基于人体红外感知的跌倒检测装置及检测方法与流程

[0001]
本发明涉及健康监护及普适计算技术领域，更具体地，涉及基于人体红外感知的跌倒检测装置及检测方法。


背景技术：

[0002]
从中国传统养老观念及当前的社会发展水平角度来看，居家养老仍然是目前我国面对人口老龄化问题首推的养老方式。第六次全国人口普查所统计的我国老年人口家庭居住、健康照料供养状况报告显示，我国老年空巢家庭迅速增长，已占比达31.77％，其中“独居”空巢家庭占比达16.40％。另据世界卫生组织的数据，每年大约有30％的65岁以上老年人发生过一次跌倒，15％发生两次以上跌倒。跌倒已成为当今威胁老年人群体生命健康的不可忽视的问题。老年人跌倒后，如果得不到及时救助，将会造成严重的身体损伤，甚至死亡。因此，在居家环境中构建面向独居老人的跌倒检测系统，发现跌倒行为并及时发出报警，对保障居家养老的安全具有重要意义。
[0003]
目前，跌倒检测的方法根据传感器类型的不同主要分为两类：基于视觉传感器的检测和基于穿戴式传感器的检测。前者是通过视觉传感器采集人体动作视频或数字化图像序列，再利用计算机视觉技术处理图像数据，进而实现跌倒检测。常见的视觉传感器为摄像机和红外夜视仪。中国发明专利cn103955699a、cn105469545a等都是基于这一原理设计，通过提取图像中目标位置或形状等特征，利用模式识别算法进行跌倒检测。然而，图像采集中涉及大量与跌倒无关的冗余信息，该信息的获取与处理导致系统资源的过多占用，这将会影响跌倒检测的实时性要求。此外，长期以来被看作记录工具的摄像机，有时会引起侵犯隐私等敏感问题。
[0004]
基于穿戴式传感器的跌倒检测系统一般是利用穿戴于人体的加速度传感器，采集跌倒引起的人体加速度变化。中国发明专利cn108041772a(智能手环)、cn107103732a(加速度传感器)等都是基于这一原理设计，以人体的加速度变化作为跌倒检测的主要特征，并借助撞击时产生的冲击力，心率等体征变化进行协助验证。可穿戴式传感器因其低成本、便携性和轻量级计算，被应用于户外环境中的摔倒检测。但是，穿戴式传感器测量时可能在人体表面产生移动，不仅引入测量数据误差，有时还会限制用户动作，在一定程度上影响了用户体验。特别是在居家环境中，人们偏重舒适轻松的体感需求，心理上抵触穿戴式传感带来的附属累赘感，这就需要考虑在人体所在的居家环境中部署跌倒检测系统。


