KR101834906B1 - System and method for detecting abnormal status of user based on bio-signal and wearable device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이상상태 검출 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 웨어러블 디바이스를 이용하여 측정한 생체 신호를 기반으로 하여 운전자의 이상 상태를 사전에 분류 및 검출하여 운전자 및 동승자에게 알려줌으로써 사고를 미연에 방지할 수 있는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an abnormal state detection system and method, and more particularly, to a system and method for detecting an abnormal state of a driver based on a biological signal measured using a wearable device, and notifying the driver and the passenger of the accident, And a system and method for detecting a user anomaly state based on a wearable device.
운전 중 운전자의 스트레스, 졸음, 피곤과 같은 이상 상태는 운전자의 반응 속도나 판단 능력에 영향을 미쳐 주행 능력을 감소시키며 이로 인해 교통사고의 위험을 높인다.During driving, abnormal conditions such as driver 's stress, sleepiness, and fatigue affect the driver' s response speed and judgment ability, which reduces driving ability and increases the risk of traffic accidents.
이러한 운전 중 운전자의 이상 상태를 모니터링 하기 위해 다양한 방법들이 제안이 되었으며 그 중 한 가지 방법은 특허문헌 1과 같이 주로 운전자의 졸음을 검출하기 위한 목적으로 수행되는 영상 처리 기반의 방법으로, 카메라 영상으로 운전의 얼굴에 나타나는 졸음 징후를 포착하여 운전자의 졸음을 검출하게 된다. Various methods have been proposed to monitor the driver's abnormal condition during driving. One of the methods is based on image processing based on detection of driver's drowsiness as in Patent Document 1, The driver's drowsiness is detected by capturing signs of drowsiness appearing on the face of the driver.
하지만 이러한 영상 처리 기반의 방법은 조명 상태나 운전자의 안경 착용 유무와 같은 환경적인 요인에 영향을 받기 쉽고, 졸음 징후가 운전자의 얼굴에 나타난 후에 졸음 검출이 가능하다는 단점을 가지고 있다.However, these image processing based methods are susceptible to environmental factors such as lighting conditions and driver wearing glasses, and have the disadvantage that drowsiness can be detected after the drowsiness symptoms appear on the driver 's face.
이밖에 뇌파를 비롯한 다양한 운전자의 생체 신호를 수집한 후 이를 바탕으로 이상 상태를 검출하고 알림을 발생시키는 많은 시스템들이 제안되기도 하였다. 그러나 생체 신호 기반의 방법은 생체 신호의 수집을 위한 측정 장치를 운전자의 몸에 부착하여야 하는 불편함이 있었다. 따라서 이러한 문제를 해결하여 손쉽게 운전자의 생체 신호를 수집하고 이를 통해 운전자의 이상 상태를 검출하고자 하는 시도로써 최근 웨어러블 디바이스를 기반으로 한 특허문헌 2와 같은 방법이 많이 제안이 되었다.In addition, many systems have been proposed to detect abnormal conditions and generate notifications based on the collected bio-signals of various drivers including EEG. However, the bio-signal-based method has a disadvantage that the measurement device for collecting bio-signals must be attached to the driver's body. Accordingly, in order to solve such a problem, an attempt has been made to easily detect a driver's abnormality by collecting a bio-signal of a driver, and recently, a method as disclosed in
생체 신호란 우리 몸에서 측정 가능한 신호들로 뇌의 활동에 의해 발생되는 뇌파 이외에도 심장 박동에 의한 혈류를 빛을 이용하여 측정하는 피피지 (PPG:photoplethysmography), 땀샘의 활성화에 따라 변하는 피부 전도도를 측정하는 전기피부반응(galvanic skin response:GSR) 외에 신체의 온도 등이 포함 될 수 있다. Biological signals are signals that can be measured in our body. In addition to brain waves generated by brain activity, PPG (photoplethysmography), which measures blood flow by heartbeat, is used to measure the skin conductivity that changes with the activation of sweat glands And the temperature of the body in addition to the galvanic skin response (GSR).
앞에서 기술한 바와 같이 생체 신호를 기반으로 하는 실용적인 운전자 이상 상태 검출 시스템을 구성하기 위해서는 웨어러블 디바이스 등과 같이 운전자의 불편을 최소로 하면서 생체 신호를 수집하는 것이 필수적이다. As described above, in order to construct a practical driver abnormality detection system based on a bio-signal, it is essential to collect bio-signals such as a wearable device while minimizing driver's inconvenience.
