本发明涉及无接触式的呼吸检测方法，具体涉及基于商业无线局域网设备的无接触呼吸检测方法。
背景技术：
呼吸频率是一个重要的生命体征，它不仅可以用来监测疾病和健康状态，而且可以预测一些需要立即临床处理的紧急情况，如呼吸骤停等。据报道，将近5％的人口患有与呼吸有关的疾病，如睡眠呼吸暂停综合症(sas)。最近的一项研究也显示了呼吸异常是婴儿猝死综合症的主要诱因。在很多情况下，呼吸系统疾病患者只表现出短时间或随机症状。因此，在家庭环境中进行低成本和持续的呼吸监测是必不可少的。
临床上连续呼吸监测的两种常用方法是胸阻抗法和二氧化碳浓度监测方法。然而，这些方法的设备昂贵，而且需要训练有素的护理人员操作监控设备，防止这些设备发生故障。而在普通家庭的使用，无接触和非侵扰的监测方式则更具吸引力。因此，一些研究工作致力于非接触式的无线感知人体呼吸。例如，使用usrp[1]和uwb[2]信号进行呼吸检测，但是这些是专用的硬件设备，限制了其在现实生活中的应用。文献[3]-[6]提出了基于wifi射频信号的检测呼吸，然而，这些检测系统都只能在特定的位置进行呼吸检测，无法识别呼吸检测的盲区，无法解释在不同姿势进行呼吸检测效果差异的原因。文献[7]引入了基于菲涅耳区模型的呼吸检测方法，利用反射理论指导第一菲涅尔区外的呼吸检测，然而，更为复杂的衍射效应在第一菲涅尔区内占据主导因素，在该区域仍然无法定量刻画检测效果的好坏。
引用文献：
[1]ruthravichandran,elliotsaba,ke-yuchen,mayankgoel,sidhantgupta,andshwetaknpatel.2015.wibreathe:estimatingrespirationrateusingwirelesssignalsinnaturalsettingsinthehome.ininternationalconferenceonpervasivecomputingandcommunications(percom).ieee,st.louis,mo,usa.
[2]svethavenkatesh,christopherranderson,nataliavrivera,andrmichaelbuehrer.2005.implementationandanalysisofrespiration-rateestimationusingimpulse-baseduwb.ininmilitarycommunicationsconference,milcom2005.ieee.
[3]hebaabdelnasser,khaledaharras,andmoustafayoussef.2015.ubibreathe:aubiquitousnon-invasivewifi-basedbreathingestimator.inarxivpreprintarxiv:1505.02388(2015).
[4]xuefengliu,jiannongcao,shaojietang,jiaqiwen,andpengguo.2016.contactlessrespirationmonitoringviawifisignals.mobilecomputing,ieeetransactionson(2016).
[5]jianliu,yanwang,yingyingchen,jieyang,xuchen,andjerrycheng.2015.trackingvitalsignsduringsleepleveragingoff-the-shelfwifi.inproceedingsofthe16thacminternationalsymposiumonmobileadhocnetworkingandcomputing.acm,267–276.
[6]chenshuwu,zhengyang,zimuzhou,xuefengliu,yunhaoliu,andjiannongcao.2015.non-invasivedetectionofmovingandstationaryhumanwithwifi.selectedareasincommunications,ieeejournalon33,11(2015),2329–2342.
[7]haowang,daqingzhang,junyima,yashawang,yuxiangwang,danwu,taogu,andbingxie.2016.humanrespirationdetectionwithcommoditywifidevices:douserlocationandbodyorientationmatter？.inproceedingsoftheinternationaljointconferenceonpervasiveandubiquitouscomputing,ubicomp’16.
