老人跌倒智能檢測(cè)與定位的主被動(dòng)告警系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種老人跌倒智能檢測(cè)與定位的主被動(dòng)告警系統(tǒng)及方法，主要解決現(xiàn)技術(shù)檢測(cè)效率和準(zhǔn)確率低且無(wú)法自動(dòng)告警的問題。其系統(tǒng)包括老人跌倒檢測(cè)模塊(1)、云服務(wù)器(2)和客戶端(3)。老人跌倒檢測(cè)模塊(1)裝在老人的腰部獲取包含位置信息和安全信息的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)間歇性發(fā)送給云服務(wù)器(2)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送給客戶端(3)。云服務(wù)器接收老人跌倒檢測(cè)器的狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并依據(jù)客戶端的控制命令發(fā)送給相應(yīng)的客戶端，客戶端向云服務(wù)器或老人跌倒檢測(cè)器發(fā)送控制命令，并接收和處理反饋的狀態(tài)數(shù)據(jù)。本發(fā)明的跌倒檢測(cè)成功率高，可自動(dòng)告警，且能夠同時(shí)使用短信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信，穩(wěn)定性強(qiáng)，可用于解決老人走失、跌倒救援。
【專利說明】
老人跌倒智能檢測(cè)與定位的主被動(dòng)告警系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于智能監(jiān)控和無(wú)線通信領(lǐng)域，特別涉及一種老人跌倒智能檢測(cè)與定位的 主被動(dòng)告警系統(tǒng)及方法，可用于解決老人走失、跌倒救援。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人口老齡化的加劇，越來越多的老人需要子女的照顧。據(jù)統(tǒng)計(jì)，老人跌倒是老 人最大的安全隱患，占據(jù)了老人全部突發(fā)問題的近53%;老人走失僅次于跌倒，占全部問題 的21 %。老人跌倒與走失等安全問題成為社會(huì)的熱點(diǎn)。老人遭遇突發(fā)狀況時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)出 求救信息，導(dǎo)致喪失最佳的救援時(shí)機(jī)。
[0003] 定位技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展為老人定位信息的獲取與傳輸?shù)於嘶A(chǔ)，手機(jī) 應(yīng)用的普及為手機(jī)軟件開發(fā)提供了條件，云服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用為海量定位信 息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和快速訪問做出了保障。
[0004] 現(xiàn)有的老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)大多數(shù)包含定位、向子女的手機(jī)發(fā)送短信等基本功能，但是 不具備自動(dòng)告警功能，即當(dāng)老人出現(xiàn)意外跌倒時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)這種行為并在老人不需要 操作的情況下向其子女求救。此外，目前的跌倒檢測(cè)算法檢測(cè)準(zhǔn)確率低，硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)CPU負(fù) 荷率高導(dǎo)致的漏報(bào)和耗電，不利于推廣。
[0005] 在跌倒檢測(cè)方面，目前的跌倒識(shí)別方案主要分為兩種：第一種為基于視頻的檢測(cè) 方法。該方法利用攝像頭等設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，已經(jīng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。但是該方法受環(huán)境局限較 大，一方面其會(huì)受到光線等客觀因素的影響，另一方面該方法主要應(yīng)用于室內(nèi)封閉環(huán)境，對(duì) 于老人外出的情況無(wú)法給出解決方案。第二種為基于傳感器的方式，雖然相比于視頻檢測(cè) 的方法，在檢測(cè)的準(zhǔn)確度上仍需要進(jìn)一步發(fā)展，但是該方法為老人日常生活中的跌倒檢測(cè) 提供了可能性。
[0006] 對(duì)于跌倒檢測(cè)算法來說，目前基于傳感器的跌倒檢測(cè)算法大多數(shù)采用基于規(guī)則的 方法，分析加速度、姿態(tài)角等時(shí)間序列的變化規(guī)律，將跌倒的模式判斷出來。然而由于老人 跌倒過程中時(shí)間序列較長(zhǎng)，變化規(guī)律多種多樣且錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致人工編寫邏輯、制定規(guī)則實(shí) 現(xiàn)起來比較困難，而且跌倒的檢測(cè)準(zhǔn)確率無(wú)法得到較好地保證。