하지만 웨어러블 디바이스에서 사용하는 비침습적 센서 또는 신호 측정 방법은 측정자의 움직임에 매우 민감하며 많은 잡음을 포함하게 되므로 획득한 신호의 부정확성으로 해당 신호를 상태 판별에 이용할 시 잘못된 상태 판단을 내릴 가능성이 높다. 따라서 웨어러블 디바이스를 활용한 시스템에서 사용하려는 목적에 맞게 해당 신호의 신뢰성을 판단하는 과정이 필수적이다.However, the non-invasive sensor or signal measurement method used in wearable devices is very sensitive to the movement of the measurer and contains a lot of noise, so there is a high possibility of making an erroneous state judgment when the signal is used for state discrimination due to the inaccuracy of the obtained signal. Therefore, it is essential to determine the reliability of the signal according to the purpose of use in the system using the wearable device.
또한 이상 상태를 판단할 때 정상 상태와 함께 스트레스, 졸음, 피곤 등의 다른 이상 상태를 구분하여 판단하기 때문에 각 상태를 구분할 수 있는 특징을 생체 신호로부터 추출해야 하며 적절한 분류 방법을 선택해야만 높은 정확도로 이상 상태를 분류 및 검출할 수 있다. In addition, when the abnormal state is determined, the abnormal state such as stress, drowsiness, and fatigue is discriminated in addition to the normal state. Therefore, it is necessary to extract the characteristic that distinguishes each state from the bioelectric signal. The abnormal state can be classified and detected.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 웨어러블 디바이스를 이용하여 측정한 생체 신호를 기반으로 하여 사용자의 이상 상태를 사전에 분류 및 검출하여 운전자 및 동승자에게 알려줌으로써 사고를 미연에 방지할 수 있는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a biological signal detecting apparatus and method which can prevent an accident from occurring by informing a driver and a passenger of an anomaly of a user based on a biological signal measured using a wearable device, And a system and method for detecting a user abnormal state based on a wearable device.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템은 사용자의 이상 상태를 검출하는 시스템에 있어서, 상기 사용자의 생체신호 및 움직임 신호를 측정하여 측정된 신호를 외부로 송신하는 웨어러블 디바이스; 및 상기 웨어러블 디바이스에서 송신된 신호를 수신 및 처리하여 상기 사용자의 이상상태를 검출하고 이를 표시하는 이상 상태 검출 및 표시기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a system for detecting an anomaly of a user, the system including: a bio-signal and a motion signal of the user; To a wearable device; And an abnormal state detection and display unit for receiving and processing a signal transmitted from the wearable device to detect and display an abnormal state of the user.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 방법은 사용자의 이상 상태를 검출하는 방법에 있어서, 웨어러블 디바이스를 통해 사용자의 생체신호 및 움직임 신호를 측정하는 생체신호 및 움직임 신호 측정단계; 상기 측정된 신호를 이상상태 검출 및 표시기로 송신하는 신호 송신단계; 상기 송신된 신호를 수신하는 신호 수신단계; 상기 수신된 신호에 대한 전처리과정을 통해 이상상태를 검출하는 이상상태 검출단계; 및 검출된 이상상태를 외부로 알려주는 이상상태 알림단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for detecting an anomaly of a user, the method comprising: detecting a user's biological signal and a motion signal through a wearable device; And a motion signal measuring step; A signal transmitting step of transmitting the measured signal to an anomaly detection and display device; A signal receiving step of receiving the transmitted signal; An abnormal state detecting step of detecting an abnormal state through a preprocessing process on the received signal; And an abnormal state notification step of informing the detected abnormal state to the outside.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템 및 방법은 사용자, 특히 운전자의 이상 상태를 사전에 검출하고 이를 운전자 및 동승객에게 알려주는 것이 가능하며, 이를 통해 운전자의 이상 상태를 사전에 통보 받아 휴식이나 실내 환기 등 적절한 조치가 취해지도록 함으로써 이상 상태로 인한 교통사고를 예방하여 사고로 인한 인적 및 물적 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.As described above, the system and method for detecting a user abnormality state based on a biological signal and a wearable device according to the present invention can detect an abnormal state of a user, particularly a driver, and inform the driver and the passenger of the abnormality. So that appropriate measures such as rest and indoor ventilation can be taken to prevent a traffic accident caused by an abnormal situation, thereby reducing human and material loss caused by an accident.
더 나아가 사고의 예방 이외에도 운전자의 이상 상태에 대한 정보는 주행 경로나 목적지, 휴식 시간 등 주행 중 발생하게 되는 다양한 의사 결정에 도움을 주어 운전자로 하여금 운전을 보다 쾌적하게 할 수 있도록 도와준다.Furthermore, in addition to the prevention of accidents, information on the driver's anomaly helps the driver to make various driving decisions by helping him / her to make various decisions that occur during driving such as driving route, destination, and break time.
