基于WiFi中CSI信號(hào)強(qiáng)度的非侵入式呼吸心跳檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于利用普通無(wú)線設(shè)備實(shí)現(xiàn)感知的技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于WiFi中CSI信號(hào) 強(qiáng)度的非侵入式呼吸心跳檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年來(lái)，無(wú)線電波越來(lái)越多的被運(yùn)用于日常生活，人們?nèi)粘Ｉ钪协h(huán)境感知技 術(shù)愈發(fā)的需要，尤其是"非侵入式"，其指的是用戶不需要攜帶任何電子感知設(shè)備。普通的 WiFi接收設(shè)備能夠以信道狀態(tài)信息（Channel State Information, CSI)的形式獲得其中一 個(gè)子載波上的信息。CSI能夠測(cè)量出每個(gè)子載波的相位信息和幅度信息。CSI能夠?qū)⒆虞d 波信息展示的更豐富，在一定程度上展現(xiàn)其多徑分辨能力，尤其是在非視距范圍內(nèi)信號(hào)微 小的變化進(jìn)行感知出來(lái)，因此，CSI具有高靈敏度和感知區(qū)域廣等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為了解決"非侵入式"環(huán)境感知技術(shù)還沒有應(yīng)用于人體呼吸心跳檢測(cè)的問(wèn) 題，提供了基于WiFi中CSI信號(hào)強(qiáng)度的非侵入式呼吸心跳檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法。
[0004] 本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：基于WiFi中CSI信號(hào)強(qiáng)度的非侵入式呼吸 心跳檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：
[0005] 收集CSI曲線并對(duì)收集到的CSI曲線進(jìn)行快速傅立葉變化：計(jì)算機(jī)從每個(gè)接收到 的數(shù)據(jù)包中獲取一組CSI曲線，對(duì)獲取的CSI曲線進(jìn)行快速傅立葉變換；
[0006] 呼吸信號(hào)的時(shí)域信息提取及對(duì)其平滑處理：對(duì)快速傅立葉變換后的曲線用帶通濾 波器將呼吸信號(hào)中心頻率處的頻域信號(hào)提取出來(lái)，再對(duì)該頻域信號(hào)進(jìn)行傅立葉反變換，這 樣呼吸信號(hào)的時(shí)域信息提取出來(lái)，對(duì)提取出的呼吸時(shí)域信號(hào)利用插值法進(jìn)行平滑處理；
[0007] 心跳信號(hào)的時(shí)域信息提取及對(duì)其平滑處理：對(duì)快速傅立葉變換后的曲線用帶通濾 波器將心跳信號(hào)中心頻率處的頻域信息提取出來(lái)，再對(duì)該頻域信號(hào)進(jìn)行傅立葉反變換，這 樣心跳信號(hào)的時(shí)域信息提取出來(lái)，對(duì)提取出的心跳時(shí)域信號(hào)利用插值法進(jìn)行平滑處理；
[0008] 非正常心跳信號(hào)曲線比較：利用動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整方法將提取出的心跳時(shí)域信號(hào)與麻 省理工學(xué)院的心律失常數(shù)據(jù)庫(kù)中曲線進(jìn)行比對(duì)；
[0009] 對(duì)呼吸、心跳時(shí)域信號(hào)可視化處理及非正常心跳信號(hào)提醒：在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)現(xiàn) 心跳和呼吸時(shí)域信號(hào)的可視化，如果發(fā)現(xiàn)比對(duì)后有類似異常心跳信號(hào)曲線，對(duì)用戶進(jìn)行異 常提醒。
[0010] 本發(fā)明利用人體呼吸心跳過(guò)程中胸腔的起伏變化對(duì)CSI的影響，利用快速傅立葉 變換，提取出呼吸和心跳的頻域信號(hào)，利用帶通濾波器分別分離出呼吸和心跳的頻域信號(hào)， 再進(jìn)行傅立葉反變換，提取出呼吸和心跳的時(shí)域信號(hào)，進(jìn)行平滑處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。同 時(shí)，提取出的心電信號(hào)與麻省理工學(xué)院的心律失常數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行曲線比對(duì)，發(fā)現(xiàn)異常提醒，起 到用戶家庭健康監(jiān)測(cè)的目的，可以廣泛應(yīng)用于家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 根據(jù)圖1所示，一種基于WiFi中CSI信號(hào)強(qiáng)度的非侵入式呼吸心跳檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方 法，包括以下步驟：
