一种应用于养老院的老人异常追踪系统的制作方法

本发明涉及通信技术、视频动作识别技术和计算机技术领域，尤其涉及一种应用于养老院的老人异常追踪系统。

背景技术：

随着我国逐渐进入老年社会，养老成为中国热议话题。养老院作为最主要的养老形式之一，必将承担着更大的社会责任。目前，养老院规模不断扩大,传统养老院管理模式很难监管到每一个区域以及每一位老人的状况，而老人异常(跌倒、发病等)，如果不及时发现并提供相应的救助，将会造成严重的后果，甚至危及生命安全。因此，现有养老服务存在潜在的管理危险和安全隐患，如何提高养老院管理效率以及提供更优质的养老服务，成为当前研究的热点。

为了提高管理效率，当前养老院设施日趋完善，比如采用室内定位系统、视频监控系统、智能手环等技术，然而，现有技术仅将上述技术简单应用于养老院场景，各个系统各自为战，没有形成协同效益，不能很好地满足实际中养老院的应用需求。具体来说，养老院区域空间里有较多障碍物，容易在信号传输过程中产生多径效应影响定位精度，以及多个老人聚集时会对识别精度造成一定影响，传统的定位方式无法满足实际需求；同时，一个养老院老人数量在几十到几百不等数据传输和处理量都非常大，现有设施对老人异常状况响应速度较慢；另一方面，现有技术用于定位的智能手环通常仅设置三轴姿态传感器作为老人异常状况的识别，然而，该方式误报率较高，反而增加了管理人员的工作压力。

故，针对现有技术存在的技术问题，实有必要提出一种技术方案以克服现有技术的缺陷。

技术实现要素：

针对当前养老院管理不够便捷的技术问题，本发明提出应用于养老院的老人异常追踪系统，从而能够优化管理方式，提高管理效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体如下：

一种应用于养老院的老人异常追踪系统，至少包括三维定位子系统、手环子系统和中心服务器，其中，

所述手环子系统用于实现老人异常状况和位置监控，其包括每个老人随身携带或佩戴的智能手环和移动终端，所述移动终端以无线的方式接入中心服务器；所述智能手环至少包括手环主控模块、UWB标签、加速度传感器和生物电阻抗性传感器，所述UWB标签具有唯一标识；所述加速度传感器用于采集老人移动加速度信息，所述生物电阻抗性传感器用于采集老人的皮肤电信息；所述智能手环与移动终端之间以无线的方式进行数据传输，进而将其采集的传感器信息发送到中心服务器；

养老院每个区域空间均设置三维定位子系统，所述三维定位子系统至少包括四个基站，其中一个为主基站，其余为辅助基站；所述基站位置固定设置并覆盖整个空间，其中，至少三个基站处在同一水平面，且至少一个基站设置在该平面以外并靠近天花板区域；所述基站至少包括基站主控模块和UWB测距模块，所述UWB测距模块用于测定端对端的距离；

任三个基站组成一个测距单元，用于测量基站之间的距离以及UWB标签与各个基站之间的距离并通过三边测量算法获取UWB标签的初步位置信息，通过多个测距单元获取的多个初步位置信息通过计算获得UWB标签位置信息；所述UWB标签的位置信息至少包括平面位置信息和高度信息；

所述主基站与中心服务器相连接，用于将UWB标签的位置信息发送给所述中心服务器；

所述中心服务器用于对所获取的智能手环的传感器信息和UWB标签的位置信息进行实时处理以此判断老人是否出现异常状况。

在上述技术方案中，通过UWB三维定位实现UWB标签定位，不仅提高了定位精度，同时通过获取标签所处的空间高度并以此作为异常判断的重要参数之一，有效降低了异常的误报警率。

