CN104656530A - 一种老年寓所的室内环境监控系统及方法 - Google Patents

一种老年寓所的室内环境监控系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种老年寓所室内环境监控系统和方法，该系统包括图像采集单元、生理信息采集单元、环境信息采集单元、室内电器控制单元、多个第一ZigBee模块、第二ZigBee模块、控制器、报警器、服务器、手机客户端。该方法通过各个采集单元采集室内信息，通过控制单元和控制器来控制室内电器等设备的运行，有利于寓所内的自动化健康管理，降低了室内环境监控的滞后性，节省了人力成本，提高了居住环境的安全等级，提升了家庭的智能化水平。

Description

一种老年寓所的室内环境监控系统及方法
技术领域
本发明涉及一种室内环境监控系统，特别涉及一种老年寓所的室内环境监控系统及方法。
背景技术
当今社会，人们对于方便、高效、安全、舒适的居家生活的需求日益强烈；另一方面，普遍认为中国已经迈入老龄化社会，相应的，老年人的安置与养老工作日益严峻。由于老年人群体的特殊性，存在健康异常状态的瞬发性与随机性，考虑到老年寓所内往往长期仅有老年人居住，子女不在身边，因此家庭条件较好的通常都配备有专业医护人员负责老人的身体健康。但以人为主体的监护系统，往往会由于疲劳、外界干扰等主客观因素的存在而造成疏漏。同时长期的人力成本也大大增加了家庭的经济负担。
在自动化监控领域，目前市面上以销售单一健康监控产品为主，如Apple watch、健康e族血压云监护系统及血糖云监护系统，力康Classic-70多参数监护仪，电子血压手镯，但是，这些产品大都以目标的生理特征作为检测指标，获取信息方式以及数据单一，不具有系统的可靠性，并且单个产品仅能用于单个目标，这必然大大增加了有较多成员家庭的经济负担。
由于上述问题的存在，使得建立一套面向老年寓所的全面、准确、稳定、高效的室内环境监控系统，有着重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有监控产品的不足，提供一种老年寓所的室内环境监控系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 一种老年寓所室内环境监控系统，包括图像采集单元、生理信息采集单元、环境信息采集单元、室内电器控制单元、多个第一ZigBee模块、第二ZigBee模块、控制器、报警器、服务器、手机客户端；生理信息采集单元、环境信息采集单元分别与一个第一ZigBee模块相连，室内电器控制单元与第二ZigBee模块相连；报警器、图像采集单元、多个第一ZigBee模块和第二ZigBee模块与控制器相连，控制器与手机客户端分别通过网络与服务器相连，室内电器控制单元包括继电器、红外发射器，继电器、红外发射器均与第二ZigBee模块相连，继电器与室内瓦斯开关相连，红外发射器通过红外与室内空调相连。
一种老年寓所室内环境监控方法，该方法在上述监控系统上实现的，该方法为：图像采集单元将采集的图像信息发送给控制器，生理信息采集单元、环境信息采集单元通过第一ZigBee模块将信息传送给控制器，控制器接收上述信息，并通过第二ZigBee模块控制室内电器控制单元对室内电器进行控制，同时控制器将信息传送给服务器，服务器将信息传送给手机客户端；手机客户端通过控制器控制室内电器控制单元对室内电器进行控制，具体为：
图像采集单元采集老年寓所室内图像，并将图像传送给控制器，控制器通过背景差法在图像中准确定位各目标位置，并实时监测目标的姿态信息，将姿态信息传送给服务器，服务器再将姿态信息发给手机客户端，同时，控制器根据姿态信息判断是否异常状况（跌倒）发生；若有异常情况，控制报警器报警，并将异常状况发送给服务器，服务器向手机客户端发送报警信号；
生理信息采集单元采集目标的生理数据，并将生理数据传送给控制器，控制器将生理数据传送给服务器，服务器再将生理数据发给手机客户端，同时，控制器判断上述生理数据是否在正常阈值内，采集的老年人生理数据正常阈值是指腋下体温在36-37摄氏度，心率在60-100次/分钟，血压不高于140/90mmHg，不低于90/60mmHg，若否，则控制报警器报警，并将异常状况发送给服务器，服务器向手机客户端发送报警信号；