[0007] 目前業(yè)內(nèi)也有一些基于統(tǒng)計(jì)的方法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識(shí)別的原理，訓(xùn)練一個(gè) 監(jiān)測(cè)模型并利用其進(jìn)行分類、識(shí)別與預(yù)測(cè)。特征提取的方法基本都采用了滑動(dòng)窗口截取時(shí) 間序列的方式，然而大部分利用重疊截取或連續(xù)截取的方式，此兩種方法有很大弊端:第 一，CPU處于高負(fù)荷狀態(tài)，對(duì)采集到的所有時(shí)間序列進(jìn)行判定;第二，系統(tǒng)在老人跌倒時(shí)不能 及時(shí)響應(yīng)，造成漏報(bào);第三，相同動(dòng)作產(chǎn)生了不同的時(shí)間序列，或者某個(gè)時(shí)間序列包含了兩 個(gè)動(dòng)作，降低了檢測(cè)準(zhǔn)確率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種老人跌倒智能檢測(cè)與定位 的主被動(dòng)告警系統(tǒng)及方法，用于解決現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確度低，CPU負(fù)荷率高導(dǎo)致的漏報(bào)和耗 電，以及無(wú)法在老人跌倒時(shí)自動(dòng)告警的問題。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)思路是:開發(fā)老人跌倒檢測(cè)器產(chǎn)品和相應(yīng)的手機(jī)應(yīng)用軟件，依據(jù)一 種基于機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識(shí)別的跌倒檢測(cè)算法，建立一種系統(tǒng)，讓老人能夠在簡(jiǎn)單操作甚至 完全不需要操作的情況下，使其子女在第一時(shí)間能通過手機(jī)獲得老人的位置信息和安全信 息，并可通過客戶端查詢老人位置信息，也可接收和處理老人跌倒檢測(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)老人 定位、跌倒檢測(cè)，以及信息存儲(chǔ)、查詢與顯示功能的一體化。
[0010] 根據(jù)上述思路，本發(fā)明的老人跌倒智能檢測(cè)與定位的主被動(dòng)告警系統(tǒng)，包括：
[0011] 老人跌倒檢測(cè)器1，用于檢測(cè)老人跌倒并將跌倒檢測(cè)結(jié)果與老人當(dāng)前位置信息兩 項(xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務(wù)器2或客戶端3;
[0012]云服務(wù)器2,用于接收和存儲(chǔ)老人跌倒檢測(cè)器1發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)客戶端3發(fā) 送的控制命令將狀態(tài)數(shù)據(jù)返回給客戶端3;
[0013] 客戶端3，用于處理并顯示云服務(wù)器2和老人跌倒檢測(cè)器1發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)；
[0014] 其特征在于，
[0015] 所述老人跌倒檢測(cè)器1，包括GPS定位模塊11、三軸加速度計(jì)模塊12、控制模塊13、 告警通信模塊14,其特征在于，
[0016] 該控制模塊13,包括：
[0017] 跌倒監(jiān)聽子模塊131，用于對(duì)老人的活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)聽并對(duì)老人所做出的疑似跌倒的 動(dòng)作做出響應(yīng)，并將響應(yīng)信息傳遞給跌倒序列截取子模塊132;
[0018] 跌倒序列截取子模塊132,用于對(duì)跌倒監(jiān)聽子模塊131監(jiān)聽到的疑似跌倒的動(dòng)作所 對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列進(jìn)行截取，并將截取出的時(shí)間序列傳遞給特征提取子模塊133;
[0019] 特征提取子模塊133,用于從跌倒序列截取子模塊132截取出的時(shí)間序列中提取加 速度和姿態(tài)角特征，并將提取的特征傳遞給BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)子模塊134;
[0020] BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)子模塊134,用于讀取特征提取子模塊133提取的特征，進(jìn)行跌倒檢測(cè) 的計(jì)算并輸出跌倒檢測(cè)的結(jié)果，將結(jié)果傳遞給告警通信模塊14;
[0021] 該告警通信模塊14,包括：
[0022]數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)子模塊141，用于與云服務(wù)器2進(jìn)行間歇性通信；
[0023]短信子模塊142,用于與客戶端3進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；
[0024]所述客戶端3,包括：
[0025]用戶管理模塊31，用于進(jìn)行用戶信息數(shù)據(jù)的設(shè)置和修改，并將包含用戶信息數(shù)據(jù) 的控制命令傳遞給智能通信模塊32;
[0026]智能通信模塊32,用于自動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，在連接或未連接數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)分別 向云服務(wù)器2或老人跌倒檢測(cè)器1發(fā)送控制命令，接收返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)并傳遞給顯示模塊 33；
[0027]顯示模塊33,用于處理并顯示從智能通信模塊32接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)。
[0028] 根據(jù)上述思路，本發(fā)明的老人跌倒智能檢測(cè)與定位的主被動(dòng)告警方法，包括如下 步驟：
[0029] 1)將老人跌倒檢測(cè)器1放置在老人腰間，在其子女的手機(jī)上安裝客戶端3,并進(jìn)行 注冊(cè)和登錄；
[0030] 2)通過老人跌倒檢測(cè)器1中的GPS獲得老人的位置信息，并通過其中的三軸加速度 計(jì)獲得老人當(dāng)前的加速度和姿態(tài)角ig息；
[0031] 3)對(duì)老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)：
[0032] 3a)控制監(jiān)聽三軸加速度計(jì)的變化，采集老人活動(dòng)過程中的時(shí)間序列樣本；