同时，采用生物电阻抗性传感器作为异常判断的重要参数之一，提高了异常检测的精度。

进一步的，本发明架构通过独立的两个数据通道分别实现定位信息和传感信息的传输，从而能够有效缓解数据传输压力。

另外，本发明通过移动终端实现智能手环与中心服务器的数据传输，从而能够有效降低智能手环的功耗，使其具有更长的待机时间。

作为优选的技术方案，还包括网络通信模块，所述主基站通过网络通信模块接入所述中心服务器。

作为优选的技术方案，所述移动终端为智能手机，所述智能手环与移动终端之间以蓝牙的方式进行数据传输。

作为优选的技术方案，所述移动终端中设置APP程序，用于实时记录其对应智能手环的传感器信息以便老人随时查阅了解身理状况。

作为优选的技术方案，所基站的位置为离墙0.5-1米且离地2-3米。

作为优选的技术方案，所述智能手环还包括光学心率传感器，所述光学心率传感器用于采集老人的心率信号。

作为优选的技术方案，所述智能手环还包括反馈按钮，所述反馈按钮则用于在老人异常状况发生时向中心服务器发出报警信息或者当所提示的报警通知有误时向中心服务器发出反馈信息。

通过反馈按钮的设置，能够进一步提高异常状况的响应速度以及避免异常误报警时人力资源的浪费。

作为优选的技术方案，所述生物电阻抗性传感器利用LM4041和LMP2231元件测得皮肤电阻变化从而获得皮肤电信息。

作为优选的技术方案，还包括监控移动终端，所述监控移动终端远程接入中心服务器并实时获取相应老人的数据信息以便家属随时了解老人在养老院的情况。

作为优选的技术方案，所述三维定位子系统还包括摄像头，所述摄像头用于记录该区域的监控视频信息，并当异常情况发生时，所述摄像头转向并记录异常位置的场景以便管理人员及时了解异常情况，并及时对异常情况进行处理。

本发明有益效果如下：

采用本发明的技术方案，能够将UWB定位数据，手环健康数据和摄像头监控数据传输到中心服务器，并实时更新。管理人员可以通过终端的管理软件对老人所携带的标签进行查询，实时了解老人坐标信息，并且可以调用摄像头监控数据对老人的活动信息进行了解。当老人发生异常时，管理软件及时发出警报提醒管理人员及时做好应急措施。节省了传统养老院管理方法所需的人力和时间成本，提高了老人的安全系数，优化了养老院的管理服务水平和员工工作效率，同时也能为老人提供一个安全祥和的生活环境以及更人性化的养老环境。

附图说明

图1为本发明的系统架构框图。

图2为本发明中三维定位子系统结构示意图。

图3为本发明中手环子系统结构示意图。

图4为本发明中基站结构示意图。

图5为本发明中智能手环结构示意图。

图6为本发明另一种实施方式的系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

在养老院的应用环境中，老人在移动或静坐时会因为周围的人或物造成遮挡现象，对视频识别的精度产生影响。当多个老人聚集时会对识别精度造成一定影响。同时，管理人员却不可能顾及到每个角落的每位老人，因此带来了潜在的管理危险和安全隐患。

为此，本发明架构一种应用于养老院的老人异常追踪系统，建立一套室内定位系统和摄像头监控系统，用于老人异常(跌倒、发病等)信息数据搜集和分析，能够应用于养老院或者其他类似的环境。以下首先介绍下，本发明中所采用的一些现有技术。

首先，技术的发展使得社会各界对高精度的无线定位需求逐渐增加。室内定位技术与室外定位技术相比有一些相似性，但室内环境复杂，定位环境恶劣，室内空间一般较小，且存在着严重的多径效应和反射现象，这就要求相应的室内定位算法对各种误差的鲁棒性要强。超宽带技术(Ultra Wide Band，UWB)是一种具有很大发展前景的新型无线电通信技术，其已经被认为是未来通信的十大技术之一。超宽带具有极大的带宽，能实现短距离高速率的数据传输。它不仅具有较高的时间分辨率，且具有较强的抗多径衰落能力，在高精度的测距和定位中受到很大的关注。