环境信息采集单元包括温湿度传感器、烟雾传感器、瓦斯气体传感器；温湿度传感器采集室内的温度和湿度，并将温度和湿度通过ZigBee模块将信息传送给控制器，烟雾传感器和瓦斯气体传感器分别采集室内烟雾和瓦斯的浓度信息，并将气体浓度信息通过ZigBee模块将信息传送给控制器，控制器接收上述信息，将上述信息传送给服务器，服务器再将信息发给手机客户端，同时，控制器判断上述温度、湿度、气体浓度是否在正常阈值内，若温度和湿度不在设定值内（默认温度阈值为11-32摄氏度，湿度为30%-80%），则通过ZigBee模块中的MCU向红外发射器发送控制信号，红外发射器控制空调调节室内的温湿度；若烟雾浓度大于0.5%，控制报警器报警；若瓦斯浓度不在正常阈值（大于0.5%），则通过ZigBee模块中的MCU控制继电器，关闭瓦斯开关。
进一步地，控制器根据姿态信息判断是否有异常状况发生的方法，具体方法如下：
对当前全景图像中的前景区块进行分析，并获取相应信息，包括前景区块的长（length）、宽（width）、所包含的像素点的个数（sum）、中心点的坐标（central），对前景图像做水平方向和竖直方向上的投影，确定有效长度（width_shadow）和有效宽度（length_shadow）；所述有效宽度为：在竖直投影的结果上（一维向量），以central的横坐标为核心向左右各取45%的图像像素点，将合计的90%像素点的最大宽度作为有效宽度；有效长度：在水平投影的结果上（一维向量），以central的纵坐标为核心向左右各取45%的图像像素点，将合计的90%像素点的最大长度作为有效宽度。以中心点作为中心，以有效宽度作为宽，以有效长度作为长，所做出的矩形即为监控目标所在位置，从而避免因为展臂以及目标在地面的投影对监测的干扰；计算两帧之间投影长宽比（k=length_shadow/width_shadow），若发生突变（kn/kn-1>9），且前景区块中心点坐标在竖直方向发生较大位移（位移大于前景区块的长的1/3），则判定目标处于异常状态。
本发明的有益效果是：
（1）通过旋转摄像巡回采集寓所内图像，并拼接为全景图像，扩大监控范围，降低运营成本；
（2）对于全景图像，能够实时更新视频监控的全景图像背景，同时进行有效的前景分离，对运动或静止目标进行识别，最终能够有效判断摔倒等异常姿态的发生；
 （3）提出边缘约减法实现目标外接矩形的准确计算方法，以降低因为目标展臂、目标地面投影造成的干扰；
（4）增加在图像处理中对于特殊情况如瞬时开关灯等环境信息突变的干扰抑制，提高算法的稳定性；
（5）组建ZigBee寓所内无线局域网，实现家庭内部通信的方便、快捷，依托ZigBee无线局域网，高效、准确地采集寓所内环境信息，丰富数据信息，使系统所监控的信息进一步完善；
（7）通过ZigBee网络将继电器等的控制信号传输至家用电器设备，无需增加额外遥控器进行远程遥控；
（8）通过自主设计的手机客户端，实现嵌入式平台与用户手机的信息交互以及数据采集，确保系统管理的有效性和实时性。
附图说明
图1是本发明的系统架构图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的室内环境监控方法及系统进行详细说明。
如图1所示，一种老年寓所室内环境监控系统，包括图像采集单元、生理信息采集单元、环境信息采集单元、室内电器控制单元、多个第一ZigBee模块、第二ZigBee模块、控制器、报警器、服务器、手机客户端；生理信息采集单元、环境信息采集单元分别与一个第一ZigBee模块相连，室内电器控制单元与第二ZigBee模块相连；报警器、图像采集单元、多个第一ZigBee模块和第二ZigBee模块与控制器相连，控制器与手机客户端分别通过网络与服务器相连，室内电器控制单元包括继电器、红外发射器，继电器、红外发射器均与第二ZigBee模块相连，继电器与室内瓦斯开关相连，红外发射器通过红外与室内空调相连；
图像采集单元将采集的图像信息发送给控制器，生理信息采集单元、环境信息采集单元通过ZigBee模块将信息传送给控制器，控制器接收上述信息，并控制室内电器控制单元对室内电器进行控制，同时控制器将信息传送给服务器，服务器将信息传送给手机客户端；手机客户端通过控制器控制室内电器控制单元对室内电器进行控制；