[0033] 3b)當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似跌倒的時(shí)間序列樣本時(shí)，利用定長(zhǎng)滑動(dòng)窗口將該段序列的關(guān)鍵部 分截取，并利用截取出的時(shí)間序列提取老人當(dāng)前的加速度和姿態(tài)角特征，構(gòu)造平衡數(shù)據(jù)集； [0034] 3c)使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)構(gòu)造的平衡數(shù)據(jù)集進(jìn)行交叉檢驗(yàn)，調(diào)整BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間層 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、正則化系數(shù)以及節(jié)點(diǎn)sigmoid激活函數(shù)門限閾值，使得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得最優(yōu)性 能，完成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練；
[0035] 3d)當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似跌倒的時(shí)間序列時(shí)，截取該段序列的關(guān)鍵部分，提取老人當(dāng)前的加 速度和姿態(tài)角特征，并輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行判定，如果輸出結(jié)果為1，則檢測(cè)結(jié)果為跌 倒，否則為非跌倒；
[0036] 4)發(fā)送跌倒檢測(cè)結(jié)果：
[0037]當(dāng)?shù)箼z測(cè)結(jié)果為非跌倒時(shí)，老人跌倒檢測(cè)器將狀態(tài)數(shù)據(jù)間歇性發(fā)送至云服務(wù) 器；
[0038] 當(dāng)?shù)箼z測(cè)結(jié)果為跌倒或求救按鍵被按下時(shí)，老人跌倒檢測(cè)器將狀態(tài)數(shù)據(jù)立即發(fā) 送至客戶端，客戶端進(jìn)行接收并顯示；
[0039] 5)客戶端主動(dòng)請(qǐng)求并獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)：
[0040] 5a)在網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)下，按下客戶端的"定位"按鈕向云服務(wù)器發(fā)送控制命令;在網(wǎng) 絡(luò)未連接狀態(tài)下，向老人跌倒檢測(cè)器發(fā)送控制命令；
[0041] 5b)云服務(wù)器或老人跌倒檢測(cè)器接收控制命令，將狀態(tài)數(shù)據(jù)返回給客戶端；
[0042] 5c)客戶端接收返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理和顯示。
[0043] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0044] 第一，由于本發(fā)明采用跌倒智能檢測(cè)及告警方式，使得在老人跌倒時(shí)，老人跌倒檢 測(cè)器無(wú)需老人的任何操作，即可將緊急定位信息發(fā)送至客戶端，讓子女在第一時(shí)間了解老 人的安全情況及位置信息。
[0045] 第二，由于本發(fā)明采用主被動(dòng)的控制方式，客戶端可以主動(dòng)請(qǐng)求服務(wù)器或老人跌 倒檢測(cè)器發(fā)送定位信息，也可以在緊急情況下被動(dòng)接收老人跌倒檢測(cè)器發(fā)送的緊急定位信 息，克服了單向通信的弊端。
[0046] 第三，由于本發(fā)明采用短信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)兩種通信方式，在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)暢通的情況下 通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，同時(shí)保證了在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不佳的情況下通過短信 完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，克服了單一環(huán)境中不能獲得定位信息的缺點(diǎn)，穩(wěn)定性強(qiáng)。
[0047] 第四，本發(fā)明中跌倒檢測(cè)分為兩個(gè)階段，即在第一階段使用簡(jiǎn)單的基于規(guī)則的方 法將明顯不是跌倒的動(dòng)作過濾掉，從而僅對(duì)疑似跌倒的動(dòng)作應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識(shí)別和檢 測(cè)，不僅能避免對(duì)老人跌倒檢測(cè)器對(duì)所采集到的所有時(shí)間序列進(jìn)行識(shí)別，減小耗電，而且避 免了檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行頻率過高而導(dǎo)致老人真實(shí)摔倒時(shí)CPU無(wú)響應(yīng)的問題。
[0048] 第五，對(duì)于時(shí)間序列的截取過程，本發(fā)明棄用傳統(tǒng)的連續(xù)截取或者重疊截取的方 法，將滑動(dòng)窗口中心與合加速度超過閾值的觀察點(diǎn)峰值對(duì)齊，保證了所有相同的動(dòng)作模式 具有$父尚的相似性，提尚了檢測(cè)準(zhǔn)確率。
[0049] 第六，本發(fā)明考慮到了老人跌倒檢測(cè)器在老人身上可能放置的不同姿態(tài)，對(duì)同一 動(dòng)作在不同的放置姿態(tài)下進(jìn)行了多次訓(xùn)練，無(wú)需老人將老人跌倒檢測(cè)器嚴(yán)格按照指定的方 向放置。