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种无接触的呼吸检测方法，利用无线射频信号检测人体呼吸，根据人体在第一菲涅尔区内位置的不同，标定呼吸可被检测的位置和识别出检测盲区；针对人体在躺着和坐着时，进行呼吸检测效果的差异，指导不同位置的人体呼吸检测。
菲涅尔区的相关概念：当射频信号由发送设备发射后，其在空间中通过多条路径达到接收端，也就是接收端接收到的信号是多个信号的叠加，根据波的干涉原理，当信号的两条路径长度相差半波长(λ/2)的奇数倍时产生减弱的信号，当信号的两条路径长度相差半波长的偶数倍时产生增强的信号。当发送设备和接收设备固定时，其直接路径(los)的长度是固定的，考虑反射造成的相位偏转π，当反射路径与直接路径的长度差为半波长的奇数倍时产生增强的信号，为半波长的偶数倍时产生减弱的信号，这些半波长的奇数倍和偶数倍的位置就是菲涅尔区的边界。当反射路径与直接路径的长度差为i*λ/2时，即|tqi|+|qir|-|tr|＝iλ/2，其中，|tqi|是qi到发射设备t的距离，|qir|是qi到接收设备r的距离，|tr|为收发设备之间的距离，λ为载波的波长，所有满足该条件的点构成的椭圆为第i菲涅尔区的边界。由第1菲涅尔区边界围成的椭圆称为第1菲涅尔区，以此类推，由第i菲涅尔区边界和第i+1菲涅尔区边界围成的椭圆环为第i+1菲涅尔区。图1示出了菲涅尔区、菲涅尔边界以及同心椭圆的方程。
菲涅尔衍射是感知物体进入第一菲涅尔区以内，信号经过物体表面绕射到达接收端，所引起的接收信号的波形变化现象。
本发明的原理是：文献[8](andreasf.molisch.2005.wirelesscommunications.johnwileyandsons,chichester,uk.)记录了无线射频信号以收发设备为焦点，在空间中是椭圆层次形状的菲涅尔区，而第一菲涅尔区内则有70％的信号能量通过该区域，物体进入第一菲涅尔区内，衍射现象占据主导，会引起信号的明显衰落。通过对人体进入第一菲涅尔区程度的不同，接收端形成了不同的衍射信号波形。在躺着进行呼吸检测时，信号只能从人体一侧到达接收端(单边的衍射效果)，在第一菲涅尔区边界附近是人体呼吸难以被检测的位置(检测盲区)，而逐渐进入并遮挡第一菲涅尔区则都是呼吸频率可被检测的位置，检测效果稳定。在坐着进行呼吸检测时，信号能从人体两侧到达接收端(双边的衍射效果)，在第一菲涅尔区内呈现交替的呼吸检测好坏位置，检测效果不稳的。为了在给定人体位置下检测呼吸频率，推荐在第一菲涅尔区内躺着检测，同时，可通过移动射频收发设备的高度，使得人体所处位置正好落在第一菲涅尔区的可检测位置，从而实现针对任意给定人体位置进行呼吸检测。本方法兼容任何对波形的信号处理方法，可以对波形进行处理后，进而提升较差位置的可检测性，计算得到波峰/波谷的数量，即为人体呼吸次数。
本发明提供的技术方案如下：
一种无接触式呼吸检测的方法，包括如下步骤：
a.检测装置包含一对射频收发设备，并在一对射频收发设备上安装至少一根天线，其中一台射频收发设备发送射频信号，其波长为λ，另一台射频收发设备接收发送的射频信号。
b.将射频收发设备放置一定距离(即设置los距离)，在一定的los距离下，以射频收发设备为椭圆焦点，可以得到第一菲涅尔区位置，第一菲涅尔区半径r1表示为
b1.定量刻画进入第一菲涅尔区的程度，定义单边的余隙，一个单侧无法绕射通过信号的物体，其进入第一菲涅尔区距离los的中垂线距离为h，第一菲涅区的半径为r1。单边余隙表示为：
