基于姿態(tài)識(shí)別與K—means算法的老年人安全伴侶

陳唯關(guān)　李晶　丑佳文　劉夏平

摘要：基于姿態(tài)識(shí)別與K-means聚類算法的老年人安全伴侶應(yīng)用是一款為老人設(shè)計(jì)，采用加速度傳感器采集數(shù)據(jù)，檢測(cè)老人是否摔倒而及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)的軟件檢測(cè)系統(tǒng)。在特制移動(dòng)終端上使用TMD2771X傳感器檢測(cè)物體距離，對(duì)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(jiān)測(cè)，智能定位等貼心功能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)備不足的同時(shí)，開創(chuàng)性的實(shí)現(xiàn)了以往未有的效果。

關(guān)鍵詞：紅外距離傳感器；模式識(shí)別；老年人安全；心率檢測(cè)

0引言

人口老齡化問(wèn)題日益嚴(yán)重，關(guān)注老年人生活成了目前人們最為關(guān)注的問(wèn)題?；谧藨B(tài)識(shí)別與K-means聚類算法的老年人安全伴侶應(yīng)用便應(yīng)運(yùn)而生，該應(yīng)用在特制的具有TMD2771X傳感器的移動(dòng)終端上可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)物體距離，對(duì)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(cè)血壓、心率。在老人跌倒的問(wèn)題上，可以在老人跌倒的同時(shí)，調(diào)用聲音播放功能，向周圍發(fā)出求救信號(hào)，同時(shí)給老人的親人發(fā)送求救短信，并且撥通設(shè)定的親情號(hào)碼，連接老人與親人間的通信，同時(shí)對(duì)老人所處的環(huán)境進(jìn)行GPS定位，以便親人及時(shí)知道老人所在。另可通過(guò)手動(dòng)觸發(fā)按鍵，選擇誤吸、窒息、壓瘡、燙傷、凍傷等老年人高頻出現(xiàn)的危機(jī)，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(shù)

1.1老年人安全伴侶中的定位模式選擇

常見(jiàn)的定位方式有兩種：GPS衛(wèi)星定位和基站定位。GPS衛(wèi)星定位是以人造衛(wèi)星作為基準(zhǔn)點(diǎn)，向其發(fā)射無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)后，利用接收機(jī)接收信號(hào)，并通過(guò)解碼獲得衛(wèi)星到接收機(jī)的距離。通過(guò)三維坐標(biāo)中的距離公式組成3個(gè)方程式，從而接觸觀測(cè)點(diǎn)的位置。除此以外，還需引入第四顆衛(wèi)星，產(chǎn)生4個(gè)方程式，用來(lái)求解觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。基站定位是利用電信移動(dòng)等運(yùn)營(yíng)商的基站來(lái)獲取用戶的位置，采用三角公式估計(jì)算法計(jì)算位置。其精準(zhǔn)度會(huì)受到基站的數(shù)量情況影響。基站定位的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋率高，但缺點(diǎn)是誤差較大。由于老年人安全伴侶主要針對(duì)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(duì)老年人安全伴侶的定位核心優(yōu)化

K-means聚類算法因?yàn)樗枷牒?jiǎn)單，算法簡(jiǎn)潔，收斂性好等特點(diǎn)，適合用于最小距離的對(duì)象劃分。因此，在科研和商業(yè)領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的K-means聚類算法將k個(gè)對(duì)象分為n個(gè)簇，取每個(gè)簇中的數(shù)值作為每個(gè)簇之間的距離，通過(guò)簇內(nèi)元素相似度最高的原理，不斷迭代運(yùn)算，賦值到最近的簇，使得函數(shù)逐漸收斂到最優(yōu)。但該算法存在缺陷，容易得到局部最優(yōu)解，而非全局最優(yōu)解?；谧藨B(tài)識(shí)別與K-means聚類算法的老年人安全伴侶使用的是針對(duì)定位功能而改進(jìn)的K-means聚類算法，在百度地圖的各種坐標(biāo)體系下，提出一種改進(jìn)的基于網(wǎng)格的K-means算法，用新的方法確定k值以及K個(gè)初始質(zhì)心，形似數(shù)學(xué)的無(wú)限趨近思想，由于百度地圖的實(shí)現(xiàn)原理，決定了可以將百度地圖看似是由若干個(gè)圖塊構(gòu)成，百度地圖的每一個(gè)級(jí)別縮放，會(huì)將一個(gè)圖塊再次分成若干個(gè)圖塊，最后無(wú)限趨近于最優(yōu)解。相對(duì)于傳統(tǒng)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(zhǔn)則函數(shù)而出現(xiàn)較大的聚類簇分割開的情況，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的K-means算法優(yōu)于原始算法，并且穩(wěn)定性更好，更多還原。