[0050] 第七，本發(fā)明考慮了支持向量機(jī)、樸素貝葉斯和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等各種方法，發(fā)現(xiàn)BP神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以增加較少的運(yùn)行時(shí)間為代價(jià)，獲得了很大的準(zhǔn)確率提升，通過對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的 優(yōu)化，同時(shí)保證了運(yùn)行效率和檢測(cè)準(zhǔn)確率。
【附圖說明】
[0051] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；
[0052] 圖2為本發(fā)明中的老人跌倒檢測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖；
[0053]圖3為本發(fā)明中的電路板結(jié)構(gòu)圖；
[0054] 圖4為本發(fā)明中的客戶端框圖；
[0055] 圖5為本發(fā)明進(jìn)行跌倒檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0056]具體實(shí)施方法
[0057]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
[0058]參照?qǐng)D1，本發(fā)明老人跌倒智能檢測(cè)與定位的主被動(dòng)告警系統(tǒng)，包括老人跌倒檢測(cè) 器1、云服務(wù)器2和客戶端3，其中：
[0059] 老人跌倒檢測(cè)器1，用于進(jìn)行定位和跌倒檢測(cè)，獲取老人的位置信息和安全信息， 并將包含位置信息和安全信息的狀態(tài)數(shù)據(jù)間歇性發(fā)送給云服務(wù)器2或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送給客戶端 3。云服務(wù)器2,用于接收多個(gè)老人跌倒檢測(cè)器1的狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并依據(jù)客戶端3 的控制命令發(fā)送給相應(yīng)的客戶端3?？蛻舳?,用于向云服務(wù)器2或老人跌倒檢測(cè)器1發(fā)送控 制命令，并接收和處理反饋的狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行用戶管理?？蛻舳?通過向老人跌倒檢測(cè)器1和 云服務(wù)器2發(fā)送控制命令并接收老人的狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)告警。老人跌倒檢測(cè)器1、云服 務(wù)器2客戶端3間均為無(wú)線連接。
[0060] 所述主被動(dòng)告警分為客戶端3的主動(dòng)請(qǐng)求和被動(dòng)接收，該主動(dòng)請(qǐng)求分為兩種情況： 一是客戶端3在網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)下使用"定位"按鈕向云服務(wù)器2發(fā)送控制命令;二是在網(wǎng)絡(luò)未 連接狀態(tài)下向老人跌倒檢測(cè)器1發(fā)送控制命令，并接收老人的狀態(tài)數(shù)據(jù)。該被動(dòng)接收為客戶 端3被動(dòng)接收老人跌倒檢測(cè)器1發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行消息推送，其包括兩種推送方式:第 一種方式是老人通過老人跌倒檢測(cè)器1按鍵請(qǐng)求幫助;第二種方式是老人跌倒檢測(cè)器1對(duì)老 人進(jìn)行跌倒智能檢測(cè)并求救。
[0061] 參照?qǐng)D2和圖3,所述老人跌倒檢測(cè)器1，包括外殼11、裸露在外部的天線12、按鍵13 和電路板14;其中：
[0062] 外殼 11 的尺寸為100_X 100_X 50mm;
[0063] 電路板14上固定有:GPS定位模塊141、三軸加速度計(jì)模塊142、控制模塊143和告警 通信模塊144?？刂颇K143分別與GPS定位模塊141、三軸加速度計(jì)模塊142和告警通信模塊 144電連接。其中控制模塊143控制GPS定位模塊141獲取老人當(dāng)前的位置信息，控制三軸加 速度計(jì)模塊142獲取老人當(dāng)前的加速度信息和姿態(tài)角信息?？刂颇K143對(duì)獲得的信息進(jìn)行 處理，利用處理后的信息進(jìn)行跌倒檢測(cè)，得到老人的。狀態(tài)數(shù)據(jù)，即位置信息和安全信息，并 控制告警通信模塊144發(fā)送該狀態(tài)數(shù)據(jù)。
[0064] 所述控制模塊143包括:跌倒監(jiān)聽子模塊1431、跌倒序列截取子模塊1432、特征提 取子模塊1433和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)子模塊1434。
[0065]所述告警通信模塊144包括:數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)子模塊1441和短信子模塊1442。其中數(shù)據(jù)網(wǎng) 絡(luò)子模塊1441用于通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)方式發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，短信子模塊1442用于通過短信方式發(fā) 送狀態(tài)數(shù)據(jù)。
[0066]所述天線12與GPS定位模塊141電連接，按鍵13與控制器模塊143電連接，當(dāng)老人按 下按鍵時(shí)，控制器模塊143控制告警通信模塊144將老人當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)立刻發(fā)送給客戶端 3〇
[0067]參照?qǐng)D4,所述客戶端3,包含用戶管理模塊31、智能通信模塊32和顯示模塊33,其 中：