如果物体两侧都有衍射效果，定义双边的前余隙
b2.衍射参数可以表示为余隙的变化
同理，在双边衍射中的衍射参数为
b3.在接收端的对衍射信号积分
单边衍射情况下，信号振幅表示为
gaindiff＝20log|f(v)|
在双边衍射下，衍射积分
双边衍射情况下，在不考虑噪声的情况下，接收端接收到的信号振幅表示为
gaindiff＝20log|f(vfront)+f(vback)|
其中积分公式得到完整波形，截取相应位置，即可得到相应位置的呼吸振幅。
c.针对躺着和坐着呼吸检测的场景
收发设备放置与人体胸在近似水平位置，收发设备高度相同。人体呼吸过程胸脯的起伏想象成一个体积周期性、微小变化的类圆柱体，呼吸信号由于其移动的距离微小，前后腹背方向位移4.2-5.2mm，外侧位移0.6-1.1mm，胸部位置变化映射为衍射信号传播长度变化所导致的相位变化。呼吸就是在第一菲涅尔区完整波形上截取的一个片段，呼吸的位置代表截取的位置，在单调区间截取时，才能有明显波动，否则波动微弱，检测效果差。参考图5和图6可以观测到这种规律。
c1.针对场景(1)躺着呼吸检测，调整收发设备高度从而使得人体进入第一菲涅尔区位置不同，根据b3步骤中单边衍射计算振幅方法，则得到不同的呼吸振幅大小，标定出可检测区域和不可检测区域，如图7所示，第一菲涅尔区边界附近是不可检测区域，第一菲涅尔区内部大部分是可测区域，通过对波形的识别判断，定义可检测振幅的阈值，如果检测效果不佳，即小于阈值，收发设备底座的电机装置可以调整上下的高度，到达可检测位置；
c2.针对场景(2)坐着呼吸检测，调整人体座位的位置，使得进入第一菲涅尔的程度不同，根据b3步骤中双边衍射计算振幅方法，标定呼吸可被检测的区域和呼吸难以被检测的区域；
d.呼吸频率计算，对原始振幅信号进行预处理(包括平滑滤波和降噪)，然后利用快速傅氏变换(fft)技术提取信号的频域信息，也就是波峰/波谷数量，波峰/波谷的数量除以时间即可获得呼吸频率。本领域技术人员能够理解，常规的信号处理方法，例如平滑滤波和降噪处理，快速傅里叶变换、波峰/波谷查找方法等能够用于提取csi信息的频域信息，从而获得波峰/波谷的数量，通过对波峰/波谷进行计数，能够得到单位时间内的呼吸频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种呼吸检测的方法，利用射频信号检测人体呼吸，根据人体在不同场景下呼吸检测，可以标定可检测位置以及检测盲区，并通过调整射频收发位置，可以实现给定任意位置进行人体呼吸检测。
本发明提供的技术方案可应用在两种典型场景：一是人体躺着时，放置收发设备使得人体遮挡los，任意的人都可以实现呼吸检测；二是人体坐着时，标定人体呼吸可被检测的位置，进而可以通过调整收发设备的位置实现呼吸检测。因此，本发明提供的技术方案能够解决当人体处于收发设备中间，甚至遮挡los时，如何实现最佳的呼吸检测问题。此外，由于本发明无需人体携带或穿戴任何设备，本发明提供的技术方案具有非侵扰性、方便、低成本的优点，且射频信号(如wifi)已经广泛存在于家庭中，在家用呼吸检测领域将具有突出效益。
附图说明
图1示出菲涅尔区、菲涅尔边界和同焦点椭圆的方程；
图2是物体在菲涅尔区内的简化示意图；
图3为前余隙和后余隙的简化示意图；
图4为本发明的一个实施例提供的人体呼吸监测方法的一种简要流程框图。
图5是单边衍射和双边衍射情况下接收到的信号振幅示意图。
图6是呼吸振幅的提取示意图。
图7是躺着进行呼吸检测的效果热力图。