또한, 운전자의 이상 상태 감지뿐만 아니라 본 발명에 포함된 생체 신호 처리 방법이나 상태 검출 알고리즘은 다양한 헬스 케어 제품이나 다른 산업 현장에서 작업자의 상태를 모니터링 하는 시스템 등의 여러 제품에 응용될 수 있는 장점이 있다.In addition, the bio-signal processing method and the state detection algorithm included in the present invention as well as the abnormal state detection of the driver can be applied to various products such as various healthcare products and systems for monitoring the status of workers in other industrial sites have.
도 1 은 본 발명에 따른 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 방법의 흐름도이다.
도 3은 도 2의 이상상태 검출단계를 세분화한 순서도이다.
도 4는 측정된 PPG 신호의 파형 및 검출된 피크를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2의 전처리 및 신호 판별단계를 세분화한 순서도이다.1 is a configuration diagram of a user abnormality detection system based on a wearable device and a bio-signal according to the present invention.
2 is a flowchart of a method of detecting a user anomaly state based on a wearable device and a bio-signal according to the present invention.
FIG. 3 is a flowchart illustrating the abnormal state detection step of FIG. 2; FIG.
4 is a diagram showing the waveforms of the measured PPG signals and the detected peaks.
FIG. 5 is a flowchart illustrating the preprocessing and signal discrimination steps of FIG. 2; FIG.
본 발명은 실용적인 생체 신호 기반의 운전자 이상 상태 시스템 및 세부 알고리즘에 관한 것으로 실용적인 시스템의 구성을 위해 시계 형태의 웨어러블 디바이스를 이용하여 운전자의 생체 신호와 움직임에 관한 신호를 측정한다.The present invention relates to a practical bio-signal-based driver anomaly state system and a detailed algorithm, and measures a driver's bio-signal and a motion signal using a wearable device in a clock shape for a practical system configuration.
이상 상태 검출을 위한 여러 신호를 운전자로부터 측정한 후, 측정된 신호를 검사하여 해당 신호를 이상 상태 검출에 사용할 수 있을지를 검사하는 전처리 과정을 실시하며, 전처리 과정 결과에서 사용 가능하다고 판단되는 구간의 신호를 이용하여 이상 상태 검출을 실시한다.A preprocessing process is performed to check whether the signal can be used to detect an abnormal condition by measuring various signals for detecting an abnormal condition from the driver and then checking the measured signal. The abnormal state detection is performed using the signal.
이상 상태 검출에 있어서, 보다 정확도 높은 검출 성능을 갖기 위하여 여러 분류기의 결과를 종합하여 최종적인 결과를 산출하는 앙상블 학습(ensemble learning) 기법 중 하나인 에이다부스트(Adaboost)를 이용한다.Adaboost, which is one of ensemble learning techniques that compiles the results of several classifiers and calculates the final result, is used to detect more anomalies in order to have more accurate detection performance.
상기 목적을 달성하기 위해 제안 된 본 발명은 크게 생체 신호를 측정하기 위한 웨어러블 디바이스와 측정된 신호를 처리하고 검출된 상태를 알려주기 위한 이상 상태 검출 및 표시기로 구성되며 이를 설명하기 위하여 도면을 참조하여 실시 내용을 구체적으로 기술한다.The present invention proposed to achieve the above object is largely composed of a wearable device for measuring a bio-signal, an abnormal state detection and indicator for processing a measured signal and for informing a detected state, The details of the implementation shall be described in detail.