图像采集单元为可旋转摄像头，可采用支持NTSC/PAL视频制式的性价比较高的模拟摄像机，并配备控制云台，实现寓所内全景图像采集，通常像素可设定为720*576，其外型小巧，功耗低。图像采集单元采集老年寓所室内图像，并将图像传送给控制器，控制器通过背景差法在图像中准确定位各目标位置，并实时监测目标的姿态信息，将姿态信息传送给服务器，服务器再将姿态信息发给手机客户端，同时，控制器根据姿态信息判断是否有异常状况（跌倒）发生；若有异常情况，控制报警器报警，并将异常状况发送给服务器，服务器向手机客户端发送报警信号；该过程具体包括图像拼接、前景区块识别、异常情况判断三个部分。
（1）图像拼接：用于将可旋转的摄像设备提取的图像并拼接全景图像，其具体方法流程如下：
（a）系统开辟全景图像所需空间，设置当前图像长宽length=0，width=0；
（b）上电前将云台运转至最左侧，并上电运行；
（c）将第一帧图像放置于全景图像旋转方向的反向边缘处（上电初始方向为向右），并更新图像长宽；
（d）计算加入新图像后的全景图像，在旋转方向侧的部分图像的傅里叶变换结果A，本方案所采用的部分图像为摄像头采集单帧图像的小1/3宽，等长矩形区域，傅里叶变换以及其逆变换的二维离散公式为：
其中F(u,v)是复变函数，u,v为频率变量，u=0,1,…,M-1,v=0,1,…,N-1，f(x,y)是像素值,x,y是图像坐标。
（e）旋转摄像头不断旋转并采集图像，当旋转至一个方向极限时，向主控芯片反馈反向信号，则转入步骤c；否则片上系统每隔一段图像帧后，将当前图像作为新进入图像进行运算，本方案采取每隔5帧图像再获取当前图像，以提供充分的运算时间；
（f）对新采集图像的旋转方向反向侧的部分图像计算傅里叶变化结果B,部分图像的选取以及傅里叶变化参看步骤（d）；
（g）计算矩阵C：
其中A，B分别为第一，二幅图部分图像的傅里叶变换结果。对矩阵C作傅里叶逆变换得到矩阵c，则两幅图像的空间平移量为矩阵c的最大值坐标(x0,y0);
（h）根据空间平移量实现图像拼接，获得新的全景图像，返回至步骤（d）；
（2）前景区块识别：实时更新监控背景，通过背景减除法识别前景区块，其具体方法流程如下：
（a）系统上电，完成摄像头调整焦距等准备工作，程序进入自动运行阶段；
（b）在自动运行阶段，首先读取摄像头采集并拼接的全景图像，取前K（3<K<5）帧图像，获取其灰度信息，并以K帧图像的灰度平均值建立背景模型，同时确定背景模型的均值和方差；
（c）获取新一帧图像的灰度信息，与背景模型做差，对任意像素点，计算公式：
其中，Luma为新图像的灰度信息，Meaning，Variance分别为原图像均值和方差，Global为全局阈值，可设为50-100，Factor为阈值因数，可设为15000-25000。
若同时满足上两式，则该点为前景点（置为1），否则为背景点（置为0）；
（d）为了节省存储空间以便于后续计算，对（c）中的标记结果进行打包处理，32位整数的每一位标示一个像素点的标记结果；
（e）光照突变等因素会干扰（d）中的标记结果（如开关灯等操作），为保证系统的准确性，需要对此类干扰进行判定并予以排除：
统计当前帧中，前景点的个数n，若n大于规定阈值K，则认为属于光照突变等情景，若n小于规定阈值，则认为属于正常情景。
K=length*width*rate, 50%<rate<80%
（f）根据（e）中的判定结果，采用不同的策略对背景模型进行实时更新，以提高系统持续运行的准确性；
采用加权平均和加权移动方差的方法，更新后的均值（updateMeaning）和更新后的方差（updateVariance）计算公式为：
根据（e）中的判定结果，在光照突变等情境下，weight取值趋近于1，在正常情境下，weight取值约为0.2；
（g）对（e）中得出的判定结果，进行图像的形态学处理以排除图像早点的干扰，以改善图像质量，即对前景信息点进行以模板大小为q的腐蚀与膨胀运算，其中，q可取3-9阶。
（h）对（g）中得到的图像结果进行连通性分析，采用二次扫描的算法对前景区块进行四领域连通性分析，其中二次扫描算法分为：