技术实现要素：

[0005]
本发明为克服上述现有技术的不满足跌倒检测实时性要求、穿戴式传感器限制用户动作、增加附属累赘感的问题，提供基于人体红外感知的跌倒检测装置及检测方法，无需穿戴，不影响居家者的生活习惯、采用被动式红外传感方式，直接获取数据以进行跌倒检测。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于人体红外感知的跌倒检测
装置，其中，包括有用于感知人体红外信号的红外感知模块、通信模块、信号采集模块和信号分析模块，红外感知模块连接通信模块，通信模块连接信号采集模块，信号采集模块连接信号分析模块。
[0007]
本方案中，红外感知模块用于感知人体运动过程中的红外信息，红外感知模块将感知到的红外信息传输到通信模块，通信模块将红外信息传输到信号采集模块，经过信号采集模块的模数转换后，再传输给信号分析模块进行处理。信号分析模块通过对采集到的人体运动过程中的红外信息进行分析，检测人体运动的实时状态，及时发现跌倒等异常状态。
[0008]
在一个实施方式中，红外感知模块包括红外传感器以及凸透镜，红外传感器与通信模块连接，凸透镜套设在红外传感器上。
[0009]
凸透镜用于扩大红外传感器的感知视野，增加红外传感器的感知范围，通过增加感知范围来增加感知效果，避免由于人体运动出感知范围外而造成感知不能。
[0010]
优选地，还设有视场调制器，凸透镜设于红外传感器与视场调制器之间。
[0011]
视场调制器用于增强运动方向敏感度，凸透镜设置在视场调制器和红外传感器之间，通过凸透镜增加感知范围、通过视场调制器增加红外传感器的感知运动方向敏感度，进一步增强跌倒检测装置的跌倒检测效果。
[0012]
优选地，凸透镜为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜为碗状，视场调制器为碗状，视场调制器设有由透光部及遮光部相间设置组成的透光面。菲涅尔透镜的作用是增大红外传感器的视野范围，和视场调制器组合使用，能够增强/突显特定方向上的红外能量变化，该变化量是跌倒动作判断的重要依据。
[0013]
凸透镜为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜又名螺纹透镜，在红外传感器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高红外传感器的探测接收灵敏度。当有人从菲涅尔透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。菲涅尔透镜与视场调制器均为碗状，形状上相互配合。视场调制器的透光面由透光部及遮光部相间设置组成，这种相间设置可以增强动作方向感知的敏感度。
[0014]
优选地，透光部及遮光部相对水平方向倾斜的角度相同。透光部及遮光部相对水平方向倾斜45度或135度，不同方向的配置对应获取不同方向的肢体动作信息。45度或者135度方向倾斜的透光部及遮光部和球形的菲涅尔透镜组合使用时，能够获得垂直于该透光部及遮光部方向的动作的红外能量信息。另外，在组合安装时，红外传感器的动作敏感方向需要和透光部及遮光部的正交方向保持一致。
[0015]
优选地，凸透镜为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜为弧形片状，视场调制器为弧形片状，视场调制器设有由透光部及遮光部相间设置组成的透光面。
[0016]
红外传感器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高红外传感器的探测接收灵敏度。当有人从菲涅尔透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。菲涅尔透镜与视场调制器均为碗状，形状上相互配合。视场调制器的透光面由透光部及遮光部相间设置组成，光条及遮光部相间设置实现增强动作方向感知的敏感度。
[0017]
优选地，透光部及遮光部水平设置或竖直设置。水平设置或竖直设置的透光部及
遮光部和球形的菲涅尔透镜组合使用时，能够获得垂直于该透光部及遮光部方向的动作的红外能量信息。另外，在组合安装时，红外传感器的动作敏感方向需要和透光部及遮光部的正交方向保持一致。
[0018]
优选地，跌倒检测装置设有至少两组，至少一组用于检测人体上半身红外运动信息，至少一组用于检测人体下半身红外运动信息。至少两组跌倒检测装置相互配合分别对人体上半身和人体下半身的红外运动信息进行感测，通过这样的设置能有效的增加跌倒检测装置的检测效果及检测灵敏度。
[0019]
基于人体红外感知的跌倒检测方法，其中，包括有以下步骤：
[0020]
s1.红外感知模块分别采集人体正常行走和跌倒两种行为信号，并分别为这两种行为训练模板数据；
[0021]
s2.获取日常行为信号，将日常行为信号的人体行为数据与模板数据进行匹配；
[0022]
s3.根据模板匹配结果，判断目标是否处于正常行走状态；如有异常则判定人体目标跌倒。
[0023]
在一个实施方式中，步骤s1中，红外感知模块设有两组，分别为第一红外感知模块和第二红外感知模块：以探测空间区域内人体活动产生的热辐射时空变化信息为采集对象，第一红外感知模块负责空间区域1，监测人体上部在空间内的热辐射能量变化情况，第一红外感知模块的输出数据vu＝{vu1,...,vui,...},vui对第一红外感知模块第i个检测单元的电压信号,2≤i≤4；
[0024]
第二红外感知模块负责空间区域2，监测人体下肢在空间内的热辐射能量变化情况，第二红外感知模块的输出数据vd＝{vd1,...,vdi,...}，vdi对应第二红外感知模块第i个检测单元的电压信号,2≤i≤4；
[0025]
组合第一红外感知模块和第二红外感知模块的输出数据作为模板训练数据：v＝(vu,vd)，v为数据矩阵，行向量的维数为电压信号时序长度，列向量的维数为装置所采用的检测单元数目；
[0026]
步骤s2中模板匹配方法为：计算日常行为信号的人体活动数据与模板数据的距离；
[0027]
步骤s3中的判断原则为：模板匹配结果的距离最小者对应的模板类型，即为该人体活动的类型。
[0028]
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0029]
