基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)研制*

葉廷東 黃曉紅 彭選榮 冼廣淋

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基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)研制*

葉廷東 黃曉紅 彭選榮 冼廣淋

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

針對病弱群體的健康監(jiān)護和家居控制需求，提出一種基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)。介紹該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，包括生理信號傳感及處理單元、紅外3D信號傳感及處理單元、微處理器及藍牙通信模塊；重點介紹微弱信號檢測、基于小波多尺度的信號去噪處理和紅外3D手勢識別等關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)可與家庭無線通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實現(xiàn)生理信息的云端監(jiān)測和3D手勢識別，滿足智能家居的應(yīng)用需求。

3D傳感；智能監(jiān)護；手勢識別；信號處理

0　引言

隨著我國經(jīng)濟、衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展，以及人口老齡化加速和保健意識增強等社會因素的影響，人們對醫(yī)學(xué)模式的認知也發(fā)生轉(zhuǎn)變。醫(yī)療衛(wèi)生需求逐步從傳統(tǒng)的以醫(yī)院為中心的疾病預(yù)防、診斷和治療服務(wù)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰颊邽橹行牡娜轿恢悄茚t(yī)療服務(wù)?？纱┐魇结t(yī)療儀器成為新醫(yī)療模式下重要的健康監(jiān)護、診斷和保健設(shè)備，其廣泛應(yīng)用將推動我國遠程醫(yī)療、家庭保健醫(yī)療和個人健康監(jiān)護等系統(tǒng)的發(fā)展[1-2]。

在智能醫(yī)療服務(wù)中，健康監(jiān)護系統(tǒng)是可穿戴研究領(lǐng)域的重點之一。通過健康監(jiān)護系統(tǒng)能夠盡早發(fā)現(xiàn)使用者的身體健康數(shù)據(jù)異常，尤其對病弱、老年群體，可免除其在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦，保障生活質(zhì)量。隨著嵌入式技術(shù)、MEMS技術(shù)、無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，健康監(jiān)護系統(tǒng)也快速發(fā)展，尤其是傳感器技術(shù)和各種芯片的微型化與網(wǎng)絡(luò)化，使穿戴式生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)有了長足的進步[3-4]?？紤]到智能家居、康復(fù)訓(xùn)練的需要，本文基于3D傳感技術(shù)設(shè)計一種綜合3D手勢識別技術(shù)的智能監(jiān)護系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)結(jié)合了智能手環(huán)的健康監(jiān)測功能和體感控制器的3D手勢識別功能，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　 基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

其中3D傳感裝置采用低功耗腕帶式設(shè)計方案，集成紅外3D傳感單元、生理信號傳感單元、生理信號處理單元、紅外3D傳感信號處理單元、微處理器及藍牙通信模塊。3D傳感裝置通過藍牙通信模塊與家庭無線通信網(wǎng)絡(luò)連接，可將生理監(jiān)測信息、手勢信息存儲到云端服務(wù)器；通過認證加密技術(shù)和云端監(jiān)測軟件，由手機或電腦瀏覽器實現(xiàn)遠程監(jiān)測；通過藍牙通信也可將手勢信息傳遞到終端控制器，使系統(tǒng)通過手勢實現(xiàn)趣味游戲式的手部康復(fù)練習(xí)以及家居控制等。本智能監(jiān)護系統(tǒng)與智能手環(huán)相比，具有3D手勢識別、康復(fù)練習(xí)及家居控制功能；與體感控制器相比，具有可移動穿戴性。該系統(tǒng)研制的關(guān)鍵在于微弱生理傳感信號獲取與處理、紅外3D手勢識別技術(shù)等。

2　關(guān)鍵技術(shù)研究

基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)有心率、體溫、運動量、跌倒和睡眠等，同時利用紅外傳感信號實現(xiàn)全天候3D手勢識別。由于部分傳感器會受到環(huán)境因素的影響，如紅外信號易受周圍環(huán)境光以及溫度的影響，產(chǎn)生的無用信號耦合到紅外傳感器的輸出信號[5-7]。為此，本文設(shè)計的基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)監(jiān)測部分硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其中傳感單元模塊包括生理運動監(jiān)測傳感器、紅外3D傳感器和環(huán)境傳感器；具體的傳感器主要有心率傳感器、溫度傳感器、3D加速度傳感器、環(huán)境光傳感器和紅外3D傳感器模塊等。信號檢測、放大與調(diào)理單元，可實現(xiàn)微弱生理傳感信號、紅外信號的檢測、放大與調(diào)理，以便后續(xù)的信號處理單元進行處理。

圖2 基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)監(jiān)測硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1　微弱信號的檢測

