基于姿态识别与K—means算法的老年人安全伴侣

陈唯关　李晶　丑佳文　刘夏平

摘要：基于姿态识别与K-means聚类算法的老年人安全伴侣应用是一款为老人设计，采用加速度传感器采集数据，检测老人是否摔倒而及时发出预警信号的软件检测系统。在特制移动终端上使用TMD2771X传感器检测物体距离，对夜视或视力不佳的人与老年人具有极佳的帮助，除此以外，安全伴侣还集成了心率监测，智能定位等贴心功能，弥补了传统设备不足的同时，开创性的实现了以往未有的效果。

关键词：红外距离传感器；模式识别；老年人安全；心率检测

0引言

人口老龄化问题日益严重，关注老年人生活成了目前人们最为关注的问题。基于姿态识别与K-means聚类算法的老年人安全伴侣应用便应运而生，该应用在特制的具有TMD2771X传感器的移动终端上可实现检测物体距离，对夜视或视力不佳的人与老年人具有极佳的帮助。在智能手表的定制版上，可检测血压、心率。在老人跌倒的问题上，可以在老人跌倒的同时，调用声音播放功能，向周围发出求救信号，同时给老人的亲人发送求救短信，并且拨通设定的亲情号码，连接老人与亲人间的通信，同时对老人所处的环境进行GPS定位，以便亲人及时知道老人所在。另可通过手动触发按键，选择误吸、窒息、压疮、烫伤、冻伤等老年人高频出现的危机，获取解决方案及贴心功能。

1老年人安全伴侣的五大核心技术

1.1老年人安全伴侣中的定位模式选择

常见的定位方式有两种：GPS卫星定位和基站定位。GPS卫星定位是以人造卫星作为基准点，向其发射无线电导航信号后，利用接收机接收信号，并通过解码获得卫星到接收机的距离。通过三维坐标中的距离公式组成3个方程式，从而接触观测点的位置。除此以外，还需引入第四颗卫星，产生4个方程式，用来求解观测点的经纬度和高程。基站定位是利用电信移动等运营商的基站来获取用户的位置，采用三角公式估计算法计算位置。其精准度会受到基站的数量情况影响。基站定位的优点是覆盖率高，但缺点是误差较大。由于老年人安全伴侣主要针对的是老年人群体，出于耗能性的考虑，定位方式选择了GPS定位。

1.2K-means聚类算法对老年人安全伴侣的定位核心优化

K-means聚类算法因为思想简单，算法简洁，收敛性好等特点，适合用于最小距离的对象划分。因此，在科研和商业领域都有着重要的应用。传统的K-means聚类算法将k个对象分为n个簇，取每个簇中的数值作为每个簇之间的距离，通过簇内元素相似度最高的原理，不断迭代运算，赋值到最近的簇，使得函数逐渐收敛到最优。但该算法存在缺陷，容易得到局部最优解，而非全局最优解。基于姿态识别与K-means聚类算法的老年人安全伴侣使用的是针对定位功能而改进的K-means聚类算法，在百度地图的各种坐标体系下，提出一种改进的基于网格的K-means算法，用新的方法确定k值以及K个初始质心，形似数学的无限趋近思想，由于百度地图的实现原理，决定了可以将百度地图看似是由若干个图块构成，百度地图的每一个级别缩放，会将一个图块再次分成若干个图块，最后无限趋近于最优解。相对于传统的Kmeans算法，该算法在一定程度上减少了因采用误差平方和准则函数而出现较大的聚类簇分割开的情况，仿真实验结果表明：改进后的K-means算法优于原始算法，并且稳定性更好，更多还原。

1.3心率监测在老年人安全伴侣中的实现

心率监测技术在智能手表上应用是现今的一个热门技术，现市面上心率监测手表有两种类型，一种是利用了光反射测量原理，另一种则是利用电势测量原理。光反射测量原理是利用了单波长光直射到接收组织后的反射光信号来测量组织容积在心脏脉搏波信号，通过检测峰值来获得心率。由于人的心脏跳动和脉搏跳动具有联动的关系，测试脉搏跳动频率即可获得心率值，而脉搏的跳动情况，会影响组织面积的波动情况，从而影响单波光长的直射距离。因此通过检测单波光长直射距离变化所产生的数值，使用截取峰值的方法，可求得心脏的搏动次数，即心率。但其容易受到干扰，如人体生长的毛发干扰。电势测量原理则是将带手表的手腕作为一极，而任一个手指或手掌觸摸在传感电极位置作为另一极，采集两极反应后的数据，通过滤波放大等处理，经过神念科技的专利算法处理后，将16位高精度ADC模拟信号转化成数字信号，通过获取计算后的电极测量检测峰值来获得心率值。由于神念科技的心电芯片仅3*3 mm，可嵌入于现市面上的常见智能产品，满足如：智能手环、智能手表、智能项链等主流产品的需求，而老年人安全伴侣主要针对的是老年人群体，出于耗能性的考虑，选择了功耗更低，干扰性更小，适用范围更广的电势测量技术。