[0013] 收集CSI曲線并對(duì)收集到的CSI曲線進(jìn)行快速傅立葉變化：不同的物體包括家具、 墻壁、人體都會(huì)對(duì)CSI信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，家中常用的WiFi設(shè)備能夠發(fā)送無(wú)線信號(hào)，這些無(wú) 線信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)墻壁、家具、人體的反射。常用的計(jì)算機(jī)都配有無(wú)線網(wǎng)卡，無(wú)線網(wǎng)卡能夠接收 無(wú)線信號(hào)，計(jì)算機(jī)能夠把CSI中的豐富信息分析出來(lái)，包括多個(gè)子載波上的信號(hào)幅度和信 號(hào)相位兩方面的信息；配有兼容IEEE 802. 11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)卡能夠從每個(gè)接收到的數(shù)據(jù)包 中獲取其中一組CSI曲線，計(jì)算機(jī)對(duì)其中一組CSI曲線進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT)。計(jì)算機(jī) 對(duì)CSI曲線進(jìn)行快速傅立葉變換，不同振動(dòng)頻率的對(duì)象在CSI變換后的頻域不同。
[0014] 信道狀態(tài)信息（CSI)能夠察覺非視距路徑中信號(hào)的微弱波動(dòng)，具有很高的靈敏 度，當(dāng)用戶不經(jīng)意的擺手、搖頭這些比較劇烈的動(dòng)作能夠引起CSI的突然劇烈變化，但是這 種變化不是周期性的，所以不會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡長(zhǎng)期檢測(cè)信道狀態(tài)信息產(chǎn)生影響。
[0015] 呼吸信號(hào)的時(shí)域信息提取及對(duì)其平滑處理：人體的呼吸動(dòng)作引起的胸腔起伏通 常為每分鐘20至30次，當(dāng)人體收到驚嚇或者緊張時(shí)，其呼吸次數(shù)輕微上升，當(dāng)人體情緒 平穩(wěn)的時(shí)候，呼吸頻率基本維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍，人體呼吸信號(hào)的頻率&可以表達(dá)為：
其中階_和Br _分別代表人體的最小和最大呼吸率，X 代表了其中一個(gè)子載波的信道狀態(tài)信息值。
[0016] 對(duì)快速傅立葉變換后的曲線用帶通濾波器將呼吸中心頻率為RH附近的頻域信號(hào) 提取出來(lái)，同時(shí)對(duì)該頻域信號(hào)進(jìn)行傅立葉反變換，這樣的話，呼吸信號(hào)的時(shí)域信息就能夠提 取出來(lái)，對(duì)提取出的呼吸時(shí)域信號(hào)，利用插值法對(duì)其進(jìn)行平滑處理。
[0017] 心跳信號(hào)的時(shí)域信息提取及對(duì)其平滑處理：人的心跳次數(shù)是每分鐘60到 100次左右，當(dāng)受到外界刺激，甚至能夠到達(dá)每分鐘120次左右，當(dāng)人體情緒平穩(wěn)的 時(shí)候，心跳頻率基本維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍。人體心跳信號(hào)的頻率RH可以表達(dá)為：
，其中此_和Hr _分別代表人的最小和最大心跳率。
[0018] 對(duì)快速傅立葉變換后的曲線用帶通濾波器將心跳中心頻率為RH附近的頻域信號(hào) 提取出來(lái)，同時(shí)對(duì)該頻域信號(hào)進(jìn)行傅立葉反變換，這樣的話，心跳信號(hào)的時(shí)域信息就能夠提 取出來(lái)，對(duì)提取出的心跳時(shí)域信號(hào)，利用插值法對(duì)其進(jìn)行平滑處理。
[0019] 非正常心跳信號(hào)曲線比較：將平滑后的心跳時(shí)域信號(hào)利用動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整方法與預(yù) 先下載到計(jì)算機(jī)中的麻省理工學(xué)院的心律失常數(shù)據(jù)庫(kù)中曲線進(jìn)行比對(duì)。（美國(guó)麻省理工學(xué) 院提供的心律失常數(shù)據(jù)庫(kù)是目前國(guó)際上公認(rèn)的可作為標(biāo)準(zhǔn)的心電數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用廣泛）
