基于3D传感的智能监护系统研制*

叶廷东 黄晓红 彭选荣 冼广淋



基于3D传感的智能监护系统研制*

叶廷东 黄晓红 彭选荣 冼广淋

（广东轻工职业技术学院）

针对病弱群体的健康监护和家居控制需求，提出一种基于3D传感的智能监护系统。介绍该系统的总体结构，包括生理信号传感及处理单元、红外3D信号传感及处理单元、微处理器及蓝牙通信模块；重点介绍微弱信号检测、基于小波多尺度的信号去噪处理和红外3D手势识别等关键技术。该系统可与家庭无线通信网络互联，实现生理信息的云端监测和3D手势识别，满足智能家居的应用需求。

3D传感；智能监护；手势识别；信号处理

0　引言

随着我国经济、卫生事业的快速发展，以及人口老龄化加速和保健意识增强等社会因素的影响，人们对医学模式的认知也发生转变。医疗卫生需求逐步从传统的以医院为中心的疾病预防、诊断和治疗服务，转变为以患者为中心的全方位智能医疗服务。可穿戴式医疗仪器成为新医疗模式下重要的健康监护、诊断和保健设备，其广泛应用将推动我国远程医疗、家庭保健医疗和个人健康监护等系统的发展[1-2]。

在智能医疗服务中，健康监护系统是可穿戴研究领域的重点之一。通过健康监护系统能够尽早发现使用者的身体健康数据异常，尤其对病弱、老年群体，可免除其在家庭与医院之间奔波的劳苦，保障生活质量。随着嵌入式技术、MEMS技术、无线通信技术的不断发展和普及，健康监护系统也快速发展，尤其是传感器技术和各种芯片的微型化与网络化，使穿戴式生理参数监测技术有了长足的进步[3-4]。考虑到智能家居、康复训练的需要，本文基于3D传感技术设计一种综合3D手势识别技术的智能监护系统。

1　系统总体结构设计

基于3D传感的智能监护系统结合了智能手环的健康监测功能和体感控制器的3D手势识别功能，总体结构如图1所示。

图1　 基于3D传感的智能监护系统总体结构图

其中3D传感装置采用低功耗腕带式设计方案，集成红外3D传感单元、生理信号传感单元、生理信号处理单元、红外3D传感信号处理单元、微处理器及蓝牙通信模块。3D传感装置通过蓝牙通信模块与家庭无线通信网络连接，可将生理监测信息、手势信息存储到云端服务器；通过认证加密技术和云端监测软件，由手机或电脑浏览器实现远程监测；通过蓝牙通信也可将手势信息传递到终端控制器，使系统通过手势实现趣味游戏式的手部康复练习以及家居控制等。本智能监护系统与智能手环相比，具有3D手势识别、康复练习及家居控制功能；与体感控制器相比，具有可移动穿戴性。该系统研制的关键在于微弱生理传感信号获取与处理、红外3D手势识别技术等。

2　关键技术研究

基于3D传感的智能监护系统的监测参数有心率、体温、运动量、跌倒和睡眠等，同时利用红外传感信号实现全天候3D手势识别。由于部分传感器会受到环境因素的影响，如红外信号易受周围环境光以及温度的影响，产生的无用信号耦合到红外传感器的输出信号[5-7]。为此，本文设计的基于3D传感的智能监护系统监测部分硬件结构框图如图2所示，其中传感单元模块包括生理运动监测传感器、红外3D传感器和环境传感器；具体的传感器主要有心率传感器、温度传感器、3D加速度传感器、环境光传感器和红外3D传感器模块等。信号检测、放大与调理单元，可实现微弱生理传感信号、红外信号的检测、放大与调理，以便后续的信号处理单元进行处理。

图2 基于3D传感的智能监护系统监测硬件结构框图

2.1　微弱信号的检测

基于3D传感的智能监护系统的一个关键步骤是微弱信号检测，其易受环境温度影响，在信号的检测过程中通常需要进行温度补偿[8]。本文采用的检测放大电路如图3所示，该电路采用3个电阻1，2，3和检测传感器R_D（其阻值为d）组成桥路，其中热敏电阻3用于实现温度补偿，3的配对阻值与检测传感器无目标信号时的阻值一致。图3中的检测电路差分后的输出值就是目标信号的电压值[9]。

