廣東東軟學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 陳唯美 李 晶 丑佳文

基于姿態(tài)識別的老人緊急報(bào)警系統(tǒng)

廣東東軟學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 陳唯美 李 晶 丑佳文

針對社會(huì)上日益突出的留守老人過多，老人跌倒無人敢扶等問題，為改善市面上已有產(chǎn)品過度依賴硬件，功能少、使用不夠便捷簡單等缺陷，開發(fā)了一款基于姿態(tài)識別的老人緊急報(bào)警系統(tǒng)，給老年人安全問題提供一個(gè)較完善的解決方案。

姿態(tài)識別；老年人安全；移動(dòng)應(yīng)用

1 背景

隨著我國社會(huì)人口老齡化的迅速發(fā)展，老齡問題給社會(huì)帶來了新的挑戰(zhàn)，老年人的行動(dòng)安全問題顯得越為重要。國際衛(wèi)生部組織發(fā)布的《中國傷害預(yù)防報(bào)告》中指出[1]，老年人受到意外傷害中最為首要的原因是跌倒。盡管老年人口僅占全部人口的12%，65歲以上老年人的死亡與跌倒有直接或者間接關(guān)系的超過了74%[2]，除非有效的防跌倒措施能夠提出并實(shí)施，個(gè)人和整個(gè)社會(huì)由于跌倒而付出的代價(jià)會(huì)穩(wěn)定增長[3]。我國老年人的行動(dòng)安全問題，已成為社會(huì)上高度關(guān)注問題。

2 研究現(xiàn)狀

通過對老年人產(chǎn)品市場調(diào)研，國內(nèi)外的同類產(chǎn)品分為兩類：第一類是硬件產(chǎn)品（如圖1），例如俊安多功能智能拐杖、遠(yuǎn)途智能拐杖，其硬件依賴性極高，必須要有特制拐杖，且功能少，無定位信息求救電話與短信等等，所有功能全部集中在硬件“拐杖”上完成；第二類是軟件產(chǎn)品（如圖2），如目前市面上僅有的一款軟件產(chǎn)品“老來伴”，這款A(yù)pp盡管是軟件，但只是拐杖產(chǎn)品的附屬軟件，數(shù)據(jù)采集等模塊全部都在拐杖上面完成，手機(jī)只是作為接收拐杖采集數(shù)據(jù)后，處理數(shù)據(jù)與呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的平臺，依賴于外部硬件使軟件的便捷性受限，反而帶來更多不便，影響其普及。

圖1 第一類硬件產(chǎn)品

圖2 第一類老來伴APP

目前，還沒有一款完全通過軟件完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互，不需依靠外部硬件的產(chǎn)品。鑒于此，研發(fā)了一款基于姿態(tài)識別與K-means算法的老年人安全伴侶應(yīng)用。此應(yīng)用在Android手機(jī)平臺上開發(fā)，任意一個(gè)帶加速度傳感器并安裝有Android系統(tǒng)的可移動(dòng)性終端均可使用。在這點(diǎn)上與現(xiàn)有的智能拐杖產(chǎn)品大有不同，移動(dòng)應(yīng)用產(chǎn)品具有可擴(kuò)展性強(qiáng)大、易于升級維護(hù)、界面美觀親切、易于操作等特點(diǎn)。

3 基于Android平臺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，智能手機(jī)的硬件、軟件、系統(tǒng)技術(shù)迅速提升，手機(jī)已成為生活中必不可少的一部分。移動(dòng)軟件的操作方便、快速服務(wù)、種類齊全等，一直影響和改變著人們的生活方式。Android 平臺已經(jīng)成為最為流行的手機(jī)開發(fā)平臺，用戶對各種應(yīng)用的需求也越來越強(qiáng)。本文采用Android 手機(jī)的加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)，基于姿態(tài)識別技術(shù)研發(fā)一款老人緊急報(bào)警APP。

基于姿態(tài)識別的運(yùn)動(dòng)模式識別是模式識別領(lǐng)域的一個(gè)新興研究方向，其主要表達(dá)是通過傳感器采集、分析、提取特征值。軟件功能按照觸發(fā)模式分為兩大類：自動(dòng)觸發(fā)功能和手動(dòng)觸發(fā)功能。根據(jù)特征值判斷使用者的運(yùn)動(dòng)形式，參考了華南理工大學(xué)整理的SCUT-NAA數(shù)據(jù)庫特征值進(jìn)行分析，使得動(dòng)作判斷比已有智能拐杖產(chǎn)品更精準(zhǔn)。

軟件的基本研究思路是，參考SCUT-NAA庫測試的數(shù)據(jù)范圍參照表，與自身測試的數(shù)據(jù)數(shù)值對比，制定最優(yōu)判斷方案，編寫邏輯代碼實(shí)現(xiàn)動(dòng)作模式判定；根據(jù)應(yīng)用自身的實(shí)際情況，改進(jìn)劃分最小距離的K-means算法；最后完成其他手動(dòng)觸發(fā)功能對應(yīng)的邏輯代碼。

