王新鵬WANG Xin-peng；姜錦月JIANG Jin-yue；李春生LI Chun-sheng

（臨沂大學(xué)，臨沂 276000）

1 背景分析

隨著我國(guó)老年人口的不斷增長(zhǎng)，年輕人的壓力越來(lái)越大，很多年輕人又長(zhǎng)期工作在外，常常會(huì)讓老人獨(dú)自呆在家中，使得老人的安全無(wú)法得到保障。如何在工作之余能照看家里的老人，對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行快速反應(yīng)和處理，是解決當(dāng)前眾多居家老人安全問(wèn)題的關(guān)鍵。高質(zhì)量的居家養(yǎng)老服務(wù)離不開(kāi)功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、安全可靠的智能設(shè)備。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

本裝置包括基于Open Pose 人體狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)、樹(shù)莓派視頻采集及傳輸模塊、UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)和溫濕度監(jiān)測(cè)及煙火報(bào)警系統(tǒng)。大致流程為：通過(guò)樹(shù)莓派攝像頭采集視頻信息傳遞至計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)通過(guò)Open Pose 對(duì)視頻信息中的人體狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別及判斷，通過(guò)樹(shù)莓派進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，最終傳至用戶端；與此同時(shí)UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)對(duì)老人位置進(jìn)行定位上傳至客戶端。即便當(dāng)老人不在視頻范圍內(nèi)，也可以通過(guò)UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)對(duì)老年人的位置進(jìn)行確定；當(dāng)有意外事故發(fā)生時(shí)，家居安全防范報(bào)警系統(tǒng)會(huì)立即檢測(cè)出對(duì)應(yīng)事故，并通過(guò)移動(dòng)通信模塊將信息發(fā)送給用戶的同時(shí)將情況發(fā)送到相關(guān)單位。

2.1 基于Open Pose 人體狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)

本項(xiàng)目結(jié)合了Open Pose 的姿態(tài)識(shí)別技術(shù)通過(guò)不同肢體之間的協(xié)調(diào)關(guān)系來(lái)搭建分類算法，選擇出最優(yōu)模型搭建多目標(biāo)的分類方法，最終可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的姿態(tài)顯示、目標(biāo)檢測(cè)和分類的實(shí)時(shí)顯示。

在此次的模型中通過(guò)調(diào)用輕量級(jí)的Open Pose 模型進(jìn)行人體姿態(tài)識(shí)別，通過(guò)Open Pose 獲取人體各個(gè)骨骼關(guān)鍵點(diǎn)位置，然后通過(guò)歐氏距離進(jìn)行匹配兩個(gè)骨骼來(lái)具體檢測(cè)到每一個(gè)人，對(duì)于常見(jiàn)檢測(cè)中骨骼關(guān)鍵點(diǎn)的缺失可以通過(guò)上一幀的骨骼信息進(jìn)行填充。具體流程如圖1 所示。

圖1 姿態(tài)識(shí)別流程圖

Open Pose 是依賴于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)督學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)人體姿態(tài)評(píng)估算法，其主要的優(yōu)點(diǎn)在于適用于多人二維且較為精準(zhǔn)和迅速的識(shí)別開(kāi)源模型。整個(gè)目標(biāo)動(dòng)作監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建主要利用Python 作為Open Pose 的代碼編寫(xiě)和運(yùn)行工具，CUDA（Compute Unified Device Architecture，CUDA，統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)）進(jìn)行調(diào)用顯卡訓(xùn)練測(cè)試。本項(xiàng)目選擇了CMU 模型作為姿態(tài)識(shí)別的調(diào)用模型，主要原因在于CMU 具有更高一些的識(shí)別精度。

2.1.1 動(dòng)作識(shí)別設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目共設(shè)定摔倒、站立、行走、奔跑、跳動(dòng)、坐下、下蹲、踢腿、出拳、揮手等行為標(biāo)簽，每類行為通過(guò)樹(shù)莓派攝像頭采集相關(guān)視頻，并將視頻分幀成多張圖片，由不同的照片組合形成了不同動(dòng)作，將其中的姿態(tài)特征利用Open Pose 提取作為完整動(dòng)作的基本識(shí)別特征，并將其中的信息整合到TXT 文件中。其中提取的部分分別包括鼻子、脖子、左右肩、左右手腕、左右膝蓋等等。

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)對(duì)老人行為狀態(tài)特征就行跟蹤分析，實(shí)時(shí)分析在不同地點(diǎn)是否做出相應(yīng)事情來(lái)判別異常，以目標(biāo)的局部肢體運(yùn)動(dòng)作為研究對(duì)象，判斷其是否在完成某種行為，進(jìn)而判斷該行為是否屬于異常行為。將摔倒、長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)及其相似行為視為異常行為。

