無線體域網(wǎng)中人體動作監(jiān)測與識別若干方法研究.pdf

1、無線體域網(wǎng)是由可感知人體多種生理參數(shù)的輕便、可穿戴或可植入的傳感器節(jié)點構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)。無線體域網(wǎng)為人體健康監(jiān)測提供了新的手段，在疾病監(jiān)控、健康恢復、特殊人群監(jiān)護等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用意義和需求。通過佩戴在身體上的微慣性傳感器，體域網(wǎng)可以采集人體的運動信號，在人體動作監(jiān)測方面得到廣泛應(yīng)用，可實現(xiàn)人體動作識別、異常動作檢測、步態(tài)識別與分析、運動能耗分析等目的。
　　在利用無線體域網(wǎng)進行人體運動監(jiān)測過程中，如何在滿足身體活動監(jiān)測指標要求的

2、同時提高傳感器節(jié)點的能量有效性，以便能在實際應(yīng)用中長時間不間斷地進行人體動作監(jiān)測，是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。本文以由多個可穿戴的微慣性傳感器構(gòu)成的無線體感網(wǎng)為研究對象，圍繞能量有效性，以稀疏表示和壓縮感知理論為主線，從信號識別、信號壓縮、數(shù)據(jù)融合、功率控制這四個方面展開研究。主要工作和創(chuàng)新點如下:
　　(1)提出了一種基于自學習稀疏表示的動態(tài)手勢識別方法L-SRC。針對手勢識別中手勢長短不一的問題，將手勢樣本向量進行歸一化線性插值，

3、從而將手勢識別問題轉(zhuǎn)化為求解待識別樣本在訓練樣本中的稀疏表示問題;針對如何提高手勢識別精度和速度的問題，采用基于類別的字典學習方法尋求一個較小的并經(jīng)過優(yōu)化的超完備字典來計算待識別樣本的稀疏表示，從而在手勢識別階段大幅度縮減識別算法的計算復雜度，滿足快速識別要求。在包含18種手勢的數(shù)據(jù)集上驗證了提出的L-SRC手勢識別方法在保證識別精度的同時提升了識別速度。
　　(2)提出了兩種壓縮分類的動作識別方法RP-CCall和RP-CCea

4、ch。針對運動信號的時間冗余性和稀疏性，結(jié)合壓縮感知和稀疏表示理論，將傳感信號壓縮與動作識別相結(jié)合，以滿足一定動作識別率的同時降低傳感器節(jié)點的能耗。兩種RP-CC方法是在傳感器節(jié)點上利用隨機投影對運動信號進行數(shù)字化的壓縮采樣，通過減少無線體域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸量來節(jié)省能耗;在基站上直接對壓縮的數(shù)據(jù)建立稀疏表示的人體運動模式識別模型，利用稀疏系數(shù)的分布來實現(xiàn)動作識別。理論分析了壓縮分類動作識別方法能正確識別的基本條件。找到了能在存儲和計算資源有

5、限的傳感器節(jié)點上實現(xiàn)的隨機投影矩陣。在包含13種動作的數(shù)據(jù)集上進行了驗證，結(jié)果顯示RP-CCall方法和RP-CCeach方法在對壓縮的數(shù)據(jù)識別時也能達到無壓縮時相近似的識別準確率，并高于最近鄰、支持向量機等分類方法。
　　(3)提出了基于分布式壓縮感知和聯(lián)合稀疏表示的動作識別方法DCS-JSRC。針對無線體域網(wǎng)中多傳感器采集的運動數(shù)據(jù)之間的時空相關(guān)性，采用分布式壓縮感知在傳感器節(jié)點進行分布式壓縮，充分利用這種相關(guān)性來進一步壓縮數(shù)

6、據(jù)以降低傳輸能耗。在基站通過探索多傳感器節(jié)點感知運動信號的時空相關(guān)性，構(gòu)建適用于動作識別的聯(lián)合稀疏表示模型，將多傳感器的動作識別問題轉(zhuǎn)化為多變量稀疏線性回歸問題來求解。采用層次貝葉斯模型來求解稀疏表示系數(shù)，利用不同傳感器節(jié)點的相互關(guān)聯(lián)來進一步提高動作識別的準確率。在動作數(shù)據(jù)集上進行驗證，實驗結(jié)果顯示DCS-JSRC方法在相同壓縮比的情況下獲得了比RP-CCall方法和RP-CCeach方法更高的識別準確率。
　　(4)設(shè)計了輕量級

7、的基于動作行為的自適應(yīng)功率反饋控制機制PID-A。針對無線體域網(wǎng)中鏈路通信質(zhì)量受人的運動、姿態(tài)變化影響具有動態(tài)時變特性，通過實測人體不同動作以及發(fā)射功率變化對無線鏈路的影響，分析和總結(jié)了在人體不同運動狀態(tài)下節(jié)點的發(fā)射功率與鏈路通信質(zhì)量的變化特性和規(guī)律，在此基礎(chǔ)上建立基于反饋的功率控制系統(tǒng)模型，結(jié)合人體動作識別的結(jié)果，來動態(tài)調(diào)整無線體域網(wǎng)中節(jié)點的發(fā)射功率。實驗結(jié)果顯示PID-A功率控制機制可保證在數(shù)據(jù)包成功接收的條件下降低了傳感器節(jié)點發(fā)送