基于人體狀態識別的無線監測報警裝置

王新鵬WANG Xin-peng；姜錦月JIANG Jin-yue；李春生LI Chun-sheng

（臨沂大學，臨沂 276000）

1 背景分析

隨著我國老年人口的不斷增長，年輕人的壓力越來越大，很多年輕人又長期工作在外，常常會讓老人獨自呆在家中，使得老人的安全無法得到保障。如何在工作之余能照看家里的老人，對突發事件進行快速反應和處理，是解決當前眾多居家老人安全問題的關鍵。高質量的居家養老服務離不開功能強大、性能穩定、安全可靠的智能設備。

2 系統構架

本裝置包括基于Open Pose 人體狀態識別系統、樹莓派視頻采集及傳輸模塊、UWB 室內定位系統和溫濕度監測及煙火報警系統。大致流程為：通過樹莓派攝像頭采集視頻信息傳遞至計算機；計算機通過Open Pose 對視頻信息中的人體狀態進行識別及判斷，通過樹莓派進行遠程通信，最終傳至用戶端；與此同時UWB 室內定位系統對老人位置進行定位上傳至客戶端。即便當老人不在視頻范圍內，也可以通過UWB 室內定位系統對老年人的位置進行確定；當有意外事故發生時，家居安全防范報警系統會立即檢測出對應事故，并通過移動通信模塊將信息發送給用戶的同時將情況發送到相關單位。

2.1 基于Open Pose 人體狀態識別系統

本項目結合了Open Pose 的姿態識別技術通過不同肢體之間的協調關系來搭建分類算法，選擇出最優模型搭建多目標的分類方法，最終可以實現多個目標的姿態顯示、目標檢測和分類的實時顯示。

在此次的模型中通過調用輕量級的Open Pose 模型進行人體姿態識別，通過Open Pose 獲取人體各個骨骼關鍵點位置，然后通過歐氏距離進行匹配兩個骨骼來具體檢測到每一個人，對于常見檢測中骨骼關鍵點的缺失可以通過上一幀的骨骼信息進行填充。具體流程如圖1 所示。

圖1 姿態識別流程圖

Open Pose 是依賴于卷積神經網絡和監督學習實現人體姿態評估算法，其主要的優點在于適用于多人二維且較為精準和迅速的識別開源模型。整個目標動作監測系統的搭建主要利用Python 作為Open Pose 的代碼編寫和運行工具，CUDA（Compute Unified Device Architecture，CUDA，統一計算設備架構）進行調用顯卡訓練測試。本項目選擇了CMU 模型作為姿態識別的調用模型，主要原因在于CMU 具有更高一些的識別精度。

2.1.1 動作識別設計

本項目共設定摔倒、站立、行走、奔跑、跳動、坐下、下蹲、踢腿、出拳、揮手等行為標簽，每類行為通過樹莓派攝像頭采集相關視頻，并將視頻分幀成多張圖片，由不同的照片組合形成了不同動作，將其中的姿態特征利用Open Pose 提取作為完整動作的基本識別特征，并將其中的信息整合到TXT 文件中。其中提取的部分分別包括鼻子、脖子、左右肩、左右手腕、左右膝蓋等等。

基于計算機視覺對老人行為狀態特征就行跟蹤分析，實時分析在不同地點是否做出相應事情來判別異常，以目標的局部肢體運動作為研究對象，判斷其是否在完成某種行為，進而判斷該行為是否屬于異常行為。將摔倒、長時間不動及其相似行為視為異常行為。

2.1.2 計算機程序設計

根據識別過程中所用到的軟件需求，系統用Windows10 操作系統，整個目標動作監測系統的搭建主要利用Python 作為Open Pose 的代碼編寫和運行工具，CUDA 進行調用顯卡訓練測試，swig 給Open Pose 提供編譯環境；Open Pose 的調用在這里通過調用其中設定好的主函數，如模型加載程序、調用程序以及Estimator 評估等。

2.2 樹莓派視頻采集及傳輸模塊

該模塊由樹莓派、樹莓派攝像頭、電源電路、HDMI 接口、WIFI 模塊以及電腦組成。使用樹莓派驅動攝像頭，然后利用開源軟件motion 進行監控，并將采集的視頻傳輸到計算機，計算機對視頻內人物動作進行識別后，將信息再通過樹莓派進行傳輸。

Django 網站搭建，并配置REST API，通過REST API把數據傳給服務器。由于傳輸的實時溫度是不停變化的，所以在網頁展示的時候也要定時的自動刷新網頁。API（應用程序編程接口）是一組規則，用于定義應用程序或設備如何相互連接和通信。REST API 是符合REST（表述性狀態轉移）架構樣式設計原則的API。因此，REST API 有時被稱為REST API。樹莓派視頻采集流程圖如圖2 所示。

圖2 樹莓派視頻采集流程圖

2.3 UWB 室內定位系統

超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）室內定位系統主要由中央定位系統、定位基站、定位標簽和Wi-Fi 模塊四部分構成。

2.3.1 中央定位系統

中央定位系統為計算服務器，對各個定位基站發送過來的報文信息進行解析，然后利用解析出來的報文數據進行各個基站的時鐘同步，再利用同步之后得到的時間數據和TDOA 算法進行標簽位置的計算，最后以（x，y，z）坐標的形式輸出計算結果。其中本定位演示系統主要的工作是做二維定位，所以z 坐標值設置默認值為0。