而另一方面，视频监控现今已被广泛应用于机场、银行、火车站等对安全要求敏感的场合，但其作用却极其有限，因为它们通常是将摄像机的输出结果记录下来，当异常情况(如停车场中的车辆被盗)发生后，保安人员才通过记录的结果观察发生的事实，但往往为时已晚。而智能监控系统则能够对摄像机捕捉的视频数据进行自动分析，当有异常动作发生时，系统能够及时地察觉并向安保人员发出警报，从而避免犯罪的发生，同时也能节省大量的人力、物力和财力。可以说基于视频的人体动作识别是计算机视觉领域的一个热点问题。可以看到该技术在养老院中应用可以大幅度提升老人的安全性。

随着无线网络技术的发展，其在越来越多的方面为人们提供便利。蓝牙技术是目前一项十分先进的无线网络技术,它以低成本、短距离的无线链接为基础,能取代电缆将一定范围的计算机和通信设备连接起来,实现不同设备之间的快速互联，主要适用于数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。目前的蓝牙技术已经不仅仅只适用于WPAN，而是集IEEE 802.15.1传统蓝牙，IEEE 802.11物理层和MAC层以及Wibree标准的“三合一”的蓝牙。

现有技术中，养老院的基础设施也有采用上述技术，但通常仅是简单的集合，各个系统还是独立运行，并没有形成协同效益，因此，其运行效率、响应时间以及检测精度均需要进一步提高。

参见图1，所示为本发明一种应用于养老院的老人异常追踪系统的系统架构框图，至少包括三维定位子系统、手环子系统和中心服务器，用这些三维定位子系统部署养老院各个区域，手环子系统由老人携带，对老人自身身体健康数据进行采集，然后通过无线通信模块传输到中心服务器。中心服务器上运行上位机软件和客户终端软件，上位机用于接收手环、基站、摄像头发送的数据，并且对基站实时数据进行解析与变换处理获得三维空间坐标数据，存入本地数据库中。客户终端可以运用管理软件对数据库中数据进行实时提取，在软件上可以观看监控视频和显示老人位置信息。并且可以实时查看老人健康信息，若是发生异常事件，管理软件立刻发出警报。

手环子系统用于实现老人异常状况和位置监控，参见图3，所示为手环子系统的结构框图，包括每个老人随身携带或佩戴的智能手环和移动终端，智能手环用于实时采集老人健康信息，所述移动终端以无线的方式接入中心服务器；移动终端中集成无线通信模块，用于以WIFI或者4G的方式接入中心服务器；

在一种优选的实施方式中，移动终端为智能手机，智能手环与移动终端均设置蓝牙通信模块，以蓝牙的方式进行数据传输。

在一种优选的实施方式中，所述移动终端中设置APP程序，在数据中添加老人编号，用于实时记录其对应智能手环的传感器信息以便老人随时查阅了解身理状况，同时通过无线通信模块将数据传输到中心服务器。

参见图5，所示为本发明中智能手环的结构框图，至少包括手环主控模块、UWB标签、加速度传感器和生物电阻抗性传感器，所述UWB标签具有唯一标识；所述加速度传感器用于采集老人移动加速度信息，所述生物电阻抗性传感器用于采集老人的皮肤电信息；所述智能手环与移动终端之间以无线的方式进行数据传输，进而将其采集的传感器信息发送到中心服务器。

在一种优选的实施方式中，所述智能手环还包括光学心率传感器，所述光学心率传感器用于采集老人的心率信号。

在一种优选的实施方式中，所述智能手环还包括反馈按钮，所述反馈按钮则用于在老人异常状况发生时向中心服务器发出报警信息或者当所提示的报警通知有误时向中心服务器发出反馈信息。若老人休克、跌倒或发病严重无法行动等情况无法点击按钮，则通过皮肤电信息和移动加速度信息等信息判断是否出现异常状况。