1.4姿态识别在老年人安全伴侣中的应用

姿态识别技术是近几年来非常火热的研究方向。主流的姿态识别方法有两种，一种是基于图像分析的人体姿态识别模式，另一种则是使用加速度传感器进行数据采集分析的姿态识别模式。前者主要应用于视频监控领域，其多数使用场景均为固定场景，固定范围，可携带性不高，后者则是以加速度传感器的X、Y、Z方向的三轴加速度传感器所构成的动态空间模型进行数据的采集、分析处理。其精准度极高，可携带性极大，更适用于个体测试使用。老年人安全伴侣选择了后者开发使用。在老年人安全伴侣的姿态识别应用中，首先对X、Y、Z方向的三轴加速度传感器采集的数据进行预处理（去噪），再通过加速度数值方向分量校正、加窗、小波分解、特征值提取融合，得到特征值，并根据特征选择搜索特征子集，经过学习算法中选择出好的特征子集，放入SVM分类器，最后识别出结果。其中出现不好的特征子集，程序会重新返回到特征选择搜索模块，特征评价模块对特征选择搜索模块做出特征值的性能评价，学习算法则运用数学上的思想，类似于二分法，不断的向特征评价提出“假设”，通过不断的迭代运算，使得结果越来越逼近于最优解。在特征提取融合模块中，程序会分别做两件事，一是进行特征提取融合，二是生成每个类的类模板，计算训练类模板和所有样本问的距离，训练SVM分类器并反馈检测数据给检测分析库。而检测分析库的数据，则与华南理工大学整理的SCUT-NAA数据库定期内不断做对比优化，完善服务器端的人体动作数据库。endprint

经过500次的测试尝试，发现静坐，跑和跳的运动产生的加速度波形非常容易识别，而有的运动模式准确性识别则较为复杂，如上下楼时的波形。

由于不同的穿戴设备在形式上的不同体现，使得加速度传感器在不同的身体部位时，所检测的数值也会有一定的不同，如穿戴于手腕上的智能手表，穿戴于身上的智能项链，藏在衣服里的智能手机，在数据库中应作不同的判断，所幸的是，针对此类问题，华南理工大学的科研成果SCUT-NAA库，针对此类不同身体位置的设备，提供了一一对应的参照范围。

1.5TMD2771X传感器在老年人安全伴侣中的应用

TMD2771X传感器的内部集成了红外发射管，无需外部的LED支持，适用于设备与障碍物之间的距离检测。由于TMD2771X传感器是依靠发光二极管侦测光线强度以及反射红外光的距离来检测物体的距离，因此设备内部的密封情况会影响到距离检测的精度，通常会在传感器上密封一层硅胶套以保障光源所造成的影响，确保精准程度。由于基于姿态识别与K-means聚类算法的老年人安全伴侣应用的特殊性，只需要检测障碍物以及障碍物的宏观距离，因此该传感器能完美实现功能所需。并且MTK平台在这方面提供了一套完整的开发工具包，内含研发、调试等工具，使用Android的ADB命令也可以对该传感器进行调试。

TMD2771X传感器内部集成了两个发光二极管，一个用来检测可见光，一个用来检测红外光，因此，数据采集时需要做一定的運算，消除干扰因素。勒克斯（Lux）公式提供了发光二极管转换成光的量度单位的运算：

Lux=GA*DF*IRF*CDATA/IntegrationTime*Gain）

其中GA是玻璃的衰减指数，DF是环境中没有红外光时，采样数据与lux之间的关系，IRF是红外光因素，Integration Time是积分时间，Gain是增益，CDATA是采样数据，包含了红外光和可见光。

在使用Lux公式运算红外距离时，还应考虑，如当手机放置衣服里，红外检测距离是满量程时，或人处于高空中观察夜景，手机直指天上星星量程值有可能为0时的不同情况，在逻辑代码上做相应的处理。

2享受科技带来的改变

克服以往技术的不足，老年人安全伴侣的出现，对于老龄人来说，是及时、有意义的。老年人安全伴侣给老人有别以往的体验。有了安全伴侣，老龄人可以在一定程度上自己照顾自己，给儿女减负。老年人安全伴侣起到了收集信息处理信息的作用，帮助老年人过精致的生活，数字化的生活。

3总结

人口进入老龄化后，及时推出的老年安全伴侣系列产品，起到了关爱老人，为家庭减负的作用。它应用高科技，不仅可以为正在工作的中青年减轻照顾老龄人带来的负担，而且可以让老年人自己照顾自己。儿女开心上班去，老人快乐悠闲中。这是老年人安全伴侣倡导的理念，也是时代献给老龄人的先进产品。endprint