도 1은 본 발명에 따른 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a user abnormality detection system based on a wearable device and a bio-signal according to the present invention.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템은 웨어러블 디바이스(100) 및 이상 상태 검출 및 표시기(200)를 구비한다.Referring to FIG. 1, a bio-signal and wearable device-based user anomaly detection system according to the present invention includes a
웨어러블 디바이스(100)는 착용자의 신체에서 발생하는 여러 생체 신호나 움직임으로 인한 정보를 측정하기 위한 것으로 주로 손목 등에 착용되는 스마트 워치 형태의 디바이스를 포함할 수 있다. The
웨어러블 디바이스(100)는 피피지(PPG) 센서(110), 온도 센서(120), 지에스알(GSR) 센서(130), 가속도계(140), 자이로스코프(150) 및 무선 통신부(160)를 구비한다. PPG 센서(110), 온도 센서(120) 및 GSR 센서(130)는 착용자의 피피지(PPG) 신호, 온도 및 지에스알(GSR) 신호를 감지한다. 가속도계(140) 및 자이로스코프(150)는 착용자의 움직임에 의한 정보를 측정한다. 무선 송신부(160)는 상기 센서들에 의해 측정된 신호를 무선통신을 통해 외부로 전송한다. 이때 무선 통신은 블루투스나 지그비 또는 알에프(Radio Frequency:RF) 통신 등이 포함될 수 있다.The
이상 상태 검출 및 표시기(200)는 차량 내부의 운전자 또는 동승객에게 쉽게 보일 수 있는 위치에 거치되는 장치로, 무선수신부(210), 제어 및 연산을 위한 하드웨어(220) 및 이상 상태 알림부(230)를 구비한다.The abnormality detection and
무선수신부(210)는 웨어러블 디바이스(100)에서 송신하는 신호를 수신하기 위한 장치로 웨어러블 디바이스의 무선 송신부(160)와 동일한 통신 방법을 사용한다.The
제어 및 연산을 위한 하드웨어(220)는 무선 통신부(210)와 이상 상태 알림부(230)의 동작을 제어하는 한편 무선 송신부(210)로부터 전달 받은 신호를 처리하여 운전자의 현재 상태를 판단한다. 그 후 검출한 상태를 이상 상태 알림부(230)로 전송하여 적절한 조치가 취해질 수 있도록 한다. 따라서 제어 및 연산을 위한 하드웨어(220)는 주변 장치의 제어와 연산을 위한 마이크로 컨트롤 유니트(Micro controller unit:MCU), 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor:DSP) 또는 소형 컴퓨터로 구성될 수 있다.The
이상 상태 알림부(230)는 제어 및 연산을 위한 하드웨어(220)에서 검출한 사용자 상태의 종류를 전달 받아 그에 알맞은 알림을 발생시켜 이상 상태를 외부로 알려준다. 해당 알림은 상태에 따라 엘이디(LED)의 점등이나 안내 메시지 출력과 같은 시각적인 알림과 함께, 상태에 따른 경고음이나 음성 메시지와 같은 청각적인 알림을 포함할 수 있다. 또한 검출된 상태를 완화시키기 위한 배경 음악이나 환기, 진동 등의 후속 조치도 포함될 수 있다. The abnormal
도 2는 본 발명에 따른 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 방법의 흐름도이다.2 is a flowchart of a method of detecting a user anomaly state based on a wearable device and a bio-signal according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 방법은 생체신호 및 움직임 신호 측정단계(S100), 신호 송신단계(S200), 신호 수신단계(S300), 이상상태 검출단계(S400) 및 이상상태 알림단계(S500)를 구비한다. As shown in FIG. 2, the bio-signal and wearable device-based user abnormal state detection method according to the present invention includes a bio-signal and motion signal measurement step S100, a signal transmission step S200, a signal reception step S300, A state detection step S400 and an abnormal state notification step S500.
생체신호 및 움직임 신호 측정단계(S100)에서는 시계 형태의 웨어러블 디바이스를 이용하여 피피지(PPG) 신호, 온도 및 지에스알(GSR) 신호와 같은 운전자의 생체 신호와 가속도 및 자이로 신호 등의 움직임에 관한 신호를 측정한다.In the bio-signal and motion signal measurement step S100, a wearable device of the clock type is used to measure the movement of the driver's bio-signals, acceleration and gyro signals such as the PPG signal, the temperature signal and the GSR signal Measure the signal.
신호 송신단계(S200)에서는 웨어러브 디바이스 내의 무선통신부를 이용하여 측정된 신호를 송신하며, 신호 수신단계(S300)에서는 이상 상태 검출 및 표시기 내의 무선통신부를 이용하여 웨어러블 디바이스에서 송신된 신호를 수신한다.In the signal transmission step S200, a measured signal is transmitted using the wireless communication unit in the wearable device, and in the signal reception step S300, a signal transmitted from the wearable device is detected using the abnormal state detection and wireless communication unit in the indicator .
이상상태 검출단계(S400)에서는 수신된 신호에 대한 전처리 과정을 통해 이상상태를 검출하며 이상상태 알림단계(S500)에서는 검출된 이상 상태를 시각적 및 청각적 알림장치를 통해 운전자 또는 동승객에게 알려준다.In the abnormal state detection step S400, an abnormal state is detected through a preprocessing process on the received signal. In the abnormal state notification step S500, the abnormal state is informed to the driver or the passenger through the visual and auditory notification device.
도 3은 도 2의 이상상태 검출단계(S400)를 세분화한 순서도이고, 도 4는 측정된 피피지 신호의 파형 및 검출된 피크를 나타내는 도면이다.FIG. 3 is a flowchart showing a detailed process of detecting the abnormal state (S400) of FIG. 2, and FIG. 4 is a diagram showing the waveform of the measured RF signal and the detected peak.
이상상태 검출단계(S400)는 피피지 신호의 피크검출단계(S410), 전처리 및 신호 판별단계(S420), 특징추출단계(S430) 및 이상상태 추출단계(S440)로 구성된다. The abnormal state detection step S400 includes a peak detection step S410, a preprocessing and signal discrimination step S420, a feature extraction step S430 and an abnormal state extraction step S440.