图8是坐着进行呼吸检测的效果热力图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供一种无接触式呼吸检测方法，利用射频信号检测人体呼吸，根据无线射频信号收发设备的位置，实现对受测者躺着或者坐着的不同姿势，标定人体呼吸在第一菲涅尔区的可被检测位置，调整设备位置对任意的人体进行呼吸进行检测。本发明的具体实施方式如下：
a.检测装置包含一对收发设备(设备可以是：笔记本电脑、minipc以及任何支持rf信号收发的设备)，并在其上安装至少一根天线(天线是垂直激化的全向天线且垂直地面放置)，发送射频信号，其波长为λ。
b.将射频收发设备放置一定距离(即设置los距离)，在一定的los距离下，以射频收发设备为椭圆焦点，并根据发射的射频信号的波长λ，可以得到第一菲涅区位置，第一菲涅尔区半径r1表示为
b1.定量刻画进入第一菲涅尔区的程度，定义单边的余隙
如果物体两侧都有衍射效果，定义双边的前余隙
b2.衍射参数可以表示为余隙的变化
同理，在双边衍射中的衍射参数为
b3.在接收端的对衍射信号积分
单边衍射情况下，信号振幅表示为
gaindiff＝20log|f(v)|
在双边衍射下，衍射积分
双边衍射情况下，信号振幅表示为
gaindiff＝20log|f(vfront)+f(vback)|
其中积分公式得到完整波形，截取相应位置，即可得到相应位置的呼吸振幅。
图5是根据单边衍射和双边衍射计算公式得到的信号振幅示意图(其中左侧为单边衍射情况，右侧为双边衍射情况)。
c.针对躺着和坐着呼吸检测的场景：
图6显示了在两种场景下，提取出的呼吸信号的振幅。其中，横坐标为时间，纵坐标为振幅。
c1.针对场景(1)躺着呼吸检测，调整收发设置高度从而使得人体进入第一菲涅尔区位置不同，则得到不同的呼吸振幅大小，标定出可检测区域和不可检测区域；
c2.针对场景(2)坐着呼吸检测，调整人体座位的位置，使得进入第一菲涅尔的程度不同，标定呼吸可被检测的区域和呼吸难以被检测的区域，如图8所示，检测效果好坏位置呈现交替出现。
d.呼吸频率计算，对原始振幅信号进行预处理(包括平滑滤波和降噪)，然后利用快速傅氏变换(fft)技术提取信号的频域信息，也就是波峰波谷数量，即可获得呼吸频率。本领域技术人员能够理解，常规的信号处理方法，例如平滑滤波和降噪处理，快速傅里叶变换、波峰/波谷查找方法等能够用于提取csi信息的频域信息，从而获得波峰/波谷的数量，通过对波峰/波谷进行计数，能够得到单位时间内的呼吸频率。
以下实施例使用中心频率为5.24ghz的wifi信号作为射频信号，该射频信号的波长λ＝5.725cm；使用搭载wifiintel5300网卡的minipc作为收发设备，收发设备上各装有一根全向天线。
本实施例中，在5mx4m的房间中，摆放一对收发设备，收发设备相距1m，在躺着和坐着的呼吸检测场景下，移动收发设备位置，在任意固定位置，均可得到呼吸的可检测性，在好的检测位置，输出人体的呼吸频率。
以5mx4m的房间为例，根据本发明提供的呼吸检测方法，执行如下步骤：
a.将rf接收设备(minipc)上的接收天线垂直地面放置，该设备的位置标记为p1；将rf发射设备的路由器(tp-linkwdr5300路由器)上的发射天线垂直地面放置，该设备的位置标记为p2；设定p1与p2的间距为1m；
b.将射频收发设备放置一定距离(即设置los距离)，在一定的los距离下(即p1和p2之间的距离)，以射频收发设备为椭圆焦点，并根据波长λ＝5.725cm，可以得到第一菲涅尔区位置，第一菲涅尔区半径r1表示为
b1.定量刻画进入第一菲涅尔区的程度，定义单边的余隙