[0068]所述用戶管理模塊31，包括注冊(cè)和登陸子模塊311、賬號(hào)設(shè)置子模塊312和密碼找 回子模塊313。該注冊(cè)和登錄子模塊311，用于注冊(cè)包括用戶名、密碼、昵稱、性別、終端號(hào)、老 人跌倒檢測(cè)器號(hào)碼、安全問題一、答案一、安全問題二和答案二的用戶信息，并使用用戶名 和密碼登錄;該賬號(hào)設(shè)置子模塊312,用于設(shè)置昵稱、性別、老人跌倒檢測(cè)器號(hào)碼和通信方式 的用戶信息；該密碼找回子模塊313,用于當(dāng)忘記密碼時(shí)，通過用戶名和終端號(hào)與安全問題 和答案相匹配的方式，重新設(shè)置密碼。
[0069] 所述智能通信模塊32,包括數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)子模塊321和短信子模塊322。該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)子 模塊321用于通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的方式向云服務(wù)器2發(fā)送控制命令，并將得到的反饋信息傳輸給 顯示模塊33,所述控制命令包括用戶管理命令和請(qǐng)求命令，用戶管理命令包括賬號(hào)注冊(cè)、登 陸、賬號(hào)設(shè)置和密碼找回，請(qǐng)求命令包括請(qǐng)求定位、軌跡查詢，路線規(guī)劃與導(dǎo)航;該短信子模 塊322用于通過短信的方式向老人跌倒檢測(cè)器1發(fā)送定位請(qǐng)求命令獲得老人當(dāng)前的狀態(tài)數(shù) 據(jù)并傳輸給顯示模塊33。
[0070] 所述顯示模塊33包含地圖顯示模塊331和位置顯示模塊332。該地圖顯示模塊331 支持在線地圖和離線地圖顯示，同時(shí)支持離線地圖的下載和管理;該位置顯示模塊332利用 云服務(wù)器或老人跌倒檢測(cè)器反饋回的位置信息將老人和客戶端的位置顯示在地圖上，通過 按下按鈕，將老人的位置以藍(lán)色圓點(diǎn)顯示于屏幕中心。
[0071 ]參照?qǐng)D5，本發(fā)明的跌倒檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法，包括如下步驟：
[0072]步驟1，系統(tǒng)初始化與數(shù)據(jù)采集。
[0073] (Ia)設(shè)定三軸加速度計(jì)的采樣頻率為80Hz
[0074]對(duì)于所采集的動(dòng)作的時(shí)間序列，如果其長(zhǎng)度過短會(huì)丟失關(guān)鍵信息而降低檢測(cè)準(zhǔn)確 率，而長(zhǎng)度過長(zhǎng)則會(huì)給CPU計(jì)算帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)，也會(huì)造成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過擬合而降低跌倒檢測(cè) 的準(zhǔn)確率，經(jīng)過測(cè)試，在80Hz的采樣頻率下采集到的時(shí)間序列能同時(shí)保證運(yùn)算速度和檢測(cè) 準(zhǔn)確率；
[0075] (Ib)設(shè)定25m/s2的合加速度為跌倒閾值
[0076]人體跌倒過程中會(huì)產(chǎn)生大于25m/s2的合加速度，如果三軸加速度計(jì)采集到了合加 速度大于25m/s2的觀察點(diǎn)，則當(dāng)前動(dòng)作有可能為跌倒，需要精確檢測(cè)。如果未采集到合加速 度大于指定閾值的觀察點(diǎn)，則當(dāng)前動(dòng)作不可能為跌倒；
[0077] (Ic)定義長(zhǎng)度為600的隊(duì)列作為緩沖區(qū)用來臨時(shí)存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)
[0078]由于對(duì)老人跌倒進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要利用從動(dòng)作開始到動(dòng)作結(jié)束這一段時(shí)間內(nèi)完整 的時(shí)間序列，故定義隊(duì)列緩沖區(qū)Q如下：
[0079] Q= I ω⑴ ω⑵…ω⑴…ω(600)
[0080] 其中《(i)為當(dāng)前隊(duì)列緩沖區(qū)中第i個(gè)觀察點(diǎn)，ie[l，600]
[0081] |α|(0 θ%,
[0082] 其中
[0083] ^為第i個(gè)觀察點(diǎn)沿χ軸方向的加速度；
[0084] 為第i個(gè)觀察點(diǎn)沿y軸方向的加速度；
[0085] af1為第i個(gè)觀察點(diǎn)沿z軸方向的加速度；
[0086] |a I(i)為第i個(gè)觀察點(diǎn)的合加速度；
[0087] ,為第i個(gè)觀察點(diǎn)沿X軸方向俯仰角，范圍為[0°，180° ];
[0088] 6?為第i個(gè)觀察點(diǎn)沿z軸方向的滾轉(zhuǎn)角，范圍為[-90°，90° ];
[0089]倉(cāng)I健隊(duì)列緩沖區(qū)時(shí)，對(duì)于所有的i e [ 1，600 ]，將ω⑴初始化為〇，此后每當(dāng)采集到 一個(gè)新的觀察點(diǎn)時(shí)，將其放置在隊(duì)列緩沖區(qū)尾部，并移除隊(duì)列緩沖區(qū)首部的觀察點(diǎn)；
[0090] (Id)將老人跌倒檢測(cè)器放置在老人腰間，開始數(shù)據(jù)的采集;在其子女的手機(jī)上安 裝客戶端，并進(jìn)行注冊(cè)和登錄。
[0091 ]步驟2,監(jiān)聽高于跌倒閾值的合加速度峰值。
[0092] 老人跌倒檢測(cè)器中的CPU保持監(jiān)聽緩沖區(qū)中的觀察點(diǎn)，當(dāng)監(jiān)聽到大于25m/s2的合 加速度峰值時(shí)，則當(dāng)前動(dòng)作可能為跌倒，進(jìn)行步驟3，否則CPU繼續(xù)保持監(jiān)聽。
[0093] 步驟3，連續(xù)檢測(cè)低于跌倒閾值的合加速度值。
[0094] 對(duì)于跌倒的檢測(cè)需要在動(dòng)作完成之后進(jìn)行，而在采集到合加速度大于25m/s2的觀 察點(diǎn)峰值的時(shí)刻，老人當(dāng)前疑似跌倒的動(dòng)作還在進(jìn)行中，由于人體跌倒通常在1.25秒的時(shí) 間內(nèi)完成，因此在80Hz的采樣頻率下，通常連續(xù)有101個(gè)合加速度不超過25m/s 2觀察點(diǎn)就意 味著當(dāng)前疑似跌倒動(dòng)作已經(jīng)完成，為此，本步驟的實(shí)現(xiàn)如下：