第一次扫描：
访问当前像素B(x,y)，如果B(x,y)==1：
如果B(x,y)的四领域中像素值都为0，则赋予B(x,y)=label，同时label值自加一；
如果B(x,y)的四领域中有像素值 大于1的像素Neighbors：
（1）将Neighbors中的最小值赋予给B(x,y)：
B(x,y) = min{Neighbors}
（2）记录Neighbors中各个值（label）之间的相等关系，即这些值（label）同属同一个连通区域；
第二次扫描：
访问当前像素B(x,y)，如果B(x,y) > 1：
找到与label = B(x,y)同属相等关系的一个最小label值，赋予给B(x,y)；完成扫描后，图像中具有相同label值的像素就组成了同一个连通区域。
（3）异常情况判断：控制器根据姿态信息判断是否有跌倒等异常状况发生的方法，其具体方法流程如下：
对当前全景图像中的前景区块进行分析，并获取相应信息，包括前景区块的长（length）、宽（width）、所包含的像素点的个数（sum），、中心点的坐标（central），对前景图像做水平方向和竖直方向上的投影，确定有效长度（width_shadow）和有效宽度（length_shadow）；
有效宽度：在竖直投影的结果上（一维向量），以central的横坐标为核心向左右各取45%的图像像素点，将合计的90%像素点的最大宽度作为有效宽度；有效长度：在水平投影的结果上（一维向量），以central的纵坐标为核心向左右各取45%的图像像素点，将合计的90%像素点的最大长度作为有效宽度。以中心点作为中心，以有效宽度作为宽，以有效长度作为长，所做出的矩形即为监控目标所在位置，从而避免因为展臂以及目标在地面的投影对监测的干扰；
计算两帧之间投影长宽比（k=length_shadow/width_shadow），若发生突变（kn/kn-1>9），且前景区块中心点坐标在竖直方向发生较大位移（位移大于前景区块的长的1/3，即大于length/3），则判定目标处于摔倒等异常状态。
生理信息采集单元采集目标的生理数据，并将生理数据传送给控制器，控制器将生理数据传送给服务器，服务器再将生理数据发给手机客户端，同时，控制器判断上述生理数据是否在正常阈值内，采集的老年人生理数据正常阈值是指腋下体温在36-37摄氏度之间，心率在60-100次/分钟之间，血压在90/60mmHg~140/90mmHg之间，若否，则控制报警器报警，并将异常状况发送给服务器，服务器向手机客户端发送报警信号；
老年人的生理特征接收模块是针对老年人所佩戴的如健康手环等检测设备，对所述检测设备的数据信息进行接收与解析，并通过ZigBee无线网络上传至控制器，完成对老年人的脉搏、体温、血压等生理指标的监控；
环境信息采集单元包括温湿度传感器、多种气体传感器；温湿度传感器采集室内的温度和湿度，并将温度和湿度通过ZigBee模块将信息传送给控制器，多种气体传感器采集室内气体浓度信息（烟雾、瓦斯），并将气体浓度信息通过ZigBee模块将信息传送给控制器，控制器接收上述信息，将上述信息传送给服务器，服务器再将信息发给手机客户端，同时，控制器判断上述温度、湿度、气体浓度是否在正常阈值内，若温度和湿度不在设定值内（默认温度阈值为11-32摄氏度，湿度为30%-80%），则通过ZigBee模块中的MCU向红外发射器发送控制信号，红外发射器控制空调调节室内的温湿度；若烟雾浓度大于0.5%，控制报警器报警，提醒室内人员撤退，若烟雾浓度大于1.5%，通知后台拨打119火警电话报警；若瓦斯浓度不在正常阈值（大于0.5%），则通过ZigBee模块中的MCU控制继电器，关闭瓦斯开关。

Claims (4)

1.一种老年寓所室内环境监控系统，其特征在于，包括图像采集单元、生理信息采集单元、环境信息采集单元、室内电器控制单元、多个第一ZigBee模块、第二ZigBee模块、控制器、报警器、服务器、手机客户端等；生理信息采集单元、环境信息采集单元分别与一个第一ZigBee模块相连，室内电器控制单元与第二ZigBee模块相连；报警器、图像采集单元、多个第一ZigBee模块和第二ZigBee模块与控制器相连，控制器与手机客户端分别通过网络与服务器相连，室内电器控制单元包括继电器、红外发射器，继电器、红外发射器均与第二ZigBee模块相连，继电器与室内瓦斯开关相连，红外发射器通过红外与室内空调相连。