本发明通过视野调制增强跌倒信号强度，采用分布式传感方式，直接获取人体红外信号，通过人体红外信号感知跌倒特征，避免了与跌倒无关信息的获取与处理工作，具有低成本，低功耗和小体积等特性，更适用于分布式网络化的智能家居环境。本方案采用被动式运动感知方式，获取人体热辐射变化信息，以检测跌倒行为，不用采集居家者日常行为图像视频等隐私信息，不受光照变化等环境因素影响；无需穿戴，不影响居家者的日常生活习惯。
附图说明
[0030]
图1是本发明实施例中整体结构示意图。
[0031]
图2是本发明实施例中整体结构示意图。
[0032]
图3是本发明实施例中整体结构示意图。
[0033]
图4是本发明实施例中装置安装示意图。
具体实施方式
[0034]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
[0035]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0036]
实施例一：
[0037]
如图1所示，本发明提供基于人体红外感知的跌倒检测装置，包括有红外感知模块、通信模块、信号采集模块和信号分析模块，红外感知模块连接通信模块，通信模块连接信号采集模块，信号采集模块连接信号分析模块。红外感知模块用于感知人体红外信号，红外感知模块将感知到的红外信息传输到通信模块，通信模块将红外信息传输到信号采集模块，经过信号采集模块的模数转换后，再传输给信号分析模块进行处理。信号分析模块通过对采集到的人体运动过程中的红外信息进行分析，检测人体运动的实时状态，及时发现跌倒等异常状态。
[0038]
本实施例中，通信模块使用的通信协议为zigbee或wifi，通信模块可以外接设备，如外接报警设备，实现通信模块与多名人员通讯报警。通信单元可以内置语音控制模块，可进行语音咨询并确认目标状态。
[0039]
本实施例中，红外感知模块包括红外传感器101以及凸透镜102，红外传感器101与通信模块连接，凸透镜102套设在红外传感器101上，凸透镜102用于增加凸透镜102用于扩大红外传感器101的感知视野，增加红外传感器101的感知范围，通过增加感知范围来增加感知效果。凸透镜102为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜在红外传感器101前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高红外传感器101的探测接收灵敏度。
[0040]
跌倒检测装置设有视场调制器103，凸透镜102设于红外传感器101、视场调制器103之间，菲涅尔透镜为碗状，视场调制器103为碗状，菲涅尔透镜与视场调制器103均为碗状，形状上相互配合，透过视场调制器103的红外线经过菲涅尔透镜后进入红外传感器101。视场调制器103的透光面由透光部及遮光部相间设置组成，光条及遮光部相间设置实现增强动作方向感知的敏感度。
[0041]
本实施例中，透光部及遮光部相对水平方向倾斜的角度相同，透光部及遮光部相对水平方向倾斜45度或135度。45度或者135度方向倾斜的透光部及遮光部和球形的菲涅尔透镜组合使用时，能够获得垂直于该透光部及遮光部方向的动作的红外能量信息。另外，在组合安装时，红外感知模块的动作敏感方向需要和透光部及遮光部的正交方向保持一致。
[0042]
本实施例中，透光部可以为具有较高红外透过率的材料制成的条形结构或者遮光部之间的间隙空间，遮光条需要遮挡隔离红外线，而透光部要允许红外线透过。
[0043]
如图4所示，跌倒检测装置设有至少两组，至少一组用于检测人体上半身红外运动信息，至少一组用于检测人体下半身红外运动信息。安装高度由使用者身高决定，以170cm身高为例，可参考图4所示的安装尺寸。每个红外感知模块由两个或两个以上的检测单元构成，红外感知模块的内部可选择双元或四元热释电红外传感器。
[0044]
本发明提供的跌倒检测装置在使用时，可利用粘性材料吸附于墙壁上，在竖直方向上依次设置，对人体上半身红外运动信息、人体下半身红外运动信息进行采集并进行分析。
[0045]
本发明提供基于人体红外感知的跌倒检测方法，其中，包括有以下步骤：
[0046]
s1.红外感知模块分别采集人体正常行走和跌倒两种行为信号，并分别为这两种行为训练模板数据；红外感知模块设有两组，分别为第一红外感知模块和第二红外感知模块：以探测空间区域内人体活动产生的热辐射时空变化信息为采集对象，第一红外感知模块负责空间区域1，监测人体上部在空间内的热辐射能量变化情况，第一红外感知模块的输出数据vu＝{vu1,...,vui,...},vui对第一红外感知模块第i个检测单元的电压信号,2≤i≤4；
[0047]
第二红外感知模块负责空间区域2，监测人体下肢在空间内的热辐射能量变化情况，第二红外感知模块的输出数据vd＝{vd1,...,vdi,...}，vdi对应第二红外感知模块第i个检测单元的电压信号,2≤i≤4；
[0048]
组合第一红外感知模块和第二红外感知模块的输出数据作为模板训练数据：v＝(vu,vd)，v为数据矩阵，行向量的维数为电压信号时序长度，列向量的维数为装置所采用的检测单元数目；
[0049]
s2.获取日常行为信号，将日常行为信号的人体行为数据与模板数据进行匹配；模板匹配方法为计算日常行为信号的人体活动数据与模板数据的距离；
[0050]
s3.根据模板匹配结果，判断目标是否处于正常行走状态；如有异常则判定人体目标跌倒，判断原则为模板匹配结果的距离最小者对应的模板类型，即为该人体活动的类型。
[0051]
实施例二：
[0052]
如图2所示，本实施例与实施例一相似，不同之处在于，本实施例中，凸透镜102为菲涅尔透镜，菲涅尔透镜为弧形片状，视场调制器103为弧形片状，视场调制器103的透光面由透光部及遮光部相间设置组成。透光部及遮光部水平设置，或如图3所示的竖直设置。水平设置或竖直设置的透光部及遮光部和球形的菲涅尔透镜组合使用时，能够获得垂直于该透光部及遮光部方向的动作的红外能量信息。另外，在组合安装时，红外传感器101的动作敏感方向需要和透光部及遮光部的正交方向保持一致。
[0053]
在本实施例中，与实施例一相似，同样采用两组红外感知模块进行信号的采集，不同的是，在本实施例中，两组红外感知模块的视场调制器的透光面的设置方向不同，其中一组红外感知模块的视场调制器的透光面的透光部及遮光部为水平设置，另一组则为竖直设置。
[0054]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可
以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。