[0095] 3a)判斷監(jiān)聽到的峰值后是否存在連續(xù)101個(gè)合加速度均不超過25m/s2的觀察點(diǎn)：
[0096]如果存在，則認(rèn)為當(dāng)前三軸加速度和姿態(tài)角變化已經(jīng)處于穩(wěn)定，即老人當(dāng)前疑似 跌倒的動(dòng)作已完成，需要使用滑動(dòng)窗口來找出疑似跌倒的時(shí)間序列，執(zhí)行步驟4;如果不存 在，貝1J認(rèn)為當(dāng)前疑似跌倒動(dòng)作的加速度和姿態(tài)角未穩(wěn)定，執(zhí)行步驟3b);
[0097] 3b)在此連續(xù)101個(gè)觀察點(diǎn)之中找到最后一個(gè)合加速度超過25m/s2的觀察點(diǎn)峰值， 并從該峰值觀察點(diǎn)開始重新執(zhí)行步驟3a)。
[0098] 步驟4,將滑動(dòng)窗口中心對(duì)準(zhǔn)最后一個(gè)合加速度超過閾值的峰值。
[0099]由于人體跌倒通常在1.25秒的時(shí)間內(nèi)完成，因此在80Hz的采樣頻率下，長(zhǎng)度為101 的時(shí)間序列可以覆蓋完整的跌倒動(dòng)作，所以選擇長(zhǎng)度為101的滑動(dòng)窗口；
[0100] 尋找當(dāng)前緩沖區(qū)中最后一個(gè)合加速度超過25m/s2閾值的峰值，并該峰值觀察點(diǎn)位 于當(dāng)前疑似跌倒動(dòng)作的時(shí)間序列內(nèi)，將長(zhǎng)度為101的滑動(dòng)窗口的中心與該峰值對(duì)齊。
[0101] 步驟5，截取滑動(dòng)窗口內(nèi)的時(shí)間序列。
[0102] 截取此時(shí)滑動(dòng)窗口所包含的所有觀察點(diǎn)，每個(gè)觀察點(diǎn)包含6個(gè)標(biāo)量，構(gòu)成6 X 101的 矩陣。
[0103] 步驟6,提取特征、構(gòu)造平衡數(shù)據(jù)集與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷。
[0104] 3a)提取特征并構(gòu)造平衡數(shù)據(jù)集
[0105] 3al)將上述6X101的矩陣按列展開為606X1的向量X，該向量X為提取的特征，即：
[0106] X= [xi Χ2 Χ3···Χ101*(?-1)+ρ···Χ606]Τ
[0107] 其中，Χ1()1*(ρυ+Ρ為第P個(gè)觀察點(diǎn)的第i個(gè)屬性，i的范圍為[1，6]，ρ的范圍為[1， 101]，且i，p均為自然數(shù)，例如χιοι*(2-υ+2為ω (2)中的第2個(gè)屬性ay;
[0108] 3a2)構(gòu)造平衡數(shù)據(jù)集；
[0109] 依據(jù)3al)中所述的特征提取方法，分別對(duì)跌倒動(dòng)作和疑似跌倒動(dòng)作樣本進(jìn)行特征 提取，得到各動(dòng)作樣本的特征矩陣，其中跌倒動(dòng)作包括前摔、后摔、左摔和右摔;疑似跌倒動(dòng) 作包括快速行走、奔跑、上樓、下樓、坐下、蹲下、跳躍和搖晃；
[0110] 對(duì)跌倒和疑似跌倒兩種情況，取近似相等數(shù)量的特征矩陣，將得到的動(dòng)作樣本的 特征矩陣進(jìn)行合并，得到平衡數(shù)據(jù)集；
[0111] 3b)根據(jù)特征向量X判斷老人是否處于跌倒?fàn)顟B(tài)：
[0112] 3bl)使用老人跌倒的動(dòng)作特征樣本對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到預(yù)先設(shè)定的判斷 模型，將該判斷模型中的兩層系數(shù)矩陣Θ (1)和Θ (2)，作為判斷老人是否處于跌倒?fàn)顟B(tài)的系 數(shù)；
[0113] 3b2)用3a)提取的特征X作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入特征向量，該輸入特征向量先左乘 系數(shù)矩陣Θ (1)，再左乘系數(shù)矩陣Θ(2)，得到的結(jié)果范圍為[0，1]，如果該結(jié)果大于0.5,則判 斷結(jié)果為跌倒，需要向客戶端告警，執(zhí)行步驟7;否則為沒有跌倒，需要將狀態(tài)數(shù)據(jù)間歇性發(fā) 送至云服務(wù)器，云服務(wù)器接收狀態(tài)數(shù)據(jù)并保存狀態(tài)數(shù)據(jù)，返回步驟2;如果老人跌倒檢測(cè)器1 的求救按鍵被按下時(shí)，需要向客戶端告警，執(zhí)行步驟7。
[0114] 步驟7,向客戶端告警。
[0115] 老人跌倒檢測(cè)器自動(dòng)向客戶端發(fā)送告警的狀態(tài)數(shù)據(jù)，無(wú)需老人的任何操作，即所 述主被動(dòng)告警中被動(dòng)接收的第二種方式，客戶端接收狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將老人當(dāng)前的位置顯示 在地圖上。
[0116]步驟8，客戶端主動(dòng)請(qǐng)求并獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)。
[0117] 8a)設(shè)置主被動(dòng)告警中主動(dòng)請(qǐng)求的兩種方式；
[0118] 鑒于網(wǎng)絡(luò)通信資費(fèi)低，但是信號(hào)覆蓋范圍有限的，所以在網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)時(shí)，按下客 戶端3的"定位"按鈕向云服務(wù)器2發(fā)送控制命令；
[0119] 基于短信通信信號(hào)覆蓋范圍廣，但是資費(fèi)高，故在網(wǎng)絡(luò)未連接狀態(tài)時(shí)，向老人跌倒 檢測(cè)器發(fā)送控制命令；