2.一种老年寓所室内环境监控方法，其特征在于，该方法在权利要求1所述的监控系统上实现的，该方法为：图像采集单元将采集的室内巡回图像信息发送给控制器，生理信息采集单元、环境信息采集单元通过第一ZigBee模块将信息传送给控制器，控制器接收上述信息，并通过第二ZigBee模块控制室内电器控制单元对室内电器进行控制，同时控制器将信息传送给服务器，服务器将信息传送给手机客户端；手机客户端通过控制器控制室内电器控制单元对室内电器进行控制，具体为：
图像采集单元巡回采集老年寓所室内图像，并将图像传送给控制器，控制器通过背景差法在图像中准确定位各目标位置，并实时监测目标的姿态信息，将姿态信息传送给服务器，服务器再将姿态信息发给手机客户端，同时，控制器根据姿态信息判断是否异常状况（跌倒）发生；若有异常情况，控制报警器报警，并将异常状况发送给服务器，服务器向手机客户端发送报警信号；
生理信息采集单元采集目标的生理数据，并将生理数据传送给控制器，控制器将生理数据传送给服务器，服务器再将生理数据发给手机客户端，同时，控制器判断上述生理数据是否在正常阈值内，采集的老年人生理数据正常阈值是指腋下体温在36-37摄氏度，心率在60-100次/分钟，血压不高于140/90mmHg，不低于90/60mmHg，若否，则控制报警器报警，并将异常状况发送给服务器，服务器向手机客户端发送报警信号；
环境信息采集单元包括温湿度传感器、烟雾传感器、瓦斯气体传感器；温湿度传感器采集室内的温度和湿度，并将温度和湿度通过ZigBee模块将信息传送给控制器，烟雾传感器和瓦斯气体传感器分别采集室内烟雾和瓦斯的浓度信息，并将气体浓度信息通过ZigBee模块将信息传送给控制器，控制器接收上述信息，将上述信息传送给服务器，服务器再将信息发给手机客户端，同时，控制器判断上述温度、湿度、气体浓度是否在正常阈值内，若温度和湿度不在设定值内（默认温度阈值为11-32摄氏度，湿度为30%-80%），则通过ZigBee模块中的MCU向红外发射器发送控制信号，红外发射器控制空调调节室内的温湿度；若烟雾浓度大于0.5%，控制报警器报警；若瓦斯浓度不在正常阈值（大于0.5%），则通过ZigBee模块中的MCU控制继电器，关闭瓦斯开关。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，图像采集单元巡回采集老年寓所室内图像的方法，具体方法如下：
采用旋转摄像头周期性巡回采集室内图像，并根据旋转信号起点与终点位置拼接全景图像，将全景图像作为寓所内图像。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，控制器根据姿态信息判断是否有异常状况发生的方法，具体方法如下：
对当前全景图像中的前景区块进行分析，并获取相应信息，包括前景区块的长（length）、宽（width）、所包含的像素点的个数（sum）、中心点的坐标（central），对前景图像做水平方向和竖直方向上的投影，确定有效长度（width_shadow）和有效宽度（length_shadow）；所述有效宽度为：在竖直投影的结果上（一维向量），以central的横坐标为核心向左右各取45%的图像像素点，将合计的90%像素点的最大宽度作为有效宽度；有效长度：在水平投影的结果上（一维向量），以central的纵坐标为核心向左右各取45%的图像像素点，将合计的90%像素点的最大长度作为有效宽度；以中心点作为中心，以有效宽度作为宽，以有效长度作为长，所做出的矩形即为监控目标所在位置，从而避免因为展臂以及目标在地面的投影对监测的干扰；计算两帧之间投影长宽比k（k=length_shadow/width_shadow），若发生突变（kn/kn-1>9），且前景区块中心点坐标在竖直方向发生较大位移（位移大于前景区块的长的1/3），则判定目标处于异常状态。
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