智能终端以及用其进行人体位置识别和跌倒检测的方法与流程

本发明涉及定位和跌倒检测技术，更具体地，涉及一种智能终端以及用其进行人体位置识别和跌倒检测的方法。

背景技术：

近年来，在室内环境中进行人体位置定位的技术和家庭安防系统越来越流行。目前市场上现有的人体识别和定位大多通过摄像头技术来捕获图像和视频，这种方案精度不高导致识别效果不好，计算复杂度高，而且私密性也是一个很大的问题；或者通过无源的多组红外传感器来实现，需要人体佩戴多个传感器，这种方案技术复杂，应用和部署的成本高。

同时，全球老龄化问题日益凸显，老年人在身体平衡与协调机能方面都有退化，所以经常会有老年人在家里跌倒，跌倒以后老年人无法自行站立，往往会出现昏迷受伤的情况，甚至是致命的。跌倒会严重的影响老年人的身体健康和独立生活能力，并且对老年人的心理也会造成压力和恐惧。每年老年人由于跌倒而导致的问题越来越严重，社会对于老年人跌倒检测的需求也变得越来越迫切。

为了能够发现跌倒情况，及时对老年人提供帮助和救助，在跌倒检测与防护方面已经存在一些产品。在现有技术中，对人体跌倒检测的产品，大多数是需要人体佩戴传感器，采用加速度计传感器来采集人体的某个部位的运动姿态信息，通过单片机等微控制器采用运动姿态信息的算法分析来判断老年人是否跌倒。佩戴传感器，会增加用户的成本；长时间佩戴传感器，会影响舒适程度，同时在某些场合下，比如洗澡，要求佩戴传感器是不可行的。

技术实现要素：

为克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种智能终端以及用其进行人体位置识别和跌倒检测的方法，使得人体不需要佩戴任何的传感器，其通过身体反射电磁波，进行信号的处理和分析，得出人体的位置变化，进而判断是否跌倒。

本发明提供一种智能终端，其利用电磁波进行人体位置识别，其特征在于，所述智能终端包括发送模块，接收模块，FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave，调频连续波)模块，信号处理模块和位置定位模块，其中，

所述发送模块用于发送电磁波；

所述接收模块用于接收反射电磁波，并将所述反射电磁波送到所述信号处理模块与所述FMCW模块；

所述FMCW模块用于计算电磁波的传输时间，并将该传输时间传递给所述位置定位模块；

所述信号处理模块用于对所述反射电磁波进行处理，生成处理结果，并将所述处理结果传给所述位置定位模块；

所述位置定位模块用于进行人体位置的识别，生成定位信息。

具体地，所述发送模块包括一个发送单元，所述接收模块包括两个或三个接收单元，用于接收反射电磁波。

进一步地，所述智能终端还包括跌倒检测模块，其接收所述位置定位模块的定位信息，进行跌倒检测，生成跌倒检测信息。

更进一步地，所述智能终端还包括管理接口API CGI(Application Programming Interface，应用程序编程接口；Common Gateway Interface通用网关接口)模块和通知模块，所述管理接口API CGI模块与互联网相连，用于进行本地或者远程管理所述智能终端；所述通知模块中设置有联系人，通过所述管理接口API CGI模块将所述位置定位模块的定位信息和/或所述跌倒检测模块的跌倒检测信息发送给所述联系人。