1.3心率監(jiān)測(cè)在老年人安全伴侶中的實(shí)現(xiàn)

心率監(jiān)測(cè)技術(shù)在智能手表上應(yīng)用是現(xiàn)今的一個(gè)熱門技術(shù)，現(xiàn)市面上心率監(jiān)測(cè)手表有兩種類型，一種是利用了光反射測(cè)量原理，另一種則是利用電勢(shì)測(cè)量原理。光反射測(cè)量原理是利用了單波長(zhǎng)光直射到接收組織后的反射光信號(hào)來(lái)測(cè)量組織容積在心臟脈搏波信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)峰值來(lái)獲得心率。由于人的心臟跳動(dòng)和脈搏跳動(dòng)具有聯(lián)動(dòng)的關(guān)系，測(cè)試脈搏跳動(dòng)頻率即可獲得心率值，而脈搏的跳動(dòng)情況，會(huì)影響組織面積的波動(dòng)情況，從而影響單波光長(zhǎng)的直射距離。因此通過(guò)檢測(cè)單波光長(zhǎng)直射距離變化所產(chǎn)生的數(shù)值，使用截取峰值的方法，可求得心臟的搏動(dòng)次數(shù)，即心率。但其容易受到干擾，如人體生長(zhǎng)的毛發(fā)干擾。電勢(shì)測(cè)量原理則是將帶手表的手腕作為一極，而任一個(gè)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(yīng)后的數(shù)據(jù)，通過(guò)濾波放大等處理，經(jīng)過(guò)神念科技的專利算法處理后，將16位高精度ADC模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)獲取計(jì)算后的電極測(cè)量檢測(cè)峰值來(lái)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(xiàn)市面上的常見(jiàn)智能產(chǎn)品，滿足如：智能手環(huán)、智能手表、智能項(xiàng)鏈等主流產(chǎn)品的需求，而老年人安全伴侶主要針對(duì)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(shì)測(cè)量技術(shù)。

1.4姿態(tài)識(shí)別在老年人安全伴侶中的應(yīng)用

姿態(tài)識(shí)別技術(shù)是近幾年來(lái)非常火熱的研究方向。主流的姿態(tài)識(shí)別方法有兩種，一種是基于圖像分析的人體姿態(tài)識(shí)別模式，另一種則是使用加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析的姿態(tài)識(shí)別模式。前者主要應(yīng)用于視頻監(jiān)控領(lǐng)域，其多數(shù)使用場(chǎng)景均為固定場(chǎng)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(gòu)成的動(dòng)態(tài)空間模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析處理。其精準(zhǔn)度極高，可攜帶性極大，更適用于個(gè)體測(cè)試使用。老年人安全伴侶選擇了后者開發(fā)使用。在老年人安全伴侶的姿態(tài)識(shí)別應(yīng)用中，首先對(duì)X、Y、Z方向的三軸加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（去噪），再通過(guò)加速度數(shù)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(jù)特征選擇搜索特征子集，經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)算法中選擇出好的特征子集，放入SVM分類器，最后識(shí)別出結(jié)果。其中出現(xiàn)不好的特征子集，程序會(huì)重新返回到特征選擇搜索模塊，特征評(píng)價(jià)模塊對(duì)特征選擇搜索模塊做出特征值的性能評(píng)價(jià)，學(xué)習(xí)算法則運(yùn)用數(shù)學(xué)上的思想，類似于二分法，不斷的向特征評(píng)價(jià)提出“假設(shè)”，通過(guò)不斷的迭代運(yùn)算，使得結(jié)果越來(lái)越逼近于最優(yōu)解。在特征提取融合模塊中，程序會(huì)分別做兩件事，一是進(jìn)行特征提取融合，二是生成每個(gè)類的類模板，計(jì)算訓(xùn)練類模板和所有樣本問(wèn)的距離，訓(xùn)練SVM分類器并反饋檢測(cè)數(shù)據(jù)給檢測(cè)分析庫(kù)。而檢測(cè)分析庫(kù)的數(shù)據(jù)，則與華南理工大學(xué)整理的SCUT-NAA數(shù)據(jù)庫(kù)定期內(nèi)不斷做對(duì)比優(yōu)化，完善服務(wù)器端的人體動(dòng)作數(shù)據(jù)庫(kù)。endprint