2.3.2 定位基站

定位基站包括用于發送同步包的同步基站和用于接收定位包的從基站；同步基站以一定頻率的廣播形式向各個從基站發送同步包，并將已發送的每一條報文的幀序列號和發送時間以TCP 同步發送報文的形式發送給中央定位系統；從基站處于常接收狀態，首先需要接收來自同步基站的同步包，記錄下每條報文的幀序列號和接收時間，組織成一條完整的TCP 同步接收報文，同時從基站還需要接收來自Tag 的同步包，同樣的方式記錄下每條報文的幀序列號和接收時間，組織成一條完整的TCP 定位接收報文，然后不斷的將報文發送給中央定位系統。

2.3.3 定位標簽

定位標簽，處于常發射狀態，以一定的頻率向各個從基站發送定位包，處于被動定位的狀態，定位標簽不需要計算自己的位置，由中央定位系統計算定位標簽的位置，并以坐標的形式輸出結果。

2.3.4 Wi-Fi 模塊

Wi-Fi 模塊用來向中央定位系統轉發TCP 報文，每一個定位基站上都會接入一個Wi-Fi 模塊，并將Wi-Fi 模塊設置成一個用于轉發TCP 報文的客戶端，而與之對應的就是中央定位系統需要設置成用于接收TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）報文的服務器；通過這樣的設置之后，就可以將每一個定位基站輸出到串口的報文數據通過Wi-Fi 模塊轉發給中央定位系統。

UWB 室內定位系統主要是通過每個定位標簽以UWB 脈沖重復不間斷發送數據幀；定位標簽發送的UWB脈沖串被定位基站接收；每個定位基站利用高敏度的短脈沖偵測器測量每個定位標簽的數據幀到達接收器天線的時間；定位基站通過WIFI 或者以太網實現與后臺服務器通信；定位引擎參考標簽發送過來的校準數據，確定標簽達到不同定位基站之間的時間差，并利用TDOA 定位算法來計算標簽位置；最后，終端設備（應用軟件）顯示出定位標簽的位置。UWB 室內定位系統如圖3 所示。

圖3 UWB 室內定位系統示意圖

超寬帶室內定位技術采用TDOA 演示測距定位算法，通過信號到達的時間差，利用雙曲線交叉來定位的超寬帶系統包括產生、發射、接收、處理極窄脈沖信號的無線電系統。而超寬帶室內定位系統則包括UWB 接收器、UWB 參考標簽和主動UWB 標簽。

定位過程中由UWB 接收器接收標簽發射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元進行測距定位計算分析。

2.4 溫濕度監測及煙火報警系統

溫濕度監測系統選用STM32L151 單片機作為微系統控制器，采用DHT11 智能數字溫濕度傳感器實現環境溫濕度信息的采集；煙火報警系統選用AT89S52 單片機作為核心處理器，采用MQ-2 半導體可燃氣體傳感器實現煙霧濃度信息的采集。

報警電路設備、傳感器與單片機緊密結合在一起，預先給煙霧報警器設置一個固定的參數值，當監測區域達到預先給定的參數值時，煙霧傳感器把被測的物理量作為輸入參數，轉換成電量輸出。用A/D 轉換電路將傳感器檢測信息轉換成單片機可處理的數字信號，模擬-數字轉換電路將煙敏電路輸出的模擬信號轉換為可被單片機識別和讀取的數字信號，最后發送給單片機。

2.5 系統算法的優化

由于室內的溫濕度等參數不會發生突變，溫濕度監測系統采用限幅濾波法對遞推算法進行優化，設計合適的移動平均濾波器。通過限幅濾波法對移動平均濾波器進行優化，判斷被測信號的變化幅度，消除緩變信號中的尖脈沖干擾，從而有效克服偶然因素引起的脈沖干擾。

3 結語

該無線監測報警裝置具有以下創新點和系統特色：

①本項目結合了Open Pose 的姿態識別技術通過不同肢體之間的協調關系來搭建分類算法，并通過不同的分類算法比較，選擇出最優模型搭建多目標的分類方法，最終可以實現多個目標的姿態顯示、目標檢測和分類的實時顯示。Open Pose 作為姿態識別是采用的自底向上的檢測方法，在行為監測、姿態糾正、動作分類等方面具有很高的準確性，并能對動作進行迅速的識別及判斷。

②通信方式采用無線傳輸的方式，在室內采集傳感器采集的報警信號經過編碼無線發射電路，能夠減少家庭布線的麻煩；低功耗工作模式，溫濕度監測及煙火報警系統所采用的核心控制器都具有低功耗高效能的優點。

③利用樹莓派進行數據傳輸時，搭建Django 網站，并配置REST API，發送數據到服務器API，并讓樹莓派定時執行數據傳輸程序實現自動抓取數據，并且把數據傳送到服務器。傳輸數據顯示到網頁上，可實時查看。

④在此次的模型中通過調用輕量級的Open Pose 模型進行人體姿態識別，其主要的方法是通過Open Pose 獲取人體各個骨骼關鍵點位置，然后通過歐氏距離進行匹配兩個骨骼來具體檢測到每一個人，對于常見檢測中骨骼關鍵點的缺失可以通過上一幀的骨骼信息進行填充。

⑤UWB 室內定位系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優點；對室內靜止或者移動物體能精確定位。