本发明提供一种使用上述智能终端进行人体位置识别的方法，所述方法包括以下步骤：

所述发送模块发送电磁波，所述电磁波到达人体，经人体反射；

所述接收模块接收反射电磁波，并将所述反射电磁波送到所述信号处理模块；

所述FMCW模块计算电磁波的传输时间，并将该传输时间传递给所述位置定位模块；

所述信号处理模块对所述反射电磁波进行信号处理，生成处理结果，并将所述处理结果传给所述位置定位模块；

所述位置定位模块进行人体位置的识别，生成定位信息。

具体地，所述信号处理模块进行背景噪音处理，包括去除噪音和过滤电磁波。

更具体地，所述信号处理模块根据构建的椭圆模型得到人体的二维空间坐标(x,y)；优选地，所述信号处理模块根据构建的椭球模型得到人体的三维空间坐标(x,y,z)。

本发明提供一种使用上述智能终端进行人体位置识别和跌倒检测的方法，该方法包括以下步骤：

所述发送模块发送电磁波，所述电磁波到达人体，经人体反射；

所述接收模块接收反射电磁波，并将所述反射电磁波送到所述信号处理模块；

所述FMCW模块计算电磁波的传输时间，并将该传输时间传递给所述位置定位模块；

所述信号处理模块对所述反射电磁波进行信号处理，生成处理结果，并将所述处理结果传给所述位置定位模块；

所述位置定位模块进行人体位置的识别，生成人体的三维空间坐标(x,y,z)。

所述跌倒检测模块接收所述位置定位模块的三维空间坐标(x,y,z)，进行跌倒检测，生成跌倒检测信息。

具体地，所述跌倒检测模块利用所述三维空间坐标，通过对z轴模型的构建来判断人体是否跌倒。

更进一步地，上述方法包括以下步骤：

通过所述管理接口API CGI模块将所述位置定位模块的定位信息和/或所述跌倒检测模块的跌倒检测信息发送给所述联系人。

本发明通过身体反射电磁波，进行人体位置识别和跌倒检测，人体不需要佩戴任何的传感器，其通过身体反射电磁波，进行信号的处理和分析，得出人体的位置变化，进而判断是否跌倒。本发明可用于家庭安全。具体而言，因为它可以通过人体反射无线电进行人体位置的识别，所以它可以知道是否有入侵者进入家庭，其可以和安全系统一起集成，自动发送警报信息。此外，在医疗保健行业，系统可以跟踪病人的情况。例如，病人在他们的房间和浴室跌倒，探测他们何时跌倒是非常重要的。再者，该发明的人体跌倒检测的技术，可以用于家庭健康领域，针对老年人容易跌倒的社会问题，采用无任何穿戴设备的跌倒检测技术，对老年人跌倒进行自动呼救提供帮助。

附图说明

图1是本发明的智能终端的结构示意图。

图2是本发明的FMCW模块的工作原理示意图。

图3是本发明的人体位置的二维空间坐标示意图。

图4是本发明的人体位置的三维空间坐标示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

如图1所示，本发明所述的智能终端，包含FMCW模块101、发送模块102，接收模块103、信号处理模块104，位置定位模块105，跌倒检测模块106，管理接口API CGI模块110和通知模块107。

所述发送模块102发送电磁波，所述电磁波到达人体，经人体反射。所述接收模块103接收反射电磁波，并将所述反射电磁波送到所述信号处理模块104。所述FMCW模块101计算电磁波的传输时间，并将该传输时间传递给所述位置定位模块105。所述信号处理模块104对所述反射电磁波进行信号处理，生成处理结果，并将所述处理结果传给所述位置定位模块105。所述位置定位模块105进行人体位置的识别，生成定位信息。

进一步地，所述跌倒检测模块106接收所述位置定位模块105的定位信息，进行跌倒检测，生成跌倒检测信息。

更进一步地，所述通知模块107通过所述管理接口API CGI模块110将所述位置定位模块105的定位信息和/或所述跌倒检测模块106的跌倒检测信息发送给所述联系人。

具体地，发送模块102进行电磁波的发送，接收模块103进行电磁波的接收，其中发送模块102与接收模块103可分别包括发送单元和接收单元。

如图2所示，FMCW模块101通过调频连续波FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)的技术，利用发送电磁波和接收电磁波的频率差别，得到电磁波的传送时间ToF(Time of Flight)。

信号处理模块104进行信号的背景噪音的处理，包括去除静态物体反射信号。电磁波在发送和接收的过程中，不仅遇到人体会产生反射，而且遇到静态物体也会产生反射，比如墙，桌子，沙发，家具等。由于电磁波在发送和接收的过程中，静态物体的反射信号，相对人体的反射信号，会强很多，所以我们必须将静态物体的反射清除掉，才能得到人体的反射信号。由于静态物体的位置不会随着时间的变化而变化，所以静态物体反射对信号的频率位移相对于时间变量是一个不变的值。在本发明的信号处理模块104中，通过对相邻扫描周期里的信号进行傅立叶变换，从而删除静态物体引入的反射信号。

清除对于静态物体的反射，还可以使用两个射频发射机，分别发射两组同样频率但是波形相反的电磁波出去，电磁波碰到障碍物会反射折射衰减，最后碰到运动的人体时会反射回接收模块103。由于静态的墙体和障碍物对电磁波反射衰减的特性是一样的，所以两个电磁波的反射信号可以相互抵消，只留下碰到运动人体后的反射部分，这样就可以分辨出运动的物体，提高监测分辨率。

此外，在实际情况中，有的电磁波经过人体反射直接到达接收模块103，有的电磁波经过人体反射，还会再次被环境中的其他物体反射，我们将此信号称为动态物体反射信号。该动态物体反射信号相比于通过人体反射直接到达接收装置2的信号经历的路径最长，频率位移最大，而通过人体反射直接到达接收装置2的信号经历的路径最短，频率位移是最小。通过多次上述静态物体反射的处理后，可以记录剩下的最强反射信号的最下面的边缘，从而得到经过最短路径的反射，达到了删除动态物体引入的反射信号的目的。