通过反馈按钮的设置，能够进一步提高异常状况的响应速度以及避免异常误报警时人力资源的浪费。

在一种优选的实施方式中，所述生物电阻抗性传感器利用LM4041和LMP2231元件测得皮肤电阻变化从而获得皮肤电信息。皮肤电信息是人体的一项情绪生理指标，在异常情况下，该信息必然发生较大变化；比如，其大幅变化，必然对应老人情绪波动激烈，极大概率老人发生跌倒、癫痫、心脏病等异常。现有技术中，仅采用移动加速度信息判断是否出现异常，然而移动加速度信息仅反映老人的运动状态，并不能有效反映是否出现异常。本发明通过皮肤电信息和移动加速度信息共同作为异常检测的判断标准，从而大大提高了异常状态的检测精度。

养老院每个区域空间均设置三维定位子系统，参见图2，所示为三维定位子系统的系统结构框图，至少包括四个基站，其中一个为主基站，其余为辅助基站；所述基站位置固定设置并覆盖整个空间，其中，至少三个基站处在同一水平面，且至少一个设置在天花板；基站布置应尽可能广的覆盖整个空间，并且基站要离墙0.5-1米，离地2-3米。基站一旦安装，其位置固定不变。主基站用于收集所有标签信息和其他基站信息，然后通过对测量数据实时解算获取基站i与基站j之间的距离(0≤i<j≤3)，基站m与标签n之间的距离(0≤m≤3，n>0)，测量结果通过网络通信模块向服务器输出。

其中，任三个基站组成一个测距单元，用于测量基站之间的距离以及UWB标签与各个基站之间的距离并通过三边测量算法获取UWB标签的初步位置信息，通过多个测距单元获取的多个初步位置信息通过计算获得UWB标签位置信息；所述UWB标签的位置信息至少包括平面位置信息和高度信息。

参见图4所示为基站的系统实现结构图，至少包括基站主控模块和UWB测距模块，所述UWB测距模块用于测定端对端的距离；当然还包括电源模块、LED指示模块、复位电路等组成。基站主控模块可读取UWB测距模块采集的数据，UWB测距模块可测定端对端的距离，所述主基站与中心服务器相连接，用于将UWB标签的位置信息发送给所述中心服务器；LED指示模块可对模块当前的工作状态进行显示，复位电路提供了系统异常情况下的初始化功能。

所述中心服务器用于对所获取的智能手环的传感器信息和UWB标签的位置信息进行实时处理以此判断老人是否出现异常状况，并在出现异常状况下，马上在数据库中读取UWB标签所处的位置信息以及时提示。

在上述技术方案中，通过UWB三维定位实现UWB标签定位，不仅提高了定位精度，同时通过获取标签所处的空间高度并以此作为异常判断的重要参数之一，有效降低了异常的误报警率。

同时，采用生物电阻抗性传感器作为异常判断的重要参数之一，提高了异常检测的精度。

进一步的，本发明架构通过独立的两个数据通道分别实现定位信息和传感信息的传输，从而能够有效缓解数据传输压力。

另外，本发明通过移动终端实现智能手环与中心服务器的数据传输，从而能够有效降低智能手环的功耗，使其具有更长的待机时间。

在一种优选实施方式中，还包括网络通信模块，所述主基站通过网络通信模块接入所述中心服务器。

在一种优选实施方式中，参见图6，所示为本发明另一种实施方式的系统架构框图，还包括监控移动终端，所述监控移动终端远程接入中心服务器并实时获取相应老人的数据信息，从而家属或者监护人能够远程随时了解老人在养老院的情况。

在一种优选实施方式中，所述三维定位子系统还包括摄像头，摄像头和基站配套安装，并且其通过网络通信模块实时发送视频流到中心服务器进行存储。所述摄像头用于记录该区域的监控视频信息，并当异常情况发生时，所述摄像头转向并记录异常位置的场景以便管理人员及时了解异常情况，并及时对异常情况进行处理。

下面再详细描述下本发明系统的工作过程，具体包括如下步骤：

步骤(1)：打开系统，开启基站、摄像头和手环。摄像头开始通过网络通信模块实时将监控数据以视频流的形式发送到中心服务器并存储于数据库。

步骤(2)：在手机APP上登陆老人账号，并通过蓝牙连接手环。手环通过自身的多个传感器采集老人的加速度、心率和皮肤电等信息，然后通过蓝牙传给手机，在手机APP中显示并通过无线网络传输到中心服务器进行储存。