피피지 신호의 피크검출단계(S410)에서는 웨어러블 디바이스로부터 송신된 신호로부터 피피지 신호의 피크를 검출한다. 피피지 신호의 피크(peak)란 도 4의 피피지 신호에서 붉은 색 별로 표시된 각 피피지 신호의 펄스(pulse)의 꼭지점으로 심장의 박동에 의해 피가 혈관으로 전달되어 혈관 내부의 압력이 최대가 되는 지점을 말한다. 본 발명에서 구성한 환경에 맞는 알고리즘을 선택하여 피피지 신호의 피크를 검출할 수 있으며 해당 피크를 검출하면 피크의 간격 등을 통해 심박 수의 변화 추이를 알아 낼 수 있다.In the peak detection step (S410) of the peak signal, the peak of the peak signal is detected from the signal transmitted from the wearable device. The peak of the RF signal is the peak of each pulse of the RF signal indicated by red in the RF signal of FIG. 4, and the blood is delivered to the blood vessel by the heartbeat, . The peak of the feature signal can be detected by selecting an algorithm suitable for the environment configured in the present invention, and the change in the heart rate can be detected through the interval of peaks when the peak is detected.
전처리 및 신호 판별단계(S420)에서는 웨어러블 디바이스를 통해 측정된 신호를 전처리하여 이상상태 검출에 사용할 수 있는지 여부를 판별한다. In the preprocessing and signal determination step S420, a signal measured through the wearable device is pre-processed to determine whether or not it can be used for abnormal state detection.
웨어러블 디바이스를 활용하여 신호를 측정할 시, 비 침습적인 신호 측정으로 인해 많은 잡음이 발생하게 된다. 이러한 잡음이 포함된 신호를 상태 판별에 사용할 경우 잘못된 상태 판단이 이루어지기 쉽다. 따라서 해당신호를 전처리하여 이상상태 검출에 사용할 수 있는지 여부를 판별하는 과정이 필수적이다.When measuring a signal using a wearable device, non-invasive signal measurement causes a lot of noise. When a signal including such a noise is used for state discrimination, it is easy for an erroneous state judgment to be made. Therefore, it is essential to determine whether the signal can be used for abnormal condition detection by preprocessing.
해당 전처리 및 신호판별은 잡음에 가장 민감한 PPG 신호를 대상으로 하는데, 피피지 신호에서 피크를 검출한 후 다음의 4가지 조건을 만족하는지를 검사한다. The preprocessing and signal discrimination are performed on the PPG signal which is most sensitive to the noise. After detecting the peak in the PPG signal, it is checked whether the following four conditions are satisfied.
첫 번째 조건은 심박 수의 증감 정도에 관한 것으로 수학식 1과 같은 부등식을 사용하며, 여기에서 tk-1, tk, tk+1은 연속적인 세 피크의 위치이다. The first condition relates to the degree of increase / decrease of heart rate, and uses the inequality equation (1), where tk-1, tk, tk + 1 are consecutive three peak positions.
두 번째 조건은 피크(peak)의 간격이 기준 값에서 크게 벗어나지 않는지를 검사하는 것으로, 검사하는 피피지 신호의 평균 피크 간격과 기준 값의 차가 기준 값의 α배 이내에 있는지를 검사한다. 자세히 말하면 검사하는 피피지 신호의 평균 피크간격(peak interval:PI)을 테스트간격(tested interval:TI) 이라 하고 기준이 되는 피크간격(PI)을 평균피크간격(MPI)라 할 때 수학식 2와 같이 테스트간격(TI)과 평균피크간격(MPI)의 차의 절대 값이 평균피크간격(MPI)의 α배 보다 작은지를 검사한다. 신호를 측정하는 장치의 움직임이 적을때 잡음이 발생할 확률이 감소한다.The second condition is to check whether the interval of peaks does not deviate greatly from the reference value. It is checked whether the difference between the average peak interval of the RF signal to be inspected and the reference value is within? Times of the reference value. More specifically, when the average peak interval (PI) of the RF signal to be tested is referred to as a tested interval (TI) and the reference peak interval (PI) is defined as an average peak interval (MPI) Similarly, it is checked whether the absolute value of the difference between the test interval TI and the average peak interval MPI is smaller than? Times the average peak interval MPI. The probability that noise will occur when the motion of the device measuring the signal is small is reduced.