基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)的一個關(guān)鍵步驟是微弱信號檢測，其易受環(huán)境溫度影響，在信號的檢測過程中通常需要進行溫度補償[8]。本文采用的檢測放大電路如圖3所示，該電路采用3個電阻1，2，3和檢測傳感器R_D（其阻值為d）組成橋路，其中熱敏電阻3用于實現(xiàn)溫度補償，3的配對阻值與檢測傳感器無目標信號時的阻值一致。圖3中的檢測電路差分后的輸出值就是目標信號的電壓值[9]。

圖3 　檢測放大電路圖

檢測放大電路中的放大元件采用儀用差分放大器INA103，該元件可實現(xiàn)高增益、高精度和低噪聲信號放大。檢測放大電路的噪聲在運放輸入端表現(xiàn)為共模信號，INA103具有較強的抑制能力，兩路對稱的噪聲基本相互抵消，使輸入到放大器中的等效噪聲較小。另外，為使檢測傳感器能夠穩(wěn)定工作，電路提供了一個高精度的穩(wěn)壓源w。

其中，A為電路放大倍數(shù)。

根據(jù)差分放大器INA103的等效輸入電壓噪聲譜密度：

2.2 　基于小波多尺度的去噪方法

基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)獲得檢測電路的信號后，需對微弱信號進行去噪處理，以便獲得準確的檢測信息。設(shè)傳感信息的模型為

其中，為傳感系統(tǒng)輸入；為其相應(yīng)輸出。

根據(jù)多尺度理論，隨著尺度的增大，信號所對應(yīng)的小波變換幅值也增大，而噪聲所對應(yīng)的小波變換幅值則減小[11]。因此，對傳感信號連續(xù)做若干次小波變換后，由噪聲對應(yīng)的小波變換系數(shù)幅值變得很小，可通過閾值方法去除。在小波域中，有用信號會呈現(xiàn)較大的小波轉(zhuǎn)換系數(shù)（平滑信息），而較小的小波轉(zhuǎn)換系數(shù)（細節(jié)信息）則更多是由噪聲和信號能量的突變產(chǎn)生，因此通過設(shè)置閾值規(guī)則對細節(jié)信息進行處理，可除去信號中絕大部分噪聲。

為盡量減少通用閾值去噪引起的信號失真，本文采用如下改進的閾值函數(shù)[12-13]：

根據(jù)上述的閾值處理函數(shù)，設(shè)計閾值處理算法，具體實現(xiàn)過程為：

2.3　紅外3D手勢識別

利用紅外測距傳感器組成的3D手勢識別陣列如圖4所示。系統(tǒng)電路獲取紅外傳感信號后，在對紅外傳感信號標定的基礎(chǔ)上，根據(jù)傳感信息，經(jīng)過分析和計算，可實現(xiàn)對手部姿態(tài)和位置變化等檢測識別。

圖4中，4個紅外傳感器分布在正方形的4個角上，三維參考坐標的原點在正方形中心，歸一化4個傳感器的坐標分別為1(?1,1,0)，2(1,1,0)，3(1,?1,0)，4(?1,?1,0)。假設(shè)手進入識別區(qū)的坐標為(,,)，則可計算出手與各紅外傳感器間的距離為

當(dāng)手進入紅外測距傳感器陣列的有效監(jiān)測范圍時，根據(jù)檢測手與紅外傳感器的距離，即可計算出手的坐標為

系統(tǒng)檢測時，手部的動作變化可根據(jù)手運動前后的坐標來判斷。

3　系統(tǒng)開發(fā)

基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)采用MTK平臺開發(fā)。MTK2502可支持藍牙3.0和藍牙4.0，兼容雙系統(tǒng)，支持SIM卡，具有心率測試等功能，適用于可穿戴系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)的Web和手機監(jiān)測界面，如圖5所示。為實現(xiàn)基于手勢的康復(fù)訓(xùn)練（如手部功能或某些腦功能的康復(fù)），實現(xiàn)更精細的3D手勢識別（如圖6所示），系統(tǒng)的游戲訓(xùn)練模塊采用Leap motion三維3D手勢傳感器實現(xiàn)。

圖5　智能監(jiān)護系統(tǒng)界面

圖6　3D手勢游戲手勢說明

由圖5和圖6可知，智能監(jiān)護系統(tǒng)具有如下功能：

1）實時監(jiān)測生理參數(shù)，采集心率、體溫等參數(shù)進行特征提取，得到監(jiān)護人基本生理狀態(tài)，同時結(jié)合3D加速度傳感器，實現(xiàn)運動量、睡眠與跌倒監(jiān)測，所有狀態(tài)參數(shù)都可通過家庭網(wǎng)絡(luò)傳給運動服務(wù)器；

2）具有多界面監(jiān)測功能，為方便移動監(jiān)測，開發(fā)了移動端APP和Web端監(jiān)護，在實現(xiàn)監(jiān)護的同時，可利用電腦進行康復(fù)游戲訓(xùn)練；

