摘 要：為了在非臨床條件下，搭建一套智能的、非入侵式的智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，為居家老人提供合理的、非入侵式的、智能化的生活服務(wù)，本文融合客觀環(huán)境信息與被照顧者在室內(nèi)的位置、日常行為等主觀信息，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套智能化的、未入侵式的智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，為老人或者慢性病患者提供智能化的生活服務(wù)。實(shí)驗(yàn)證明，融合室內(nèi)位置與日常行為等主觀信息，能有效地提高智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的“非入侵”性與合理性。

　　關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位;低功耗藍(lán)牙;數(shù)據(jù)采集;行為識(shí)別;智能決策

　　《軟件導(dǎo)刊》是關(guān)于軟件開(kāi)發(fā)與管理的學(xué)術(shù)期刊，以服務(wù)于軟件的提供者與應(yīng)用者、增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力為宗旨，及時(shí)向讀者傳遞軟件行業(yè)的主流技術(shù)、研究熱點(diǎn)、企業(yè)管理理念和項(xiàng)目管理模式。

　　1 引言(Introduction)

　　醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步延長(zhǎng)了人的壽命，同時(shí)也加劇了世界老齡化的步伐。預(yù)計(jì)到 2020年，我國(guó)60歲以上老年人口將增加到2.55億人左右，占總?cè)丝诒戎靥嵘?7.8%左右;高齡老年人將達(dá)到2900萬(wàn)人左右，獨(dú)居和空巢老年人將增加到1.18億人左右[1]，對(duì)老年人的照顧已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。對(duì)65歲以上的老年人進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其中90%的人表示他們?cè)敢庾≡谀壳暗木幼〉兀瑢?shí)現(xiàn)居家養(yǎng)老，因此在非臨床環(huán)境下，智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠輔助老年人實(shí)現(xiàn)居家養(yǎng)老，并能提高生活質(zhì)量。

　　隨著傳感器技術(shù)以及智能設(shè)備的進(jìn)步，智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于對(duì)老年人的日常護(hù)理、照顧中。目前，智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要分為兩大類，一類是應(yīng)用多種智能設(shè)備并融合多種傳感器技術(shù)，搭建一套集監(jiān)護(hù)與服務(wù)為一體的智能服務(wù)系統(tǒng)，用于對(duì)老年人或者慢性病人患者的照顧[2]。另一類是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)用于智能監(jiān)護(hù)的服務(wù)機(jī)器人，由于機(jī)器人內(nèi)置了豐富的傳感器，可以實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，依據(jù)對(duì)環(huán)境信息的分析做出智能的決策，可用于緊急救援或者對(duì)老年人的照顧[3]。在以上的研究中，側(cè)重于對(duì)環(huán)境信息的采集、分析，出現(xiàn)了智能決策方案與被照顧者的意愿不一致，對(duì)其生活產(chǎn)生干擾的情況。為此，本文提出從主觀和客觀兩個(gè)方面收集環(huán)境信息，融合室內(nèi)定位技術(shù)和行為分析技術(shù)，兼顧老人在室內(nèi)的位置以及正在從事的日常活動(dòng)等主觀信息，建立非入侵式的智能決策，增加決策的合理性與未入侵式性，更好地服務(wù)于老年人的生活。

　　目前，RFID(Radio Frequency Identification)、無(wú)線Wi-Fi、BLE(Bluetooth Low Energy)、ZigBee、圖像處理等技術(shù)被應(yīng)用到室內(nèi)定位中[4-6]，其中基于低功耗藍(lán)牙(BLE)的室內(nèi)定位技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用，主要原因是出于對(duì)使用者個(gè)人隱私的保護(hù)以及設(shè)備使用能耗的考慮。目前手機(jī)已經(jīng)成為室內(nèi)定位領(lǐng)域常用的設(shè)備之一，一方面是由于的手機(jī)的普及使用，另一方面是由于手機(jī)內(nèi)置了豐富的傳感器(Sensor)，如加速度、陀螺儀、藍(lán)牙、無(wú)線等。