經(jīng)過(guò)500次的測(cè)試嘗試，發(fā)現(xiàn)靜坐，跑和跳的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度波形非常容易識(shí)別，而有的運(yùn)動(dòng)模式準(zhǔn)確性識(shí)別則較為復(fù)雜，如上下樓時(shí)的波形。

由于不同的穿戴設(shè)備在形式上的不同體現(xiàn)，使得加速度傳感器在不同的身體部位時(shí)，所檢測(cè)的數(shù)值也會(huì)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(xiàng)鏈，藏在衣服里的智能手機(jī)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中應(yīng)作不同的判斷，所幸的是，針對(duì)此類問(wèn)題，華南理工大學(xué)的科研成果SCUT-NAA庫(kù)，針對(duì)此類不同身體位置的設(shè)備，提供了一一對(duì)應(yīng)的參照范圍。

1.5TMD2771X傳感器在老年人安全伴侶中的應(yīng)用

TMD2771X傳感器的內(nèi)部集成了紅外發(fā)射管，無(wú)需外部的LED支持，適用于設(shè)備與障礙物之間的距離檢測(cè)。由于TMD2771X傳感器是依靠發(fā)光二極管偵測(cè)光線強(qiáng)度以及反射紅外光的距離來(lái)檢測(cè)物體的距離，因此設(shè)備內(nèi)部的密封情況會(huì)影響到距離檢測(cè)的精度，通常會(huì)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(zhǔn)程度。由于基于姿態(tài)識(shí)別與K-means聚類算法的老年人安全伴侶應(yīng)用的特殊性，只需要檢測(cè)障礙物以及障礙物的宏觀距離，因此該傳感器能完美實(shí)現(xiàn)功能所需。并且MTK平臺(tái)在這方面提供了一套完整的開發(fā)工具包，內(nèi)含研發(fā)、調(diào)試等工具，使用Android的ADB命令也可以對(duì)該傳感器進(jìn)行調(diào)試。

TMD2771X傳感器內(nèi)部集成了兩個(gè)發(fā)光二極管，一個(gè)用來(lái)檢測(cè)可見(jiàn)光，一個(gè)用來(lái)檢測(cè)紅外光，因此，數(shù)據(jù)采集時(shí)需要做一定的運(yùn)算，消除干擾因素。勒克斯（Lux）公式提供了發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換成光的量度單位的運(yùn)算：

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

其中GA是玻璃的衰減指數(shù)，DF是環(huán)境中沒(méi)有紅外光時(shí)，采樣數(shù)據(jù)與lux之間的關(guān)系，IRF是紅外光因素，Integration Time是積分時(shí)間，Gain是增益，CDATA是采樣數(shù)據(jù)，包含了紅外光和可見(jiàn)光。

在使用Lux公式運(yùn)算紅外距離時(shí)，還應(yīng)考慮，如當(dāng)手機(jī)放置衣服里，紅外檢測(cè)距離是滿量程時(shí)，或人處于高空中觀察夜景，手機(jī)直指天上星星量程值有可能為0時(shí)的不同情況，在邏輯代碼上做相應(yīng)的處理。

2享受科技帶來(lái)的改變

克服以往技術(shù)的不足，老年人安全伴侶的出現(xiàn)，對(duì)于老齡人來(lái)說(shuō)，是及時(shí)、有意義的。老年人安全伴侶給老人有別以往的體驗(yàn)。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(fù)。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(guò)精致的生活，數(shù)字化的生活。

3總結(jié)

人口進(jìn)入老齡化后，及時(shí)推出的老年安全伴侶系列產(chǎn)品，起到了關(guān)愛(ài)老人，為家庭減負(fù)的作用。它應(yīng)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(lái)的負(fù)擔(dān)，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(lè)悠閑中。這是老年人安全伴侶倡導(dǎo)的理念，也是時(shí)代獻(xiàn)給老齡人的先進(jìn)產(chǎn)品。endprint