如果物体两侧都有衍射效果，定义双边的前余隙
b2.衍射参数可以表示为余隙的变化
同理，在双边衍射中的衍射参数为
b3.在接收端的对衍射信号积分
单边衍射情况下，信号振幅表示为
gaindiff＝20log|f(v)|
在双边衍射下，衍射积分
双边衍射情况下，信号振幅表示为
gaindiff＝20log|f(vfront+vback)|
c.场景一是任意给定人体的位置(例如，人体位置不发生改变)，调整rf收发设备的位置实现呼吸检测；场景二是任意给定rf收发设备的位置(例如，两个rf收发设备的位置不发生改变)，标定人体呼吸可被检测的位置；针对不同场景分别执行c1或c2：
c1.针对场景一躺着呼吸检测，调整收发设置高度从而使得人体进入第一菲涅尔区位置不同，则得到不同的呼吸振幅大小，标定出可检测区域和不可检测区域；
具体地，以人体进入第一菲涅尔区，距离收发设备连线的中垂线上的距离为度量：
(a)人体在第一菲涅尔区边界(u＝-1,u＝-0.85)，呼吸较难被检测，而在人体进入程度更深(u＝-0.5),或者贴着los(u＝0),甚至遮挡los时，都是可以直接进行呼吸测量的。
(b)人体在平躺和俯卧可以实现相同的检测效果，侧卧由于胸腔的幅度相对小，则效果相对另外两种姿势稍差。
c2.针对场景二坐着呼吸检测，调整人体座位的位置，使得进入第一菲涅尔的程度不同，标定呼吸可被检测的区域和呼吸难以被检测的区域。本实施例中，以收发设备连线的中垂线为例，最佳检测区域则出现在(ufront＝-0.85)等处；呼吸难以被检测的区域出现在(ufront＝-1)等处。在两个位置之间的区域，检测效果也介于两者之间。本领域技术人员能够根据不同的情况，例如测量精度、测量速度等，设置不同的阈值，从而确定可检测区域和不可检测区域。
d.呼吸频率计算，对原始振幅信号进行预处理，先使用平滑处理，其次，利用窗口大小为5秒的hamplel滤波器和窗口大小为20秒的滑动平均方法对原始振幅信号进行预处理，然后利用快速傅氏变换(fft)技术提取信号的频域信息，也就是波峰/波谷数量，即可获得呼吸频率。图4为本发明的一个实施例提供的人体呼吸监测方法的一种简要流程框图。
本发明还包括以下实施例：
1.一种用于识别呼吸检测区域的方法，其包含：
以发送设备的位置和接收设备的位置为椭圆焦点，以发送设备的位置和接收设备的位置之间的距离为焦距，并根据发送设备发送的射频信号的波长，构建第一菲涅尔区；
根据不同余隙，计算人体进入第一菲涅尔区的不同位置时的所述信号的振幅；
根据计算的不同位置的所述信号的振幅的大小，识别呼吸检测区域中的可检测区域和不可检测区域。
2.根据实施例1所述的方法，其中所述余隙为人体与所述发送设备和接收设备的视线传输路径即los传输路径之间的距离。
3.根据实施例2所述的方法，其中当所述人体在坐着进行呼吸检测时，信号从身体两侧衍射通过，所述余隙包含前余隙和后余隙，其中所述前余隙和所述后余隙在所述los传输路径的不同两侧，并且分别以不同正负符号表示。
4.根据实施例3所述的方法，其中计算人体进入第一菲涅尔区的不同位置时呼吸运动引起的所述信号的振幅进一步包含：
当人体躺着进行呼吸检测时，信号只能从人体一侧衍射到达接收端：
针对余隙进行衍射积分，获得第一菲尼尔区的完整波形；
根据人体呼吸的位置，获得人体进入第一菲涅尔区的不同位置时呼吸运动引起的所述信号的振幅；
当人体坐着进行呼吸检测时，信号能从人体两侧衍射到达接收端：
分别针对前余隙和后余隙进行衍射积分，并根据两项积分的组合，获得第一菲涅尔区的完整波形；
