基于物联网的室内老年人监护系统及方法与流程

本发明涉及物联网领域，尤其涉及一种通过音频定位的室内老年人监护系统及方法。

背景技术：
目前，中国的人口老龄化问题日益严重，据专家预测，到2030年，我国60岁及以上人口数量将达到3.1亿，占总人口20.42％；到2050年，老人口将高达4.37亿，达到总人口的31.2％。中国己经成为世界上人口老龄化速度最快的国家之一，老年人的人口比例不断攀升，但是相应的社会服务水平却很难符合现有的老年人监护要求，随着老年人的比例越来越高，许多空巢老人或者是重病老人需要24小时监护。在飞速发展的经济社会，儿女又往往没有足够的时间和精力来监护老人，从而引发了一系列社会问题。现有的老年人室内监护技术主要建立在视频设备监控的基础上，但是采用视频设备来进行老年人的室内监护很容易侵犯老年人的隐私，不被大多数老年人所接受，因而无法得到广泛的推广与应用。

技术实现要素：
针对背景技术中存在的问题，本发明提出一种基于物联网的室内老年人监护系统及方法，通过音频对老年人在室内的行为进行采集，将音频信息进行及时的分析利用，比如对老人跌倒、摔碎物品、求救呼喊等异常情况进行警报，对其日常行为进行分析，同时将这些信息及时的发送给监护服务端。本发明将关注点聚焦在利用室内定位技术获取被关注对象的活动位置，在此基础上进一步对对象状态进行判断或预警。本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的：一种基于物联网的室内老年人监护系统，该系统包括若干音频信号采集装置和监护服务端。所述音频信号采集装置置于房间的不同位置，所有音频信号采集装置不能够置于同一平面中，将装置底部紧贴于放置面，放置面平整。所述音频信号采集装置包括箱体和置于箱体内的第一通信模块、控制单元和信号放大模块；箱体的表面嵌有麦克风模块；所述第一通信模块与控制单元相连。麦克风模块经信号放大模块与控制单元相连。所述麦克风模块包括声音探头、驻极体电容传声器和供电电路，声音探头固定于箱体的底部，紧贴放置的桌面或者物体，声音探头与驻极体电容传声器相连，供电电路为驻极体电容传声器提供电源；所述声音探头将采集的音频信息传递到驻极体电容传声器，驻极体电容传声器将音频信号转化为电信号，经过信号放大模块进行放大，经由第一通信模块发送到监护服务端。所述监护服务端包括第二通信模块和数据分析模块，所述第二通信模块与第一通信模块进行通信，所述数据分析模块接收音频信号采集装置采集的音频信号，通过能量比定位方法对声源进行定位，从而实现老年人的室内监护。所述能量比定位方法利用不同位置音频信号采集装置采集信号的能量差异来估计声源的位置，具体如下：假设音频信号采集装置Xi在房间内的坐标为(xi,yi,zi)，声源S的坐标为(x,y,z)，根据能量随传播距离衰减的比例关系有表达式：令则故当r≠1时，整理可知上式为球面方程，圆心坐标C12(u,v,w)和半径R为：故根据四个音频信号采集装置的窗口能量比即可确定被监测者的三维空间位置。进一步地，所述声音探头为医用听诊头和橡胶软管组成的一体结构或麦克风。进一步地，所述数据分析模块在定位之后，还包括对声源类型的判断，具体如下：a)对声源类型进行建模：通过音频信号采集装置采集室内各种发声情况的声源时域信号，基于傅里叶变换或小波变化方法得到声源信号的频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，最终建立各种发声情况与标准频率的声音模型；所述各种发声情况包括脚步声、跌倒声、叹息声、呼救声、物体碰撞声；b)对声源类型进行判断：通过音频信号采集装置实时采集室内声源的时域信号，将时域信号转化为频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，将标准频率与声音模型相结合从而判断发声情况。例如：当体积较大或有缓冲的物体坠落时，则音频信号采集装置采集的声源信号频率偏低；当小物体或刚性类物体坠落时，对地面有快速冲击，此时音频信号采集装置采集的声源信号频率偏高；当易碎类物体坠落时，音频信号采集装置采集到高频信号，随后出现多声源点。进一步地，该系统还包括警报模块，所述警报模块与控制单元相连，当数据分析模块判断声源的发声情况为紧急情况时，向音频信号采集装置发送信息，控制单元启动警报模块，发出报警声寻求附近人的帮助，同时监护服务端向监护者发送报警信息，达到及时监护的效果；所述紧急情况为老年人跌倒、呼救等紧急情况。