，如果信息匹配，將會作為異常信息處理，并將處理的結果發送至相應的app終端，使得接收者及時進行處理響應。

圖3 項目功能圖

圖4 系統流程圖

4.2 關鍵過程

在本項目的實施過程中，關鍵過程如下。

圖5 項目總體過程

4.2.1 數據準備和數據采集

通過進行預設環境下技術人員對適用對象的行為動作進行模擬，建立合適的動作模型來進行數據采集，并且將數據記錄到相應的文檔中，為接下來數據的預處理提供豐富的實驗數據。但是完成這一系列的工作較為繁瑣，工作量大，需要一定量的時間收集和處理數據。

4.2.2 數據的預處理

在室內環境中，WiFi信號在傳播過程中會受到周遭環境的影響，而許多的無關因素會對采集的數據產生干擾，因此，我們需要對數據進行相關預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--常用于數據維度較高的數據集。其優點是能夠實現降維，從而降低算法復雜度，同時能去除不相干的噪音成分。這一點傳統的低通濾波器是不能實現的。因此，主成分分析的方法常用于CSI數據的處理。相關的技術還有待學習與實現[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鍵的一步，也是人體動作系統設計過程中十分的重要環節。特征提取的目的是通過挖掘CSI信號的本質信息，建立人體動作和CSI信號變化模式的相互關系。在此基礎上，針對不同的動作提取最具代表的特征，作為對應特征的特殊標簽，從而實現較好的識別效果。

而特征提取主要包括時域分析、頻域分析的方法，對于CSI信號而言，可以根據不同的行為動作提取對應的時域和頻域的特征并將其轉化為特征碼。最后，將這些特征碼通過統一格式導入到專門的系統數據庫中進行保存[5]。

4.2.4 用svm模型進行行為識別

對于提取出來的特征碼，我們將采用svm模型進行識別。Svm模型--支持向量機（Support Vector Machines,SVM）是一種基于統計學理論的機器學習的方法。SVM的基本模型是間隔最大化的線性分類器[6]。在實際應用中，如果訓練樣本的數據呈現線性可分的特點，那么就可以通過硬間隔最大化，并繼續通過學習得到線性分類器;如果訓練樣本的數據呈現不可分的特點，就可以通過學習得到一個非線性的分類器。[7]

4.2.5 對分析系統進行封裝

將以上技術中提到的特征碼、用于接收實時數據的模型等其他功能進行封裝。以至于將功能集中化，最后作為一款可用的分析系統[8]。

4.2.6 app的制作

用安卓開發的方式完成對APP的制作，將app制作成用于對分析系統報送的信息進行接收并對用戶進行預警的一款小程序，再進行一些實用功能的添加，例如一鍵報警等。

5 結語

本項目相較于其他產品來說，此項目采用WiFi無線監測的形式，在擁有了市場已有產品功能的同時，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測的需求。

通過市場調研發現，同類產品多是采用傳感器技術，視頻監測技術，生產，購買成本大大提高，而此系統只需要客戶在家中搭載一臺具有無線監測的路由器，成本方面遠低于其他產品。

通過查閱相關文獻，基于WiFi人體行為識別的技術已發展的比較成熟，這使老年人跌倒監測系統在項目可行性方面更加利于實現。