[0120] 8b)云服務(wù)器2或老人跌倒檢測(cè)器接收控制命令，將狀態(tài)數(shù)據(jù)返回給客戶端，客戶 端接收返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將老人當(dāng)前的位置顯示在地圖上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種老人跌倒智能檢測(cè)與定位的主被動(dòng)告警系統(tǒng)，包括： 老人跌倒檢測(cè)器（1)，用于檢測(cè)老人跌倒并將跌倒檢測(cè)結(jié)果與老人當(dāng)前位置信息兩項(xiàng) 狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務(wù)器(2)或客戶端(3); 云服務(wù)器(2)，用于接收和存儲(chǔ)老人跌倒檢測(cè)器（1)發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)客戶端(3) 發(fā)送的控制命令將狀態(tài)數(shù)據(jù)返回給客戶端(3); 客戶端(3)，用于處理并顯示云服務(wù)器(2)和老人跌倒檢測(cè)器（1)發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)； 其特征在于， 所述老人跌倒檢測(cè)器（1)，包括GPS定位模塊（11)、三軸加速度計(jì)模塊（12)、控制模塊 (13)、告警通信模塊(14)， 該控制模塊(13)，包括： 跌倒監(jiān)聽子模塊（131)，用于對(duì)老人的活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)聽并對(duì)老人所做出的疑似跌倒的動(dòng) 作做出響應(yīng)，并將響應(yīng)信息傳遞給跌倒序列截取子模塊(132); 跌倒序列截取子模塊（132)，用于對(duì)跌倒監(jiān)聽子模塊(131)監(jiān)聽到的疑似跌倒的動(dòng)作所 對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列進(jìn)行截取，并將截取出的時(shí)間序列傳遞給特征提取子模塊(133); 特征提取子模塊（133)，用于從跌倒序列截取子模塊(132)截取出的時(shí)間序列中提取加 速度和姿態(tài)角特征，并將提取的特征傳遞給BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)子模塊(134); BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)子模塊（134)，用于讀取特征提取子模塊（133)提取的特征，進(jìn)行跌倒檢測(cè) 的計(jì)算并輸出跌倒檢測(cè)的結(jié)果，將結(jié)果傳遞給告警通信模塊(14); 該告警通信模塊(14)，包括： 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)子模塊（141 )，用于與云服務(wù)器(2)進(jìn)行間歇性通信； 短信子模塊(142)，用于與客戶端(3)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信； 所述客戶端(3)，包括： 用戶管理模塊(31)，用于進(jìn)行用戶信息數(shù)據(jù)的設(shè)置和修改，并將包含用戶信息數(shù)據(jù)的 控制命令傳遞給智能通信模塊(32); 智能通信模塊(32)，用于自動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，在連接或未連接數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)分別向 云服務(wù)器(2)或老人跌倒檢測(cè)器(1)發(fā)送控制命令，接收返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)并傳遞給顯示模塊 (33); 顯示模塊(33)，用于處理并顯示從智能通信模塊(32)接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，控制器模塊(13)分別與GPS定位模塊（11)、 三軸加速度計(jì)模塊（12)和告警通信模塊（14)電連接，這四個(gè)模塊固定在一個(gè)包裝盒中，該 包裝盒的外面固定設(shè)有GPS天線（15)和按鍵（16)，天線（15)與GPS定位模塊（11)電連接，按 鍵（16)與控制器模塊（13)電連接，當(dāng)老人按下按鍵時(shí)，控制器模塊（14)控制短信子模塊 (142)將老人當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)立刻發(fā)送給客戶端(3)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，用戶管理模塊(31)包括： 注冊(cè)和登錄子模塊(311)，用于輸入包含用戶名、密碼、昵稱、性別、智能終端號(hào)碼、安全 問題及答案的用戶信息，并將上述信息發(fā)送給智能通信模塊(32); 賬號(hào)設(shè)置子模塊（312)，用于修改上述用戶信息，并將修改結(jié)果發(fā)送給智能通信模塊 (32); 密碼找回子模塊(313)，用于在用戶忘記密碼時(shí)進(jìn)行密碼找回，將安全問題及答案發(fā)送 給智能通信模塊(32)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，智能通信模塊(32)包括： 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)子模塊(321)，用于在連接數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)向云服務(wù)器(2)發(fā)送控制命令，并接收 老人的當(dāng)前位置信息或歷史移動(dòng)軌跡； 短信子模塊(322)，用于在未連接數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)向老人跌倒檢測(cè)器（1)發(fā)送控制命令，接 收老人位置信息進(jìn)行消息推送。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，顯示模塊(33)包括： 地圖顯示子模塊(331)，用于在客戶端界面顯示地圖，其中包括在線地圖和離線地圖； 位置顯示子模塊(332)，用于在客戶端界面的中心顯示老人跌倒檢測(cè)器（1)的位置或客 戶端(3)的位置。