进一步地，所述数据分析模块在声源类型的判断后，还包括脚步识别与路径绘制，具体为：当数据分析模块判断音频信号采集装置采集的发声情况为脚步声时，实时提取脚步声并存储在数据库中，根据数据库中的脚步声按时间顺序绘制老年人的行走路线；当数据分析模块识别出另外的脚步声时，对不同的脚步声进行定位及路径绘制，从而对进入室内的陌生人进行监控，保障老人安全；当两个路径在同一时间节点上相交时，说明两人相遇，记录该时间点，从而为事后侦察判断提供依据。一种基于物联网的室内老年人监护方法，该方法包括以下步骤：(1)安置音频信号采集装置。将n个(n≥4)音频信号采集装置置于房间的不同位置，所有音频信号采集装置不能够置于同一平面中，将装置底部紧贴于放置面，放置面必须平整以便声音能够很好的传递。(2)音频信号的采集与传输。打开音频信号采集装置，开始接受被监测者的音频信号，被观测者的行为或动作发出的音频信号经由空气、地面传播到音频信号采集装置，通过声音探头将采集的音频信息传递到驻极体电容传声器，驻极体电容传声器将音频信号转化为电信号，经过信号放大模块进行放大，经由第一通信模块发送到监护服务端。(3)声源定位。监护服务端的数据分析模块接收音频信号采集装置采集的音频信号，通过能量比定位方法对声源进行定位，从而实现老年人的室内监护。所述能量比定位方法利用不同位置音频信号采集装置采集信号的能量差异来估计声源的位置，具体如下：假设音频信号采集装置Xi在房间内的坐标为(xi,yi,zi)，声源S的坐标为(x,y,z)，根据能量随传播距离衰减的比例关系有表达式：令则故当r≠1时，整理可知上式为球面方程，圆心坐标C12(u,v,w)和半径R为：故根据四个音频信号采集装置的窗口能量比即可确定被监测者的三维空间位置。进一步地，所述步骤3声源定位之后，还包括步骤4对声源类型进行判断的步骤，具体如下：(4.1)对声源类型进行建模：通过音频信号采集装置采集室内各种发声情况的声源时域信号，基于傅里叶变换或小波变化方法得到声源信号的频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，最终建立各种发声情况与标准频率的声音模型；所述各种发声情况包括脚步声、跌倒声、叹息声、呼救声、物体碰撞声；(4.2)对声源类型进行判断：通过音频信号采集装置实时采集室内声源的时域信号，将时域信号转化为频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，将标准频率与声音模型相结合从而判断发声情况。例如：当体积较大或有缓冲的物体坠落时，则音频信号采集装置采集的声源信号频率偏低；当小物体或刚性类物体坠落时，对地面有快速冲击，此时音频信号采集装置采集的声源信号频率偏高；当易碎类物体坠落时，音频信号采集装置采集到高频信号，随后出现多声源点。进一步地，当数据分析模块判断声源的发声情况为紧急情况时，启动警报模块，发出报警声寻求附近人的帮助，同时监护服务端向监护者发送报警信息，达到及时监护的效果；所述紧急情况为老年人跌倒、呼救等紧急情况。进一步地，所述步骤4对声源类型进行判断之后，还包括脚步识别与路径绘制步骤，具体如下：当数据分析模块判断音频信号采集装置采集的发声情况为脚步声时，实时提取脚步声并存储在数据库中，根据数据库中的脚步声按时间顺序绘制老年人的行走路线；当数据分析模块识别出另外的脚步声时，对不同的脚步声进行定位及路径绘制，从而对进入室内的陌生人进行监控，保障老人安全；当两个路径在同一时间节点上相交时，说明两人相遇，记录该时间点，从而为事后侦察判断提供依据。进一步地，当音频信号采集装置数量超过四个时，可采用以下不同的方式确定声源的位置：a)任意选取四个音频信号采集装置，即共有种音频信号采集装置选择方法；求取每一种采集方法下的声源信号的空间位置，求取各空间位置的平均值，以此作为最终的声源信号的位置；b)任意选取四个音频信号采集装置，即共有种音频信号采集装置选择方法；求取每一种采集方法下的声源信号的空间位置，求取各空间位置的方均根，以此作为最终的声源信号的位置。本发明的有益效果是：1)通过对声源声波信号的采集、分析，利用能量比定位算法确定声源的具体位置，从而实现老年人的室内实时监护，利用本发明监护系统在达到室内监护目的的同时，有效的保护老年人的隐私不受侵犯。2)根据声源信号的能量和频率，判断出被监测者的位置和异常行为，从而进行危机情况的警报。本发明可以实时接受发送信号，可以将被监测者的信息实时反映给监护者，有效的实现了对老年人的远程监护，安全有效无辐射。