　　鑒于以上原因，本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于多傳感器融合的非入侵式的居家養(yǎng)老照顧、監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，一方面為老年人搭建智能、方便的服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的智能控制，為被照顧者提供合理、便捷的生活服務(wù);另一方面，為監(jiān)護(hù)人提供實(shí)時(shí)的、居家生活監(jiān)護(hù)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

　　2 相關(guān)工作(Related work)

　　2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的目的是為被照顧者提供智能的居家服務(wù)，提高被照顧者的生活質(zhì)量，該系統(tǒng)首先在不對(duì)使用者生活產(chǎn)生干擾的情況下，依據(jù)對(duì)環(huán)境信息的綜合分析，進(jìn)而對(duì)家用電器進(jìn)行智能控制。為此，本文在居家環(huán)境下搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于采集溫度、濕度、光照、室內(nèi)位置等信息，為智能決策、節(jié)能環(huán)保提供科學(xué)的依據(jù)。

　　在兩居室的居住環(huán)境，搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。環(huán)境信息主要包括主、客觀兩部分信息，一部分是溫度、濕度、電器運(yùn)行狀態(tài)等客觀環(huán)境信息;另一部分是反映使用者室內(nèi)位置、日常行為的主觀信息。本文選自三星公司的SmartThings系列產(chǎn)品中的智能插座、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器，用于采集環(huán)境信息[7，8];選取Estimote公司的Beacon，該設(shè)備定時(shí)向外發(fā)射藍(lán)牙廣播包，手機(jī)在接近Beacon時(shí)會(huì)收到信號(hào)強(qiáng)度不等的廣播包，以此來(lái)獲取使用者在室內(nèi)的位置。另外采集表征手腕動(dòng)作的加速度和方位角信息，用于識(shí)別老人正在從事的日常行為。

　　圖1 2D的居家智慧監(jiān)護(hù)環(huán)境

　　Fig.1 2D ichnography of intelligent monitoringenvironment

　　2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　智能決策是智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的核心，不僅要科學(xué)還要符合用戶的生活習(xí)慣，為此，本文融合客觀的環(huán)境信息和反映使用者主觀行為的信息。鑒于室內(nèi)定位設(shè)備Beacon的部署，將生活區(qū)域劃分為{臥室1，臥室2，客廳，廚房，衛(wèi)生間}五個(gè)區(qū)域，另外在每個(gè)區(qū)域分別安裝相對(duì)獨(dú)立的傳感器。以區(qū)域?yàn)閱挝唬謩e采集各自區(qū)域的溫度、濕度、電器狀態(tài)、光照強(qiáng)度，基于以上環(huán)境信息，由智能決策單元進(jìn)行智能的決策。為了減少對(duì)使用者的干擾，融入反映使用者日常行為的行為信息，為被照顧者提供非入侵式、方便、快捷、智能的服務(wù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)分為環(huán)境信息融合和家用電器智能控制兩個(gè)部分，環(huán)境信息主要包括溫度、濕度、光照、家用電器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、室內(nèi)位置、日常行為等信息，t時(shí)刻的環(huán)境信息記為Dt={位置，行為，持續(xù)時(shí)間，溫度，濕度，光照，時(shí)間}，在綜合分析Dt在基礎(chǔ)上，不違反用戶行為習(xí)慣的前提下，對(duì)電器、設(shè)備進(jìn)行智能控制。電器的狀態(tài)分為開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)，標(biāo)記為{0，1}，如環(huán)境信息序列為{客廳，坐，2m，>26，<30，5，10：50}，決策列表為{風(fēng)扇=1，空調(diào)=1}，依據(jù)用戶的行為習(xí)慣，對(duì)決策進(jìn)行優(yōu)化，輸出{風(fēng)扇=1}，進(jìn)而控制outlet，打開(kāi)風(fēng)扇。

　　圖2 居家智慧監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　Fig.2 Structure of intelligent monitoring system

　　室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用，使得智能決策可以分區(qū)域進(jìn)行，這種基于區(qū)域的智能決策不僅提高決策的合理性，而且節(jié)能環(huán)保，當(dāng)檢測(cè)到用戶在臥室睡覺(jué)時(shí)，自主將其他區(qū)域的電器關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電器的智能控制。