6. 基于權(quán)利要求1系統(tǒng)的老人跌倒智能檢測(cè)與定位的主被動(dòng)告警方法，包括如下步驟： 1) 將老人跌倒檢測(cè)器（1)放置在老人腰間，在其子女的手機(jī)上安裝客戶端（3)，并進(jìn)行 注冊(cè)和登錄； 2) 通過老人跌倒檢測(cè)器（1)中的GPS獲得老人的位置信息，并通過其中的三軸加速度計(jì) 獲得老人當(dāng)前的加速度和姿態(tài)角ig息； 3) 對(duì)老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)： 3a)控制監(jiān)聽三軸加速度計(jì)的變化，采集老人活動(dòng)過程中的時(shí)間序列樣本； 3b)當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似跌倒的時(shí)間序列樣本時(shí)，利用定長(zhǎng)滑動(dòng)窗口將該段序列的關(guān)鍵部分截 取，并利用截取出的時(shí)間序列提取老人當(dāng)前的加速度和姿態(tài)角特征，構(gòu)造平衡數(shù)據(jù)集； 3c)使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)構(gòu)造的平衡數(shù)據(jù)集進(jìn)行交叉檢驗(yàn)，調(diào)整BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間層節(jié)點(diǎn) 個(gè)數(shù)、正則化系數(shù)以及節(jié)點(diǎn)sigmoid激活函數(shù)門限閾值，使得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得最優(yōu)性能，完 成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練； 3d)當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似跌倒的時(shí)間序列時(shí)，截取該段序列的關(guān)鍵部分，提取老人當(dāng)前的加速度 和姿態(tài)角特征，并輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行判定，如果輸出結(jié)果為1，則檢測(cè)結(jié)果為跌倒，否 則為非跌倒； 4) 發(fā)送跌倒檢測(cè)結(jié)果： 當(dāng)?shù)箼z測(cè)結(jié)果為非跌倒時(shí)，老人跌倒檢測(cè)器將狀態(tài)數(shù)據(jù)間歇性發(fā)送至云服務(wù)器； 當(dāng)?shù)箼z測(cè)結(jié)果為跌倒或求救按鍵被按下時(shí)，老人跌倒檢測(cè)器將狀態(tài)數(shù)據(jù)立即發(fā)送至 客戶端，客戶端進(jìn)行接收并顯示； 5) 客戶端主動(dòng)請(qǐng)求并獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)： 5a)在網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)下，按下客戶端的"定位"按鈕向云服務(wù)器發(fā)送控制命令;在網(wǎng)絡(luò)未 連接狀態(tài)下，向老人跌倒檢測(cè)器發(fā)送控制命令； 5b)云服務(wù)器或老人跌倒檢測(cè)器接收控制命令，將狀態(tài)數(shù)據(jù)返回給客戶端； 5c)客戶端接收返回的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理和顯示。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中步驟3b)中的關(guān)鍵序列截取，是忽略不滿足跌倒合 加速度閾值的樣本，只對(duì)疑似跌倒動(dòng)作的樣本進(jìn)行截取、特征提取，其實(shí)現(xiàn)步驟如下： (7a)設(shè)定合加速度閾值為25m/s2,當(dāng)檢測(cè)到樣本中合加速度超過25m/s2的觀察點(diǎn)時(shí)，開 始等待第一個(gè)合加速度小于25m/s2的觀察點(diǎn)； (7b)監(jiān)測(cè)到第一個(gè)合加速度小于25m/s2的觀察點(diǎn)時(shí)，判斷后續(xù)連續(xù)的合加速度:如果后 續(xù)連續(xù)100個(gè)觀察點(diǎn)的合加速度都不超過25m/s2,則該樣本判定為疑似跌倒樣本，執(zhí)行步驟 (7c);否則返回步驟(7a); (7c)將滑動(dòng)窗口自后向前滑動(dòng)，直至滑動(dòng)窗口中心對(duì)準(zhǔn)最后出現(xiàn)且合加速度大于25m/ s2的峰值，將滑動(dòng)窗口內(nèi)的時(shí)間序列截取出來。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中步驟3b)中的特征提取，是將與長(zhǎng)度為101的定長(zhǎng)滑 動(dòng)窗口等長(zhǎng)的X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度、合加速度、pitch姿態(tài)角以及roll姿態(tài)角 的時(shí)間序列首尾相接，構(gòu)造606 X 1的向量，得到606維的特征。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中步驟3b)中的平衡數(shù)據(jù)集，是指對(duì)包括前摔、后摔、 左摔和右摔的跌倒動(dòng)作樣本提取特征，以及對(duì)快速行走、奔跑、上樓、下樓、坐下、蹲下、跳躍 和搖晃的疑似跌倒動(dòng)作樣本提取特征，其中跌倒與疑似跌倒的樣本數(shù)量近似相等。
【文檔編號(hào)】G08B21/04GK106056849SQ201610561374
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月15日
【發(fā)明人】樓順天, 張偉濤, 程先宬, 賀彥喆, 戴威, 趙鑫瑋, 南京宏, 徐澤清
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)