3)依据声源判断、脚步定位和路径绘制，为老年人的监护和事后侦察判断提供依据。附图说明图1为基于物联网的室内老年人监护系统的结构框图；图2为音频信号采集装置的结构框图；图3为本发明系统的室内模型图；图4为室内声源定位效果图；图5为声源信号在时域和频域转换效果图；图6为声源信号频域上功率谱提取效果图；图中，1为麦克风模块；2为警报模块；3为控制单元；4为信号放大模块；5为第一通信模块；6为显示屏模块。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。如图1、2所示，本发明提供的一种基于物联网的室内老年人监护系统，该系统包括若干音频信号采集装置和监护服务端。所述音频信号采集装置包括箱体和置于箱体内的第一通信模块5、控制单元3、警报模块2和信号放大模块4；箱体的表面嵌有显示屏模块6和麦克风模块1；所述第一通信模块5、显示屏模块6和警报模块2均与控制单元3相连。麦克风模块1经信号放大模块4与控制单元3相连。如图2所示，所述麦克风模块1包括医用听诊头、橡胶软管、驻极体电容传声器和供电电路，医用听诊头固定于箱体的底部，紧贴于放置的桌面或者物体，与橡胶软管相连，橡胶软管另一头与驻极体电容传声器相连，供电电路为驻极体电容传声器提供电源；所述医用听诊头采集音频信息，经由橡胶软管将音频信息传递到驻极体电容传声器，驻极体电容传声器将音频信号转化为电信号，经过信号放大模块4进行放大，经由第一通信模块5发送到监护服务端。所述监护服务端包括第二通信模块和数据分析模块，所述第二通信模块与第一通信模块5进行无线通信，所述数据分析模块接收音频信号采集装置采集的音频信号，通过能量比定位方法对声源进行定位。所述能量比定位方法具体如下：在均匀介质中声波的球面传播符合能量衰减平方反比定律。假设第i个音频信号采集装置接收的信号xi(t)为：其中s(t)为声源信号，τ为传播延时，ξ(t)为加性高斯噪声，di为第i个音频信号采集装置到声源的距离。由于室内短距离传播时延较低，在时间窗口[0,W]内忽略时延，在信噪比较低时，如果忽略噪声项，音频信号采集装置接收的能量E为：可知在同时段内，不同音频信号采集装置接受的信号能量与其医用听诊头和声源的距离平方成反比。基于此结论，可以利用不同位置采集信号的能量差异来估计声源位置。假设音频信号采集装置Xi在房间内的坐标为(xi,yi,zi)，声源S的坐标为(x,y,z)，根据能量随传播距离衰减的比例关系有表达式：令则故当r≠1时，整理可知上式为球面方程，圆心坐标C12(u,v,w)和半径R为：故根据四个音频信号采集装置的窗口能量比即可确定被监测者的三维空间位置。如图4所示，在室内建立三维坐标，4个音频信号采集装置在该三维空间中坐标位置已知，基于能量比定位方法得到的声源空间位置与实际声源空间位置基本吻合。所述数据分析模块在定位之后，还包括对声源类型的判断，具体如下：a)对声源类型进行建模：通过音频信号采集装置采集室内各种发声情况的声源时域信号，如图5所示，基于傅里叶变换或小波变化方法得到声源信号的频域信息，可看出图5中时域信号波形主要由50HZ和300HZ的声波频率信号组成；提取出频率信息后，如图6所示，对声源信号在频域上分布曲线，根据海明窗功率谱估计或blackman功率谱估计可得到声源信号标准频率，最终建立各种发声情况与标准频率的声音模型；所述各种发声情况包括脚步声、跌倒声、叹息声、呼救声、物体碰撞声；b)对声源类型进行判断：通过音频信号采集装置实时采集室内声源的时域信号，将时域信号转化为频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，将标准频率与声音模型相结合从而判断发声情况。例如：当体积较大或有缓冲的物体坠落时，则音频信号采集装置采集的声源信号频率偏低；当小物体或刚性类物体坠落时，对地面有快速冲击，此时音频信号采集装置采集的声源信号频率偏高；当易碎类物体坠落时，音频信号采集装置采集到高频信号，随后出现多声源点。当数据分析模块判断声源的发声情况为紧急情况时，向音频信号采集装置发送信息，控制单元启动警报模块，发出报警声寻求附近人的帮助，同时监护服务端向监护者发送报警信息，达到及时监护的效果；所述紧急情况为老年人跌倒、呼救等紧急情况。如图3所示，所述数据分析模块在声源类型的判断后，还包括脚步识别与路径绘制，具体为：当数据分析模块判断音频信号采集装置采集的发声情况为脚步声时，实时提取脚步声并存储在数据库中，根据数据库中的脚步声按时间顺序绘制老年人的行走路线；当数据分析模块识别出另外的脚步声时，对不同的脚步声进行定位及路径绘制，从而对进入室内的陌生人进行监控，保障老人安全；当两个路径在同一时间节点上相交时，说明两人相遇，记录该时间点，从而为事后侦察判断提供依据。