根据人体呼吸的位置，获得人体进入第一菲涅尔区的不同位置时呼吸运动引起的所述信号的振幅。
5.根据实施例3所述的方法，其中：
当人体坐着进行呼吸检测时，所述信号从人体两侧衍射通过，计算的振幅大小交替变化，可检测区域和不可检测区域相应地交替出现；
当人体躺着进行呼吸检测时，所述信号从人体一侧衍射通过，计算的振幅大小单调变化，其中在所述第一菲涅尔区边界附近振幅最小，为不可检测区域；而距离所述第一菲涅尔区越远且距离所述los传输路径越近，振幅越大，为可检测区域。
6.一种用于呼吸检测的方法，其包含：
接收发送设备发送的射频信号；
对接收的射频信号进行处理，以获得处理后的信号；
如果处理后的信号的振幅小于阈值，则：
以发送设备的位置和接收设备的位置为椭圆焦点，以发送设备的位置和接收设备的位置之间的距离为焦距，并根据发送设备发送的射频信号的波长，构建第一菲涅尔区；
根据不同余隙，计算人体进入第一菲涅尔区的不同位置时的所述信号的振幅；
根据计算的不同位置的所述信号的振幅的大小，识别呼吸检测区域中的可检测区域和不可检测区域；
针对所述可检测区域和不可检测区域，调整发送设备和接收设备的高度/位置，从而使得人体处于可检测区域；
根据处理后的信号，对人体进行呼吸监测。
7.根据实施例6所述的方法，其中对接收的射频信号进行处理进一步包含：
对接收的射频信号进行平滑滤波和降噪，并利用快速傅里叶变换提取频域信息，从而获得波峰/波谷数量，确定呼吸频率。
8.根据实施例6所述的方法，其中所述余隙为人体与所述发送设备和接收设备的视线传输路径即los传输路径之间的距离。
9.根据实施例8所述的方法，其中当所述人体在坐着进行呼吸检测时，信号从身体两侧衍射通过，所述余隙包含前余隙和后余隙，其中所述前余隙和所述后余隙在所述los传输路径的不同两侧，并且分别以不同正负符号表示。
10.根据实施例9所述的方法，其中计算人体进入第一菲涅尔区的不同位置时呼吸运动引起的所述信号的振幅进一步包含：
当人体躺着进行呼吸检测时，信号只能从人体一侧衍射到达接收端：
针对余隙进行衍射积分，获得第一菲尼尔区的完整波形；
根据人体呼吸的位置，获得人体进入第一菲涅尔区的不同位置时呼吸运动引起的所述信号的振幅；
当人体坐着进行呼吸检测时，信号能从人体两侧衍射到达接收端：
分别针对前余隙和后余隙进行衍射积分，并根据两项积分的组合，获得第一菲涅尔区的完整波形；
根据人体呼吸的位置，获得人体进入第一菲涅尔区的不同位置时呼吸运动引起的所述信号的振幅。
11.根据实施例8所述的方法，其中：
当人体坐着进行呼吸检测时，所述信号从人体两侧衍射通过，计算的振幅大小交替变化，所述可检测区域和不可检测区域相应地交替出现；
当人体躺着进行呼吸检测时，所述信号从人体一侧衍射通过，计算的振幅大小单调变化，其中在所述第一菲涅尔区边界附近振幅最小，为所述不可检测区域；而距离所述第一菲涅尔区越远且距离所述los传输路径越近，振幅越大，为所述可检测区域。
12.一种用于识别呼吸检测区域的装置，其被配置为执行根据实施例1-5中任一项所述的方法。
13.一种用于呼吸检测的装置，其被配置为执行根据实施例6-11中任一项所述的方法。
14.一种计算机可读存储介质，其存储有经配置由处理器执行的指令，该指令使得计算机执行根据实施例1-5中任一项所述的方法。
15.一种计算机可读存储介质，其存储有经配置由处理器执行的指令，该指令使得计算机执行根据实施例6-11中任一项所述的方法。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。