따라서 세 번째 조건은 신호 측정을 위한 웨어러블 디바이스의 움직임이 일정치 이하인지를 검사하는 것이다. 웨어러블 디바이스의 움직임에 관한 정보를 얻기 위하여 측정된 x, y, z축의 가속도 값에서 중력 성분에 의한 값을 배제하기 위하여 각각 고대역 통과 필터를 적용시킨 후 제곱에 합을 취한다. 그리고 이렇게 계산된 움직임 정도에 관한 값의 평균이 기준치 이하인지를 검사하여 측정 장치의 움직임이 적은지를 확인한다. Therefore, the third condition is to check whether the movement of wearable device for signal measurement is below constant. In order to obtain information about the movement of the wearable device, a high-pass filter is applied to exclude the value due to the gravity component from the acceleration values of the measured x, y, and z axes, and then the sum is added to the squares. Then, it is checked whether the average value of the calculated motion is less than the reference value to check whether the movement of the measuring device is small.
마지막 조건은 적은 잡음 상황에서 각 피피지 신호의 펄스(pulse)의 형태가 유사하게 나타난다는 성질을 이용한 것으로 검사하는 구간내의 각 피피지 신호의 펄스(pulse)의 상관계수(correlation coefficient:CC)를 계산하여 그 최소값이 일정 기준치 이상 인지를 검사한다. 이때 상관계수(CC)는 수학식 3과 같이 계산되며 두 신호 x와 y의 유사도를 비교한다. The last condition is based on the fact that the shape of the pulse of each RF signal is similar in a small noise situation. The correlation coefficient (CC) of the pulse of each RF signal in the interval And it is checked whether the minimum value is equal to or greater than a predetermined reference value. At this time, the correlation coefficient (CC) is calculated as shown in Equation (3), and the similarity of the two signals x and y is compared.
도 5는 도 2의 전처리 및 신호 판별단계를 세분화한 순서도이다.FIG. 5 is a flowchart illustrating the preprocessing and signal discrimination steps of FIG. 2; FIG.
도 5는 상기한 4가지 조건을 이용하여 검사하는 구간 내 신호의 사용 가능 여부를 판단하는 순서도로 첫 번째 조건과 두 번째 조건 또는 첫 번째 조건과 세 번째 조건 및 네 번째 조건을 만족하는 경우 해당 구간의 신호를 사용 가능하다고 판단한다. 그리고 해당 구간의 신호가 사용가능한 것으로 판단되는 경우 평균피크간격(MPI)을 수학식 4와 같이 갱신한다. FIG. 5 is a flow chart for judging whether or not an intra-section signal to be examined using the above-mentioned four conditions is available. When the first condition and the second condition or the first condition, the third condition and the fourth condition are satisfied, It is judged that the signal of If it is determined that the signal of the corresponding interval is available, the average peak interval (MPI) is updated as shown in Equation (4).
전처리 및 신호 판별단계(S420)에서 사용 가능한 신호라고 판단이 되면 해당 신호를 이용하여 이상 상태를 검출하기 위한 특징추출단계(S430)를 수행한다. 특징은 측정 한 신호 중 피피지 신호, 온도, 지에스알 신호, 자이로 신호를 대상으로 하며 아래와 같은 총 7개의 특징을 추출 한다. If it is determined that the signal is a usable signal in the preprocessing and signal discrimination step S420, a feature extraction step S430 for detecting an abnormal state is performed using the signal. The features are the target signal, temperature, ground signal, and gyro signal among the measured signals and extract the following seven features.
첫 번째 특징은 피피지 신호의 평균 피크간격(PI)이고, 두 번째 특징은 피피지 신호에서 0.5 Hz 이하의 저주파 성분을 제거한 신호에서 각 피크 크기의 평균이다. 세 번째 특징은 피피지 신호의 중간(median) 값으로 직류(DC) 성분의 크기를 알기 위한 특징이다. 네 번째 특징은 두 번째와 세 번째 특징의 비로 교류(AC)와 직류(DC) 성분의 비를 나타낸다. 다섯 번째와 여섯 번째의 특징은 각각 온도와 지에스알 신호의 평균값이다. 마지막 특징은 세 축의 자이로 신호에 각 제곱을 취한 후 더한 값에 제곱근을 취한 값의 평균이며 자이로 값의 변화 정도를 나타내는 특징이다.The first feature is the average peak interval (PI) of the FE signal, and the second feature is the average of each peak magnitude in the signal with the low frequency components below 0.5 Hz removed from the FE signal. The third feature is the median value of the RF signal to determine the magnitude of the DC component. The fourth characteristic is the ratio of the second AC characteristic to the DC characteristic. The fifth and sixth features are the average values of the temperature and the zygote signal, respectively. The last feature is the average of the values obtained by taking the squares of the gyro signals of the three axes followed by the square root of the sum and the degree of change of the gyro value.