3.1 動(dòng)作模式識別

自動(dòng)觸發(fā)功能中，老人摔倒警報(bào)功能需要對老人的動(dòng)作進(jìn)行捕捉，判斷為摔倒動(dòng)作后，觸發(fā)警報(bào)并發(fā)送位置信息給親人。捕捉判斷人體的動(dòng)作，需要進(jìn)行動(dòng)作模式識別。人體運(yùn)動(dòng)模式識別結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。此階段需收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，捕捉動(dòng)作的概率特征，優(yōu)化尋路的最短路徑及優(yōu)化反射距離的運(yùn)算代碼。

圖3 人體運(yùn)動(dòng)模式識別結(jié)構(gòu)框圖

圖4 軟件主界面

3.2 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

為確保消息傳遞之間的安全可靠，本程序設(shè)計(jì)采用了TCP傳輸協(xié)議，封裝數(shù)據(jù)組件成服務(wù)，封裝每個(gè)類內(nèi)的實(shí)現(xiàn)屬性和方法，以標(biāo)準(zhǔn)的通用化接口形式給用戶調(diào)用。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，對消息分為重點(diǎn)信息與一般信息，重點(diǎn)信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，為減少對硬件和性能的消耗，一般信息不作加密。設(shè)定分級權(quán)限對每個(gè)模塊管理，通過日志記錄系統(tǒng)安全事件，對關(guān)鍵的數(shù)據(jù)部分采用非對稱加密算法RSA驗(yàn)證相應(yīng)密鑰。老年人信息的泄露引發(fā)的社會(huì)安全問題極多，安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極為重要。

3.3 軟件界面設(shè)計(jì)

軟件界面如下。圖4為軟件主界面，軟件所有功能都在此界面上，一目了然，由于是針對老年人設(shè)計(jì)，所以界面設(shè)計(jì)盡可能簡潔，操作步驟盡可能簡化，盡量不改變已有操作習(xí)慣。圖形按鈕觸發(fā)后，會(huì)調(diào)用安卓系統(tǒng)本身的功能和界面，避免陌生界面帶來的困擾。例如手電筒點(diǎn)擊后，界面不變，僅僅調(diào)用閃光燈；自動(dòng)發(fā)短信按鈕被按下，后臺自動(dòng)發(fā)出去設(shè)定好的信息，前面界面看不到變化。編輯短信則是調(diào)用安卓系統(tǒng)短信功能界面等。自動(dòng)觸發(fā)的功能即圖上傳感器按鈕，摔倒檢測、障礙物檢測只需后臺處理數(shù)據(jù)，按設(shè)置好的信息報(bào)警及發(fā)短息等。特殊裝有類似TMD2771X傳感器的手機(jī)上，會(huì)增加紅外距離檢測功能調(diào)用的按鈕，點(diǎn)擊按鈕后，會(huì)根據(jù)紅外距離的運(yùn)算，計(jì)算障礙物的距離，對夜視不佳的老年人群體有極佳的幫助。

4 軟件測試

為測試軟件的精準(zhǔn)程度，分別選取了26位測試者參與測試，其中，男性16名，女性12名，每人進(jìn)行了兩百次測試后發(fā)現(xiàn)，靜坐、跑、跳、摔倒的加速度波動(dòng)非常大，識別率高達(dá)97.365%，而上下樓等混淆動(dòng)作時(shí)的準(zhǔn)確率則為89.653%。結(jié)果表明，此軟件的精確度較高，可行性大。

5 總結(jié)

基于姿態(tài)識別的老人緊急報(bào)警APP，在任意一個(gè)帶加速度傳感器并安裝有Android系統(tǒng)的可移動(dòng)性終端均可使用。其具有精確度高、使用便捷、可擴(kuò)展性強(qiáng)大、易于升級維護(hù)等特點(diǎn)，為解決、預(yù)防老年人安全問題提供了一個(gè)比較完善的解決方案，同時(shí)為應(yīng)用的普及帶來了極大可能。

[1]《中國慢性病預(yù)防與控制》編輯部．衛(wèi)生部公布我國傷害預(yù)防報(bào)告[J]．中國慢性病預(yù)防與控制,2007,15(5):409-409．

[2]P．Cech,J．Dlouhy,M．Cizek,I．Vícha,and J．Rozman．“Head position monitoring system design”2010 20th International Conference on Radioelektronika,April．2010．

[3]Ministry of Health Planning Officer of the Provincial Health Officer”Prevention of Falls and Injuries Among the Elderly”British Columbia,January 2004．

陳唯美（1993—），男，廣東湛江人，現(xiàn)就讀于廣東東軟學(xué)院，主要研究方向：移動(dòng)開發(fā)，游戲開發(fā)。

李晶【通訊作者】（1987—），女，陜西商洛人，碩士，講師，主要研究方向：軟件開發(fā)、數(shù)字媒體技術(shù)。

丑佳文（1990—），女，湖南常德人，碩士，主要研究方向：Android應(yīng)用開發(fā)，智能儀器儀表。

本文受2016年度廣東省省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號：201612574003）。