[0020] 對(duì)呼吸、心跳時(shí)域信號(hào)可視化處理及非正常心跳信號(hào)提醒：將平滑后的呼吸、心跳 時(shí)域信號(hào)，在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示，方便實(shí)時(shí)觀察，實(shí)現(xiàn)了呼吸、心跳時(shí)域信號(hào)的數(shù)據(jù)可視化， 同時(shí)，對(duì)上一個(gè)步驟中相比較的類似異常心跳曲線進(jìn)行用戶提醒。這樣的話，用戶能夠在家 中提前了解自己的身體狀況，考慮是否進(jìn)行進(jìn)一步的醫(yī)學(xué)治療或者觀察。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于WiFi中CSI信號(hào)強(qiáng)度的非侵入式呼吸心跳檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于包括以下 步驟： 收集CSI曲線并對(duì)收集到的CSI曲線進(jìn)行快速傅立葉變化：計(jì)算機(jī)從每個(gè)接收到的數(shù) 據(jù)包中獲取一組CSI曲線，對(duì)獲取的CSI曲線進(jìn)行快速傅立葉變換； 呼吸信號(hào)的時(shí)域信息提取及對(duì)其平滑處理：對(duì)快速傅立葉變換后的曲線用帶通濾波器 將呼吸信號(hào)中心頻率處的頻域信號(hào)提取出來(lái)，再對(duì)該頻域信號(hào)進(jìn)行傅立葉反變換，這樣呼 吸信號(hào)的時(shí)域信息提取出來(lái)，對(duì)提取出的呼吸時(shí)域信號(hào)利用插值法進(jìn)行平滑處理； 心跳信號(hào)的時(shí)域信息提取及對(duì)其平滑處理：對(duì)快速傅立葉變換后的曲線用帶通濾波器 將心跳信號(hào)中心頻率處的頻域信息提取出來(lái)，再對(duì)該頻域信號(hào)進(jìn)行傅立葉反變換，這樣心 跳信號(hào)的時(shí)域信息提取出來(lái)，對(duì)提取出的心跳時(shí)域信號(hào)利用插值法進(jìn)行平滑處理； 非正常心跳信號(hào)曲線比較：利用動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整方法將提取出的心跳時(shí)域信號(hào)與麻省理 工學(xué)院的心律失常數(shù)據(jù)庫(kù)中曲線進(jìn)行比對(duì)； 對(duì)呼吸、心跳時(shí)域信號(hào)可視化處理及非正常心跳信號(hào)提醒：在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)現(xiàn)心跳 和呼吸時(shí)域信號(hào)的可視化，如果發(fā)現(xiàn)比對(duì)后有類似異常心跳信號(hào)曲線，對(duì)用戶進(jìn)行異常提 醒。
【專利摘要】本發(fā)明屬于利用普通無(wú)線設(shè)備實(shí)現(xiàn)感知的技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于WiFi中CSI信號(hào)強(qiáng)度的非侵入式呼吸心跳檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明立足于對(duì)信道狀態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)了非侵入式人體健康監(jiān)護(hù)。無(wú)線網(wǎng)卡從每個(gè)接收到的數(shù)據(jù)包中獲取其中一種CSI，對(duì)CSI進(jìn)行傅立葉變化，利用呼吸和心跳頻率的不同從中分離出呼吸和心跳信號(hào)頻域信息，再利用傅立葉反變換提取出各自的時(shí)域信息，并對(duì)其進(jìn)行平滑處理，實(shí)現(xiàn)呼吸和心跳信號(hào)數(shù)據(jù)可視化。同時(shí)，將心跳信號(hào)與麻省理工學(xué)院的心律失常數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行曲線比對(duì)，如發(fā)現(xiàn)異常，提醒用戶，該發(fā)明可廣泛應(yīng)用于家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)。
【IPC分類】A61B5/024, A61B5/08
【公開號(hào)】CN105232022
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510593528
【發(fā)明人】李燈熬, 朱颮凱, 趙菊敏
【申請(qǐng)人】太原理工大學(xué)
【公開日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年9月17日