步骤(3)：手环中的UWB脉冲发射装置不断的向基站发送数据，然后各基站将处理获得的手环与基站、基站与基站间的距离汇集到主基站。然后，主基站通过网络通信模块连接到路由器，再通过路由器连接的局域网将信息传送到中心服务器。

步骤(4)：中心服务器将主基站发送的数据通过三边测量算法处理后存储入数据库中。

步骤(5)：打开管理软件，启动定位功能，实时从数据库中提取数据并在管理软件中的地图以坐标点形式显示，并且开始不断更新坐标点数据。此时基站数据也从数据库中提取，在地图上显示。然后再打开视频监控功能，从数据库中提取相应信息并在管理软件中显示，实时监控老人的日常活动。

步骤(6)：通过网络通信模块不断更新手环最新信息，中心服务器不断检测获得的老人加速度、心率、坐标z轴等数据是否发生大幅变化，则可以初步判断老人可能发生异常。此时手环弹出按钮，显示身体是否发生异常，若老人点击是，则将信息反馈到中心服务器，客户端报警。若老人休克、跌倒或发病严重无法行动等情况无法点击按钮，调用皮肤电信息，由原理可知皮肤电是一项情绪生理指标，所以其大幅变化，必然对应老人情绪波动激烈，极大概率老人发生跌倒、癫痫、心脏病等异常。立马调动视频数据，采用动作识别算法可知老人此时获得状态，若老人不动或者剧烈抖动则必然发生了异常，此时将异常数据反馈给客户端，发出警报。并立马弹出老人所处地区对应的监控视频。

本发明可实现以下几项定位技术：(1)帮助管理人员准确定位老人所在位置：基站将手环发送的信号传递给中心服务器，中心服务器经过处理，将老人的信息在客户端中地图显示，然后调用离此处最近的摄像头，管理人员可以实时准确找到老人位置。(2)判断老人是否发生跌倒：若老人跌倒，其移动加速度(老人日常活动移动缓慢且不会突然加速奔跑)和定位坐标z轴数值必然发生了大幅变化，但这个结果也可能是手环脱落造成的，此系统辅以心率变化、皮肤电变化视频识别加以判断。若手环脱落则无法检测到心率以及皮肤点数据，故老人安全，不反馈数据到中心服务器；若测得心率、皮肤电(跌倒会造成恐慌情绪导致皮肤电变化异常)发生急剧变化，则将数据反馈给中心服务器，调动视频动作识别，判断老人是否摔倒在地，同时满足上述情况，老人发生跌倒事故。(3)判断老人身体是否发生发病：若是中心服务器收到手环发送的数据在一段时间内心率变化异常高于或低于正常心率范围，参考皮肤电信息(癫痫、心脏病等疾病发作会给老人带来恐慌情绪导致皮肤电变化)，则可推导老人有一定概率发病，反馈到中心服务器。此时启用视频动作识别算法判断老人行动是否发生异常，若正常移动，则老人安全；若老人无法移动或身体剧烈抖动，则老人发病，反馈数据到中心服务器，老人发生异常。(4)帮助管理人员查看老人活动情况：当中心服务器发出警报提醒管理人员老人发生事故，客户端可以快速筛选调用离老人最近摄像头，及时得知老人可能的事故类型，更好做出应对。(5)判断老人是否走失：若是夜晚休息时，中心服务器所获得的手环信息显示房间中出现的坐标点数目与已知老人应有数目不同，则代表老人未回到房间。(6)对跟踪老人视频定位：分析跟踪老人的UWB定位信息，找到对应的摄像头，中心服务器通过比对判断目标老人在视频中的位置，并辅以视频人脸识别技术判断对象是否为人类，若是，则调用摄像头对其实时跟踪；否则再次比对拟合老人位置。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。