이상 상태 검출을 위한 특징추출단계(S430)에서 추출한 7개의 특징을 이용하여 이상상태 추출단계(S440)에서 실제로 이상 상태의 검출을 실시한다. 상태 검출 및 분류를 위해 분류기를 사용하며 분류기는 구분하기 어려운 정상, 스트레스, 졸음, 피곤의 각 상태들을 대상으로 신뢰도 높은 성능을 이끌어 내기 위하여 앙상블 학습(ensemble learning) 기법 중 하나인 에이다부스트(Adaboost)를 이용한다. 에이다부스트(Adaboost)는 여러 분류기의 결과를 종합하여 결과를 산출하는 방법으로 neural network 기반의 분류기를 한 개 이상 설계하고 설계 및 훈련시킨 여러 개 분류기의 결과를 종합하여 최종적인 상태 분류 및 검출을 수행 한다.The abnormal state extraction step S440 actually detects the abnormal state using the seven features extracted in the feature extraction step S430 for detecting the abnormal state. A classifier is used for state detection and classification. The classifier uses Adaboost, which is one of ensemble learning techniques, to derive reliable performance for normal, stress, drowsiness, and fatigue states that are difficult to distinguish. . Adaboost is a method to synthesize the results of several classifiers and collects the results of several classifiers designed, designed and trained one or more neural network based classifiers to perform final state classification and detection do.
본 발명은 도면들에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이들로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it is to be understood that various modifications and equivalent embodiments may be made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
Claims (17)
상기 사용자의 생체신호 및 움직임 신호를 측정하여 측정된 신호를 외부로 송신하는 웨어러블 디바이스; 및
상기 웨어러블 디바이스에서 송신된 신호를 수신 및 처리하여 상기 사용자의 이상상태를 검출하고 이를 표시하는 이상 상태 검출 및 표시기;를 포함하되,
상기 이상 상태 검출 및 표시기는
상기 웨어러블 디바이스로부터 송신된 신호를 수신하는 무선수신부;
상기 수신된 신호를 전처리하고 이상상태를 검출하는 제어 및 연산을 위한 하드웨어; 및
상기 제어 및 연산을 위한 하드웨어로부터 검출된 이상상태를 외부에 알려주는 이상상태 알림부;를 구비하며,
상기 제어 및 연산을 위한 하드웨어는
측정된 피피지 신호의 피크 검출과, 해당 구간의 신호가 이상상태 검출에 사용될 수 있는지 여부를 판단하기 위한 전처리와, 이상상태 검출을 위한 특징 추출과 에이다부스트(Adaboost)를 이용한 이상 상태 검출 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템.A system for detecting an abnormal condition of a user,
A wearable device for measuring the user's bio-signal and motion signal and transmitting the measured signal to the outside; And
And an abnormal state detection and display unit for receiving and processing a signal transmitted from the wearable device to detect and display an abnormal state of the user,
The abnormality detection and display device
A wireless receiving unit for receiving a signal transmitted from the wearable device;
Hardware for control and operation for preprocessing the received signal and detecting an abnormal state; And
And an abnormality state notification unit for informing the abnormality detected from the hardware for the control and operation to the outside,
The hardware for the control and computation
A preprocessing for judging whether or not a peak of the measured RF signal and a signal of the corresponding section can be used for detecting an abnormal state, a feature extraction for detecting an abnormal state, and an abnormal state detection operation using AdaBoost And a wearable device based on the biological signal.
사용자의 피피지 신호 측정을 위한 피피지 센서;
사용자의 온도 측정을 위한 온도 센서;
사용자의 지에스알 신호 측정을 위한 지에스알 센서;
사용자의 움직임에 따른 가속도 측정을 위한 가속도계;
사용자의 움직임에 따른 회전운동 신호 측정을 위한 자이로스코프; 및
상기 피피지 센서, 온도 센서, 지에스알 센서, 가속도계 및 자이로스코프로부터 측정된 생체신호 및 움직임에 관한 신호를 상기 이상 상태 검출 및 표시기로 송신하는 무선송신부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템.The wearable device of claim 1, wherein the wearable device
An image sensor for measuring a user's image signal;
A temperature sensor for measuring the temperature of the user;
A geosynthetic sensor for measuring the user's signal;
An accelerometer for measuring acceleration according to user's motion;
A gyroscope for measuring a rotational motion signal according to a user's motion; And
And a radio transmitter for transmitting a bio-signal and a motion-related signal measured from the RF sensor, the temperature sensor, the GPS sensor, the accelerometer, and the gyroscope to the abnormal state detection and display device. Device based user abnormal state detection system.
블루투스, 알에프(RF), 지그비를 포함하는 무선 통신 방식으로 신호를 송신 및 수신하는 것을 특징으로 하는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템.The wireless communication system according to claim 2, wherein the radio transmitter and the radio receiver
Wherein the signal is transmitted and received in a wireless communication system including Bluetooth, RF, and ZigBee.