2.1.2 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)識(shí)別過(guò)程中所用到的軟件需求，系統(tǒng)用Windows10 操作系統(tǒng)，整個(gè)目標(biāo)動(dòng)作監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建主要利用Python 作為Open Pose 的代碼編寫(xiě)和運(yùn)行工具，CUDA 進(jìn)行調(diào)用顯卡訓(xùn)練測(cè)試，swig 給Open Pose 提供編譯環(huán)境；Open Pose 的調(diào)用在這里通過(guò)調(diào)用其中設(shè)定好的主函數(shù)，如模型加載程序、調(diào)用程序以及Estimator 評(píng)估等。

2.2 樹(shù)莓派視頻采集及傳輸模塊

該模塊由樹(shù)莓派、樹(shù)莓派攝像頭、電源電路、HDMI 接口、WIFI 模塊以及電腦組成。使用樹(shù)莓派驅(qū)動(dòng)攝像頭，然后利用開(kāi)源軟件motion 進(jìn)行監(jiān)控，并將采集的視頻傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)視頻內(nèi)人物動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別后，將信息再通過(guò)樹(shù)莓派進(jìn)行傳輸。

Django 網(wǎng)站搭建，并配置REST API，通過(guò)REST API把數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器。由于傳輸?shù)膶?shí)時(shí)溫度是不停變化的，所以在網(wǎng)頁(yè)展示的時(shí)候也要定時(shí)的自動(dòng)刷新網(wǎng)頁(yè)。API（應(yīng)用程序編程接口）是一組規(guī)則，用于定義應(yīng)用程序或設(shè)備如何相互連接和通信。REST API 是符合REST（表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移）架構(gòu)樣式設(shè)計(jì)原則的API。因此，REST API 有時(shí)被稱為REST API。樹(shù)莓派視頻采集流程圖如圖2 所示。

圖2 樹(shù)莓派視頻采集流程圖

2.3 UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)

超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）室內(nèi)定位系統(tǒng)主要由中央定位系統(tǒng)、定位基站、定位標(biāo)簽和Wi-Fi 模塊四部分構(gòu)成。

2.3.1 中央定位系統(tǒng)

中央定位系統(tǒng)為計(jì)算服務(wù)器，對(duì)各個(gè)定位基站發(fā)送過(guò)來(lái)的報(bào)文信息進(jìn)行解析，然后利用解析出來(lái)的報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行各個(gè)基站的時(shí)鐘同步，再利用同步之后得到的時(shí)間數(shù)據(jù)和TDOA 算法進(jìn)行標(biāo)簽位置的計(jì)算，最后以（x，y，z）坐標(biāo)的形式輸出計(jì)算結(jié)果。其中本定位演示系統(tǒng)主要的工作是做二維定位，所以z 坐標(biāo)值設(shè)置默認(rèn)值為0。

2.3.2 定位基站

定位基站包括用于發(fā)送同步包的同步基站和用于接收定位包的從基站；同步基站以一定頻率的廣播形式向各個(gè)從基站發(fā)送同步包，并將已發(fā)送的每一條報(bào)文的幀序列號(hào)和發(fā)送時(shí)間以TCP 同步發(fā)送報(bào)文的形式發(fā)送給中央定位系統(tǒng)；從基站處于常接收狀態(tài)，首先需要接收來(lái)自同步基站的同步包，記錄下每條報(bào)文的幀序列號(hào)和接收時(shí)間，組織成一條完整的TCP 同步接收?qǐng)?bào)文，同時(shí)從基站還需要接收來(lái)自Tag 的同步包，同樣的方式記錄下每條報(bào)文的幀序列號(hào)和接收時(shí)間，組織成一條完整的TCP 定位接收?qǐng)?bào)文，然后不斷的將報(bào)文發(fā)送給中央定位系統(tǒng)。

2.3.3 定位標(biāo)簽

定位標(biāo)簽，處于常發(fā)射狀態(tài)，以一定的頻率向各個(gè)從基站發(fā)送定位包，處于被動(dòng)定位的狀態(tài)，定位標(biāo)簽不需要計(jì)算自己的位置，由中央定位系統(tǒng)計(jì)算定位標(biāo)簽的位置，并以坐標(biāo)的形式輸出結(jié)果。

2.3.4 Wi-Fi 模塊

Wi-Fi 模塊用來(lái)向中央定位系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)TCP 報(bào)文，每一個(gè)定位基站上都會(huì)接入一個(gè)Wi-Fi 模塊，并將Wi-Fi 模塊設(shè)置成一個(gè)用于轉(zhuǎn)發(fā)TCP 報(bào)文的客戶端，而與之對(duì)應(yīng)的就是中央定位系統(tǒng)需要設(shè)置成用于接收TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）報(bào)文的服務(wù)器；通過(guò)這樣的設(shè)置之后，就可以將每一個(gè)定位基站輸出到串口的報(bào)文數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi 模塊轉(zhuǎn)發(fā)給中央定位系統(tǒng)。

UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)主要是通過(guò)每個(gè)定位標(biāo)簽以UWB 脈沖重復(fù)不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀；定位標(biāo)簽發(fā)送的UWB脈沖串被定位基站接收；每個(gè)定位基站利用高敏度的短脈沖偵測(cè)器測(cè)量每個(gè)定位標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀到達(dá)接收器天線的時(shí)間；定位基站通過(guò)WIFI 或者以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)服務(wù)器通信；定位引擎參考標(biāo)簽發(fā)送過(guò)來(lái)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，確定標(biāo)簽達(dá)到不同定位基站之間的時(shí)間差，并利用TDOA 定位算法來(lái)計(jì)算標(biāo)簽位置；最后，終端設(shè)備（應(yīng)用軟件）顯示出定位標(biāo)簽的位置。UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)示意圖

超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)采用TDOA 演示測(cè)距定位算法，通過(guò)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，利用雙曲線交叉來(lái)定位的超寬帶系統(tǒng)包括產(chǎn)生、發(fā)射、接收、處理極窄脈沖信號(hào)的無(wú)線電系統(tǒng)。而超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)則包括UWB 接收器、UWB 參考標(biāo)簽和主動(dòng)UWB 標(biāo)簽。

定位過(guò)程中由UWB 接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB信號(hào)，通過(guò)過(guò)濾電磁波傳輸過(guò)程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號(hào)，再通過(guò)中央處理單元進(jìn)行測(cè)距定位計(jì)算分析。

2.4 溫濕度監(jiān)測(cè)及煙火報(bào)警系統(tǒng)

溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用STM32L151 單片機(jī)作為微系統(tǒng)控制器，采用DHT11 智能數(shù)字溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度信息的采集；煙火報(bào)警系統(tǒng)選用AT89S52 單片機(jī)作為核心處理器，采用MQ-2 半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器實(shí)現(xiàn)煙霧濃度信息的采集。

報(bào)警電路設(shè)備、傳感器與單片機(jī)緊密結(jié)合在一起，預(yù)先給煙霧報(bào)警器設(shè)置一個(gè)固定的參數(shù)值，當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域達(dá)到預(yù)先給定的參數(shù)值時(shí)，煙霧傳感器把被測(cè)的物理量作為輸入?yún)?shù)，轉(zhuǎn)換成電量輸出。用A/D 轉(zhuǎn)換電路將傳感器檢測(cè)信息轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可處理的數(shù)字信號(hào)，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路將煙敏電路輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被單片機(jī)識(shí)別和讀取的數(shù)字信號(hào)，最后發(fā)送給單片機(jī)。

2.5 系統(tǒng)算法的優(yōu)化

由于室內(nèi)的溫濕度等參數(shù)不會(huì)發(fā)生突變，溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用限幅濾波法對(duì)遞推算法進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)合適的移動(dòng)平均濾波器。通過(guò)限幅濾波法對(duì)移動(dòng)平均濾波器進(jìn)行優(yōu)化，判斷被測(cè)信號(hào)的變化幅度，消除緩變信號(hào)中的尖脈沖干擾，從而有效克服偶然因素引起的脈沖干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

該無(wú)線監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置具有以下創(chuàng)新點(diǎn)和系統(tǒng)特色：

①本項(xiàng)目結(jié)合了Open Pose 的姿態(tài)識(shí)別技術(shù)通過(guò)不同肢體之間的協(xié)調(diào)關(guān)系來(lái)搭建分類算法，并通過(guò)不同的分類算法比較，選擇出最優(yōu)模型搭建多目標(biāo)的分類方法，最終可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的姿態(tài)顯示、目標(biāo)檢測(cè)和分類的實(shí)時(shí)顯示。Open Pose 作為姿態(tài)識(shí)別是采用的自底向上的檢測(cè)方法，在行為監(jiān)測(cè)、姿態(tài)糾正、動(dòng)作分類等方面具有很高的準(zhǔn)確性，并能對(duì)動(dòng)作進(jìn)行迅速的識(shí)別及判斷。

②通信方式采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，在室?nèi)采集傳感器采集的報(bào)警信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼無(wú)線發(fā)射電路，能夠減少家庭布線的麻煩；低功耗工作模式，溫濕度監(jiān)測(cè)及煙火報(bào)警系統(tǒng)所采用的核心控制器都具有低功耗高效能的優(yōu)點(diǎn)。

③利用樹(shù)莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，搭建Django 網(wǎng)站，并配置REST API，發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器API，并讓樹(shù)莓派定時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)抓取數(shù)據(jù)，并且把數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器。傳輸數(shù)據(jù)顯示到網(wǎng)頁(yè)上，可實(shí)時(shí)查看。

④在此次的模型中通過(guò)調(diào)用輕量級(jí)的Open Pose 模型進(jìn)行人體姿態(tài)識(shí)別，其主要的方法是通過(guò)Open Pose 獲取人體各個(gè)骨骼關(guān)鍵點(diǎn)位置，然后通過(guò)歐氏距離進(jìn)行匹配兩個(gè)骨骼來(lái)具體檢測(cè)到每一個(gè)人，對(duì)于常見(jiàn)檢測(cè)中骨骼關(guān)鍵點(diǎn)的缺失可以通過(guò)上一幀的骨骼信息進(jìn)行填充。

⑤UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體能精確定位。