　　3 多傳感器融合的智能監(jiān)護(hù)模型(Intelligent monitoring model based on multiple sensor)

　　3.1 基于IBeacon的室內(nèi)定位方法

　　為了減少室內(nèi)環(huán)境對(duì)定位信號(hào)的干擾，將Beacon安裝在天花板上，記為BPi，其中i?[1，5]，各個(gè)Beacon以200ms的時(shí)間間隔向外發(fā)送強(qiáng)度為-4dBm的廣播包。當(dāng)使用者接近或者進(jìn)入BPi區(qū)域，手機(jī)會(huì)接收到Beacon的藍(lán)牙廣播包。在這些廣播包中包含最重要的定位信息藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength Indicator，RSSI)，RSSI值會(huì)隨著使用者與BPi之間距離的變化而變化，當(dāng)距離d小于1米時(shí)，隨著距離d的變大RSSI值會(huì)以一定的比例減少;而當(dāng)距離在1米以上時(shí)，由于反射波的影響，RSSI會(huì)出現(xiàn)上下波動(dòng)的現(xiàn)象，甚至丟失。

　　鑒于以上原因，本文將信標(biāo)BPi的鄰近區(qū)域?qū)ο笤O(shè)置為“遠(yuǎn)區(qū)域”far=5m、“近區(qū)域”near=1m。當(dāng)使用者在區(qū)域?qū)ο笾械奈恢冒l(fā)生變化時(shí)，會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的事件onEnter、onExit、onContextChange的發(fā)生，進(jìn)而獲取使用者距離信標(biāo)BPi的位置信息，從而確定使用者處于哪一個(gè)生活區(qū)域，如當(dāng)使用者與BPi的距離小于1米時(shí)，near區(qū)域的onEnter事件會(huì)被觸發(fā)，表示使用者已經(jīng)進(jìn)入了near區(qū)域，從云端獲取BPi的附加信息，即獲取了該區(qū)域的家用電器列表。

　　3.2 在線行為分類模型

　　在日常生活中，人們?cè)趶氖乱环N日常行為的過(guò)程中，常常伴隨著手臂一系列有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，比如“走路”時(shí)，手臂會(huì)前后有規(guī)律的擺動(dòng)，而“睡覺(jué)”時(shí)手臂則相對(duì)保持靜止。在前期研究中[9]，首先通過(guò)收集居家日常行為的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，基于無(wú)監(jiān)督聚類方法提取高層語(yǔ)義特征，構(gòu)建行為數(shù)據(jù)集，最后基于動(dòng)態(tài)貝葉斯算法建立日常行為的分類模型。基于以上分類模型，本文實(shí)時(shí)采集行為數(shù)據(jù)，對(duì)日常行為進(jìn)行在線辨識(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3 日常行為在線行為識(shí)別結(jié)構(gòu)

　　Fig.3 The flow path for online recognition of daily activities

　　本文設(shè)置采樣頻率是30Hz，在線收集加速度、陀螺儀的數(shù)據(jù)分別記為，首先基于滑動(dòng)時(shí)間窗模型抽取特征生成在線測(cè)試數(shù)據(jù)Xi(t)，然后將測(cè)試數(shù)據(jù)送入分類模型Mode，從而得到分類結(jié)果Yi(t)。

　　3.3 智能決策算法

　　環(huán)境信息主要包括客觀環(huán)境信息和主觀信息兩個(gè)部分，記為樣本集D。實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域BPi的onEnter事件，當(dāng)事件被觸發(fā)時(shí)，要從兩個(gè)方面進(jìn)一步獲取信息：

　　(1)從云平臺(tái)獲取BPi的家用電器使用列表。

　　(2)從日常行為分類模型BehavorMode獲取當(dāng)前的日常行為類別Btp。

　　在此基礎(chǔ)上，依據(jù)客觀環(huán)境信息，由智能決策模塊建立對(duì)家用電器的控制列表，算法描述如下所示：

　　輸入：環(huán)境信息樣本集D;

　　輸出：電器狀態(tài)控制

　　1.初始化室內(nèi)位置Pt=-1;P區(qū)域內(nèi)的電器狀態(tài)Stp=-1;日常行為Btp=-1;