3）具有3D手勢識別與訓(xùn)練功能，3D手勢有2部分：一部分用于家居控制，由4個紅外傳感器組成；另一部分用于康復(fù)游戲，由Leap motion組成，可以左右手同時實現(xiàn)16種手指和腕部運動，能滿足手部功能或者某些腦功能康復(fù)的需要。

4　結(jié)論

可穿戴監(jiān)護系統(tǒng)的發(fā)展，實現(xiàn)了個性化的人體健康數(shù)據(jù)采集、分析與處理，可為遠程醫(yī)療提供保障，改善醫(yī)患關(guān)系，促進社會和諧。

基于3D傳感的智能監(jiān)護系統(tǒng)在實現(xiàn)人體生理狀態(tài)、運動狀態(tài)監(jiān)測的同時，可進行3D手勢識別，進而實現(xiàn)手部游戲康復(fù)訓(xùn)練。系統(tǒng)適用于家庭、社區(qū)醫(yī)院、康復(fù)中心等醫(yī)療機構(gòu)，適應(yīng)智能醫(yī)療發(fā)展的需要。

[1] 孟濬,張賢華,顏文俊.基于智能手機傳感網(wǎng)的室內(nèi)老年監(jiān)護系統(tǒng)平臺[J].計算機應(yīng)用研究,2017,34(4):1084-1088,1096.

[2] 王暢,孫福明,李漾.基于物聯(lián)網(wǎng)的多算法智能監(jiān)護系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(11):7-10.

[3] 張成,禹素萍,許武軍,等.一種基于Android 終端的多生理參數(shù)家庭健康監(jiān)護系統(tǒng)[J].微型機與應(yīng)用,2015,34(20): 80-82,86.

[4] 劉影,王宛,王智霖,等.基于云平臺的智能醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2017(12):74-76,79.

[5] Nabers Andreas, Ollesch Julian, Schartner Jonas, et al. An infrared sensor analysing label-free the secondary structure of the Abeta peptide in presence of complex fluids[J].Journal of Biophotonics, 2016 , 9 (3) :224-234.

[6] Reuter D C，Richardson C M, Pellerano F A, et al. The thermal infrared sensor (TIRS) on Landsat 8: design overview and pre-launch characterization[J].Remote Sensing, 2015,7(1): 1135-1153.

[7] Kumar S, Marks T K, Jones M. Improving person tracking using an inexpensive thermal infrared sensor[C].Computer Vision & Pattern Recognition Workshops, 2014:217-224.

[8] 李遠明,陳文濤.微弱光信號前置放大電路設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用,2007,9(8):51-53.

[9] 陳杜,徐秀芳,劉銀年.四象限紅外探測器信號處理系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2006,6(5):611-615.

[10] Li Xiaoli, Yao Xin. Multi-scale statistical process monitoring in machining[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2005,52(3):924-927.

[11] 楊春玲,戴景民,叢大成,等.基于小波變換的中紅外多波長輻射測溫的信號處理[J].紅外技術(shù),2002,24(2):49-52,56.

[12] 張維強,宋國鄉(xiāng).基于一種新的閾值函數(shù)的小波域信號去噪[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報,2004,31(2):296-299,303.

[13] 胡長流.基于多閾值處理的信號多尺度估計算法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2001,36(1):80-83.

Development of Intelligent Monitoring System Based on 3D Sensor

Ye Tingdong Huang Xiaohong Peng Xuanrong Xuan Guanglin

(Guangdong Industry Polytechnic)

Aiming at the health monitoring and home control needs of the sick and weak groups, an intelligent monitoring system based on 3D sensor is proposed in the paper. The paper introduces the overall structure design of the system, which integrates physiological signal sensing unit and signal processing unit, infrared 3D gesture sensing unit, microprocessor and Bluetooth communication module. It focuses on the key technologies of weak signal detection, signal denoising based on multi-scale wavelet transform and infrared 3D gesture recognition technology. The system can be interconnected with home wireless communication network. It can realize cloud monitoring of physiological information and 3D gesture recognition, and can meet the application needs of smart home.

3D Sensing; Intelligent Monitoring; Gesture Recognition; Signal Processing

葉廷東，男，1976年生，博士，教授，主要研究方向：智能傳感與現(xiàn)代檢測技術(shù)。E-mail: yuetd@163.com

黃曉紅，女，1968年生，碩士，教授，主要研究方向：自動化裝置與檢測技術(shù)。E-mail:33209011@qq.com

基金項目：廣東省科技計劃項目（2015A020214025, 2015A070710030）；廣東省“千百十工程”人才資助項目（RC2016-005）；廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項（201604020049）；廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院項目（KJPY2018-002）。