为了提高识别的精度，信号处理模块104还需要做如下的处理：

去除噪音：在实际的人体运行中，速度一般在2m/s，所以在很短的时间里，移动的距离也是非常短的。如果遇到在短时间内，距离出现很大幅度的变化，是不合理的，应该属于噪音，需要去掉这些噪音的影响。

过滤：人体的运行是连续的，所以经过人体反射以后的信号到达接收模块103，计算得到的距离变化也应该是随时间平稳变化的。

然后将经过信号处理模块104处理过的信号传入位置定位模块105，通过FMCW模块101，可以得到电磁波经过的距离d，如公式(1)所示：

d＝d1+d2 (1)，

其中，d1为发送单元到人体的距离，d2为人体到接收单元的距离。

如图3所示，在二维空间里，根据椭圆的定义，人体的轨迹相当于在以发送单元和接收单元天线为焦点，到焦点距离之和为d的椭圆形边界上。如果我们使用一个发送单元和两个接收单元，将会得到2个椭圆形的轨迹。第一个椭圆形的轨迹是以发送单元和第一个接收单元为焦点，距离为d的椭圆形；第二个椭圆形的轨迹以发送单元和第二个接收单元为焦点，距离为d的椭圆形。由于人体的轨迹需要同时满足上面的2个椭圆形轨迹的要求，所以它们相交的点将可能是人体的位置。

如图3所示，2个椭圆形轨迹将会有2个相交的点，p1和p2。由于我们使用的发送单元和接收单元是有方向的，所以只会在其中的一个方向上是合理的，从而定位到具体的相交点，假设为p1。P1点的位置，包含x和y轴的相应信息，从而得到了人体的二维空间坐标(x,y)。

如图4所示，优选地，人体的轨迹相当于以发送单元和接收单元为焦点，到焦点距离之和为d的椭球体。此时如果使用一个发送单元和两个接收单元，将会得到2个椭球交汇的地方，结果是一条弧，无法定位人体的具体轨迹。因此，我们使用一个发送单元和三个接收单元，3个椭球交汇，将会得到一个点，从而得到人体的三维空间坐标(x,y,z)。

电磁波的速度是光速C。电磁波到达人体，经过反射后，到达接收装置2，利用公式：距离＝速度C×时间，可以得到电磁波经过的距离d，其中，FMCW模块101根据发送信号和接收信号的频率的差别，可以得到来回的往返时间ToF(Time of Flight)。通过时间ToF，进而得到电磁波经过的距离d。

在三维坐标里，假设人体的反射点位置为(x，y，z)，发送单元的位置为(xs，ys，zs)，接收单元的位置为(xr，yr，zr)。

发射信号到达反射点，经过反射点反射后到达接收点，电磁波经过的距离d如公式(2)所示：

如图2所示，在本发明中，使用FMCW方式来得到时间ToF。FMCW通过发送模块102向外发送一列线性调频连续波，并接收人体的反射信号。发射波的频率随时间按调制电压的规律变化。发射波与反射波的形状相同，只是在时间上有一个延迟△t，延迟△t即为时间ToF，如公式(3)所示：

△t＝2d/C (3)，

其中，△t：发射波与反射波的时间延迟；d：电磁波经过的距离；C：光速，C＝3×10⁸m/s。

如图2所示，发射信号与反射信号的频率差为混频输出中频信号频率△f，延迟时间△t与频率△f的关系如公式(4)所示：

△t/△f＝T/2B (4)，

其中，△f：发射信号与反射信号的频率差；T：调制信号周期；B：调制带宽。

通过公式(3)和公式(4)，得到公式(5)。

d＝CT*△f/4B (5)。

最后，结合公式(2)和(5)，得到椭球的公式(6)：

3个椭球交汇，将会得到一个点，从而得到人体的三维空间坐标(x,y,z)。

通过上述的几何建模以后，得到人体的二维和三维空间坐标。利用三维空间坐标值，可以通过跌倒检测模块106，通过对z轴模型的构建来判断人体是否跌倒。

人体跌倒的时候，会具有下面的特点。

(a)人体的z轴坐标应该尽量接近水平面。

(b)人体的z轴在很短的时间内有一个很大的下降跳跃。

只有同时达到上述两个条件，才会认为是人体跌倒。如果只满足第一个条件，而不满足第二个条件，有可能是人体坐在地面上；如果只满足第二个条件，而不满足第一个条件，有可能是人体坐在座位上。

最后，通知模块107通过所述管理接口API CGI模块110将所述位置定位模块105的定位信息和/或所述跌倒检测模块106的跌倒检测信息发送给所述联系人。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。