图3 　检测放大电路图

检测放大电路中的放大元件采用仪用差分放大器INA103，该元件可实现高增益、高精度和低噪声信号放大。检测放大电路的噪声在运放输入端表现为共模信号，INA103具有较强的抑制能力，两路对称的噪声基本相互抵消，使输入到放大器中的等效噪声较小。另外，为使检测传感器能够稳定工作，电路提供了一个高精度的稳压源w。

其中，A为电路放大倍数。

根据差分放大器INA103的等效输入电压噪声谱密度：

2.2 　基于小波多尺度的去噪方法

基于3D传感的智能监护系统获得检测电路的信号后，需对微弱信号进行去噪处理，以便获得准确的检测信息。设传感信息的模型为

其中，为传感系统输入；为其相应输出。

根据多尺度理论，随着尺度的增大，信号所对应的小波变换幅值也增大，而噪声所对应的小波变换幅值则减小[11]。因此，对传感信号连续做若干次小波变换后，由噪声对应的小波变换系数幅值变得很小，可通过阈值方法去除。在小波域中，有用信号会呈现较大的小波转换系数（平滑信息），而较小的小波转换系数（细节信息）则更多是由噪声和信号能量的突变产生，因此通过设置阈值规则对细节信息进行处理，可除去信号中绝大部分噪声。

为尽量减少通用阈值去噪引起的信号失真，本文采用如下改进的阈值函数[12-13]：

根据上述的阈值处理函数，设计阈值处理算法，具体实现过程为：

2.3　红外3D手势识别

利用红外测距传感器组成的3D手势识别阵列如图4所示。系统电路获取红外传感信号后，在对红外传感信号标定的基础上，根据传感信息，经过分析和计算，可实现对手部姿态和位置变化等检测识别。

图4中，4个红外传感器分布在正方形的4个角上，三维参考坐标的原点在正方形中心，归一化4个传感器的坐标分别为1(−1,1,0)，2(1,1,0)，3(1,−1,0)，4(−1,−1,0)。假设手进入识别区的坐标为(,,)，则可计算出手与各红外传感器间的距离为

当手进入红外测距传感器阵列的有效监测范围时，根据检测手与红外传感器的距离，即可计算出手的坐标为

系统检测时，手部的动作变化可根据手运动前后的坐标来判断。

3　系统开发

基于3D传感的智能监护系统采用MTK平台开发。MTK2502可支持蓝牙3.0和蓝牙4.0，兼容双系统，支持SIM卡，具有心率测试等功能，适用于可穿戴系统的开发。系统的Web和手机监测界面，如图5所示。为实现基于手势的康复训练（如手部功能或某些脑功能的康复），实现更精细的3D手势识别（如图6所示），系统的游戏训练模块采用Leap motion三维3D手势传感器实现。

图5　智能监护系统界面

图6　3D手势游戏手势说明

由图5和图6可知，智能监护系统具有如下功能：

1）实时监测生理参数，采集心率、体温等参数进行特征提取，得到监护人基本生理状态，同时结合3D加速度传感器，实现运动量、睡眠与跌倒监测，所有状态参数都可通过家庭网络传给运动服务器；

2）具有多界面监测功能，为方便移动监测，开发了移动端APP和Web端监护，在实现监护的同时，可利用电脑进行康复游戏训练；

3）具有3D手势识别与训练功能，3D手势有2部分：一部分用于家居控制，由4个红外传感器组成；另一部分用于康复游戏，由Leap motion组成，可以左右手同时实现16种手指和腕部运动，能满足手部功能或者某些脑功能康复的需要。

4　结论

可穿戴监护系统的发展，实现了个性化的人体健康数据采集、分析与处理，可为远程医疗提供保障，改善医患关系，促进社会和谐。

基于3D传感的智能监护系统在实现人体生理状态、运动状态监测的同时，可进行3D手势识别，进而实现手部游戏康复训练。系统适用于家庭、社区医院、康复中心等医疗机构，适应智能医疗发展的需要。

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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

叶廷东，男，1976年生，博士，教授，主要研究方向：智能传感与现代检测技术。E-mail: yuetd@163.com

黄晓红，女，1968年生，硕士，教授，主要研究方向：自动化装置与检测技术。E-mail:33209011@qq.com

基金项目：广东省科技计划项目（2015A020214025, 2015A070710030）；广东省“千百十工程”人才资助项目（RC2016-005）；广州市产学研协同创新重大专项（201604020049）；广东轻工职业技术学院项目（KJPY2018-002）。