本发明还提供一种基于物联网的室内老年人监护方法，该方法包括以下步骤：(1)安置音频信号采集装置。将n个(n≥4)音频信号采集装置置于房间的不同位置，所有音频信号采集装置不能够置于同一平面中，放置面必须平整，将装置底部紧贴于放置面，以便声音能够很好的传递。(2)音频信号的采集与传输。打开音频信号采集装置，开始接受被监测者的音频信号，被观测者的行为或动作发出的音频信号经由空气、地面传播到音频信号采集装置，通过医用听诊头采集音频信息，经由橡胶软管将音频信息传递到驻极体电容传声器，驻极体电容传声器将音频信号转化为电信号，经过信号放大模块4进行放大，经由第一通信模块5发送到监护服务端。(3)声源定位。监护服务端的数据分析模块接收音频信号采集装置采集的音频信号，通过能量比定位方法对声源进行定位。所述能量比定位方法具体如下：在均匀介质中声波的球面传播符合能量衰减平方反比定律。假设第i个音频信号采集装置接收的信号xi(t)为：其中s(t)为声源信号，τ为传播延时，ξ(t)为加性高斯噪声，di为第i个音频信号采集装置到声源的距离。由于室内短距离传播时延较低，在时间窗口[0,W]内忽略时延，在信噪比较低时，如果忽略噪声项，音频信号采集装置接收的能量E为：可知在同时段内，不同音频信号采集装置接受的信号能量与其医用听诊头和声源的距离平方成反比。基于此结论，可以利用不同位置采集信号的能量差异来估计声源位置。假设音频信号采集装置Xi在房间内的坐标为(xi,yi,zi)，声源S的坐标为(x,y,z)，根据能量随传播距离衰减的比例关系有表达式：令则故当r≠1时，整理可知上式为球面方程，圆心坐标C12(u,v,w)和半径R为：故根据四个音频信号采集装置的窗口能量比即可确定被监测者的三维空间位置。当音频信号采集装置数量超过四个时，可采用以下不同的方式确定声源的位置：a)任意选取四个音频信号采集装置，即共有种音频信号采集装置选择方法；求取每一种采集方法下的声源信号的空间位置，求取各空间位置的平均值，以此作为最终的声源信号的位置；b)任意选取四个音频信号采集装置，即共有种音频信号采集装置选择方法；求取每一种采集方法下的声源信号的空间位置，求取各空间位置的方均根，以此作为最终的声源信号的位置。如图4所示，在室内建立三维坐标，4个音频信号采集装置在该三维空间中坐标位置已知，基于能量比定位方法得到的声源空间位置与实际声源空间位置基本吻合。(4)声源类型判断。具体如下：(4.1)对声源类型进行建模：通过音频信号采集装置采集室内各种发声情况的声源时域信号，基于傅里叶变换或小波变化方法得到声源信号的频域信息，根据声源信号不同频率下的功率谱密度大小得到该声源信号标准频率，最终建立各种发声情况与标准频率的声音模型；所述各种发声情况包括脚步声、跌倒声、叹息声、呼救声、物体碰撞声；(4.2)对声源类型进行判断：通过音频信号采集装置实时采集室内声源的时域信号，如图5所示，将时域信号转化为频域信息，可看出图5中时域信号波形主要由50HZ和300HZ的声波频率信号组成；提取出频率信息后，如图6所示，对声源信号在频域上分布曲线，根据海明窗功率谱估计或blackman功率谱估计可得到声源信号标准频率，将标准频率与声音模型相结合从而判断发声情况。例如：当体积较大或有缓冲的物体坠落时，则音频信号采集装置采集的声源信号频率偏低；当小物体或刚性类物体坠落时，对地面有快速冲击，此时音频信号采集装置采集的声源信号频率偏高；当易碎类物体坠落时，音频信号采集装置采集到高频信号，随后出现多声源点。结合房间模型，分析声源具体属于哪类物品，并在监护服务端上显示物体类型、发声原因；如若声源是语音信号，可以识别老人发出的信息，如呼救、叹气等信息，通过监护服务端实时显示。当数据分析模块判断声源的发声情况为紧急情况时，启动警报模块，发出报警声寻求附近人的帮助，同时监护服务端向监护者发送报警信息，达到及时监护的效果；(5)脚步识别与路径绘制。当数据分析模块判断音频信号采集装置采集的发声情况为脚步声时，如图3所示，实时提取脚步声并存储在数据库中，根据数据库中的脚步声按时间顺序绘制老年人的行走路线；当数据分析模块识别出另外的脚步声时，对不同的脚步声进行定位及路径绘制，从而对进入室内的陌生人进行监控，保障老人安全；当两个路径在同一时间节点上相交时，说明两人相遇，记录该时间点，从而为事后侦察判断提供依据。