基于姿态识别的老人紧急报警系统

广东东软学院计算机科学与技术系 陈唯美 李 晶 丑佳文

基于姿态识别的老人紧急报警系统

广东东软学院计算机科学与技术系 陈唯美 李 晶 丑佳文

针对社会上日益突出的留守老人过多，老人跌倒无人敢扶等问题，为改善市面上已有产品过度依赖硬件，功能少、使用不够便捷简单等缺陷，开发了一款基于姿态识别的老人紧急报警系统，给老年人安全问题提供一个较完善的解决方案。

姿态识别；老年人安全；移动应用

1 背景

随着我国社会人口老龄化的迅速发展，老龄问题给社会带来了新的挑战，老年人的行动安全问题显得越为重要。国际卫生部组织发布的《中国伤害预防报告》中指出[1]，老年人受到意外伤害中最为首要的原因是跌倒。尽管老年人口仅占全部人口的12%，65岁以上老年人的死亡与跌倒有直接或者间接关系的超过了74%[2]，除非有效的防跌倒措施能够提出并实施，个人和整个社会由于跌倒而付出的代价会稳定增长[3]。我国老年人的行动安全问题，已成为社会上高度关注问题。

2 研究现状

通过对老年人产品市场调研，国内外的同类产品分为两类：第一类是硬件产品（如图1），例如俊安多功能智能拐杖、远途智能拐杖，其硬件依赖性极高，必须要有特制拐杖，且功能少，无定位信息求救电话与短信等等，所有功能全部集中在硬件“拐杖”上完成；第二类是软件产品（如图2），如目前市面上仅有的一款软件产品“老来伴”，这款App尽管是软件，但只是拐杖产品的附属软件，数据采集等模块全部都在拐杖上面完成，手机只是作为接收拐杖采集数据后，处理数据与呈现数据的平台，依赖于外部硬件使软件的便捷性受限，反而带来更多不便，影响其普及。

图1 第一类硬件产品

图2 第一类老来伴APP

目前，还没有一款完全通过软件完成数据采集、数据处理、人机交互，不需依靠外部硬件的产品。鉴于此，研发了一款基于姿态识别与K-means算法的老年人安全伴侣应用。此应用在Android手机平台上开发，任意一个带加速度传感器并安装有Android系统的可移动性终端均可使用。在这点上与现有的智能拐杖产品大有不同，移动应用产品具有可扩展性强大、易于升级维护、界面美观亲切、易于操作等特点。

3 基于Android平台系统的设计

随着移动互联网的迅速发展，智能手机的硬件、软件、系统技术迅速提升，手机已成为生活中必不可少的一部分。移动软件的操作方便、快速服务、种类齐全等，一直影响和改变着人们的生活方式。Android 平台已经成为最为流行的手机开发平台，用户对各种应用的需求也越来越强。本文采用Android 手机的加速度传感器采集的数据，基于姿态识别技术研发一款老人紧急报警APP。

基于姿态识别的运动模式识别是模式识别领域的一个新兴研究方向，其主要表达是通过传感器采集、分析、提取特征值。软件功能按照触发模式分为两大类：自动触发功能和手动触发功能。根据特征值判断使用者的运动形式，参考了华南理工大学整理的SCUT-NAA数据库特征值进行分析，使得动作判断比已有智能拐杖产品更精准。

软件的基本研究思路是，参考SCUT-NAA库测试的数据范围参照表，与自身测试的数据数值对比，制定最优判断方案，编写逻辑代码实现动作模式判定；根据应用自身的实际情况，改进划分最小距离的K-means算法；最后完成其他手动触发功能对应的逻辑代码。

3.1 动作模式识别

自动触发功能中，老人摔倒警报功能需要对老人的动作进行捕捉，判断为摔倒动作后，触发警报并发送位置信息给亲人。捕捉判断人体的动作，需要进行动作模式识别。人体运动模式识别结构框图如图3所示。此阶段需收集实验数据，捕捉动作的概率特征，优化寻路的最短路径及优化反射距离的运算代码。

图3 人体运动模式识别结构框图

图4 软件主界面

3.2 系统安全设计

为确保消息传递之间的安全可靠，本程序设计采用了TCP传输协议，封装数据组件成服务，封装每个类内的实现属性和方法，以标准的通用化接口形式给用户调用。在程序设计时，对消息分为重点信息与一般信息，重点信息对数据进行加密处理，为减少对硬件和性能的消耗，一般信息不作加密。设定分级权限对每个模块管理，通过日志记录系统安全事件，对关键的数据部分采用非对称加密算法RSA验证相应密钥。老年人信息的泄露引发的社会安全问题极多，安全系统的设计在整个系统设计中极为重要。

3.3 软件界面设计

软件界面如下。图4为软件主界面，软件所有功能都在此界面上，一目了然，由于是针对老年人设计，所以界面设计尽可能简洁，操作步骤尽可能简化，尽量不改变已有操作习惯。图形按钮触发后，会调用安卓系统本身的功能和界面，避免陌生界面带来的困扰。例如手电筒点击后，界面不变，仅仅调用闪光灯；自动发短信按钮被按下，后台自动发出去设定好的信息，前面界面看不到变化。编辑短信则是调用安卓系统短信功能界面等。自动触发的功能即图上传感器按钮，摔倒检测、障碍物检测只需后台处理数据，按设置好的信息报警及发短息等。特殊装有类似TMD2771X传感器的手机上，会增加红外距离检测功能调用的按钮，点击按钮后，会根据红外距离的运算，计算障碍物的距离，对夜视不佳的老年人群体有极佳的帮助。

4 软件测试

为测试软件的精准程度，分别选取了26位测试者参与测试，其中，男性16名，女性12名，每人进行了两百次测试后发现，静坐、跑、跳、摔倒的加速度波动非常大，识别率高达97.365%，而上下楼等混淆动作时的准确率则为89.653%。结果表明，此软件的精确度较高，可行性大。

5 总结

基于姿态识别的老人紧急报警APP，在任意一个带加速度传感器并安装有Android系统的可移动性终端均可使用。其具有精确度高、使用便捷、可扩展性强大、易于升级维护等特点，为解决、预防老年人安全问题提供了一个比较完善的解决方案，同时为应用的普及带来了极大可能。

[1]《中国慢性病预防与控制》编辑部．卫生部公布我国伤害预防报告[J]．中国慢性病预防与控制,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．

陈唯美（1993—），男，广东湛江人，现就读于广东东软学院，主要研究方向：移动开发，游戏开发。

李晶【通讯作者】（1987—），女，陕西商洛人，硕士，讲师，主要研究方向：软件开发、数字媒体技术。

丑佳文（1990—），女，湖南常德人，硕士，主要研究方向：Android应用开发，智能仪器仪表。

本文受2016年度广东省省级大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：201612574003）。