주변 장치의 제어와 연산을 위한 마이크로 컨트롤 유니트(MCU), 디지털 신호 처리기(DSP) 또는 소형 컴퓨터로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템.The method of claim 1, wherein the hardware for the control and computation comprises
And a microcomputer unit (MCU), a digital signal processor (DSP) or a small computer for controlling and operating peripheral devices.
엘이디(LED)의 점등이나 안내 메시지 출력과 같은 시각적 알림;
경고음이나 음성 메시지와 같은 청각적 알림; 및
진동에 의한 촉각적 알림;을 통해 이상상태를 외부에 알려주는 것을 특징으로 하는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 시스템.
The apparatus according to claim 1, wherein the abnormality notification unit
Visual notifications such as lighting of LEDs and output of guidance messages;
Audible alarms such as beeps or voice messages; And
Wherein the abnormality state is informed to the outside via a tactile alert by vibration.
웨어러블 디바이스를 통해 사용자의 생체신호 및 움직임 신호를 측정하는 생체신호 및 움직임 신호 측정단계;
상기 측정된 신호를 이상상태 검출 및 표시기로 송신하는 신호 송신단계;
상기 송신된 신호를 수신하는 신호 수신단계;
상기 수신된 신호에 대한 전처리과정을 통해 이상상태를 검출하는 이상상태 검출단계; 및
검출된 이상상태를 외부로 알려주는 이상상태 알림단계;를 포함하되,
상기 생체신호 및 움직임 신호 측정단계는
웨어러블 디바이스를 통해 사용자의 피피지 신호, 사용자의 온도, 사용자의 지에스알 신호, 사용자의 움직임에 따른 가속도 및 사용자의 움직임에 따른 회전운동 신호를 측정하며,
상기 이상상태 검출단계는
웨어러블 디바이스로부터 송신된 신호로부터 피피지 신호의 피크를 검출하는 피피지 신호의 피크검출단계;
웨어러블 디바이스를 통해 측정된 신호를 전처리하고 해당 구간의 신호가 이상상태 검출에 사용될 수 있는지 여부를 판별하는 전처리 및 신호 판별단계;
상기 전처리 및 신호 판별단계에서 사용 가능한 신호로 판단된 신호를 이용하여 이상 상태를 검출을 위한 특징을 추출하는 특징추출단계; 및
상기 특징추출단계에서 추출된 특징을 이용하여 이상상태를 추출하는 이상상태 추출단계;를 포함하되,
상기 이상상태 추출단계는
정상상태, 스트레스 상태, 졸음상태 또는 피곤상태를 대상으로 상태 검출 및 분류를 위해 복수개의 분류기를 사용하며, 상기 복수개의 분류기의 결과를 종합하여 최종적인 결과를 산출하는 에이다부스(Adaboost)기법을 사용하여 이상상태를 추출하는 단계인 것을 특징으로 하는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 방법.A method for detecting an abnormal state of a user,
A biological signal and a motion signal measuring step of measuring a user's biological signal and a motion signal through the wearable device;
A signal transmitting step of transmitting the measured signal to an anomaly detection and display device;
A signal receiving step of receiving the transmitted signal;
An abnormal state detecting step of detecting an abnormal state through a preprocessing process on the received signal; And
And an abnormal condition notification step of informing the detected abnormal condition to the outside,
The bio-signal and motion signal measurement step
The wearable device measures the user's feel signal, the temperature of the user, the user's earth signal, the acceleration according to the user's motion, and the rotational motion signal according to the user's motion,
The abnormal state detecting step
A peak detection step of detecting a peak of a feature signal from a signal transmitted from a wearable device;
A preprocessing and signal discrimination step of pre-processing a signal measured through the wearable device and discriminating whether a signal of the corresponding section can be used for detecting an abnormal state;
A feature extraction step of extracting a feature for detecting an anomaly state using a signal determined as a usable signal in the preprocessing and signal discrimination step; And
Extracting an abnormal state using the feature extracted in the feature extracting step,
The abnormal state extracting step
(Adaboost) technique that uses a plurality of classifiers to detect and classify a state in a normal state, a stress state, a drowsy state, or a tired state and synthesizes the results of the plurality of classifiers to calculate a final result And extracting an abnormal state based on the biological signal and the wearable device.
블루투스, 알에프(RF) 또는 지그비를 포함하는 무선 통신방식으로 진행되는 것을 특징으로 하는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 방법.9. The method of claim 8, wherein the signal transmitting step and the signal receiving step
(RF), or Zigbee. The method of detecting a user anomaly based on a bio-signal and a wearable device.
피피지 신호의 펄스 간격의 증감 정도에 따른 제1조건, 펄스 간격의 유사도에 따른 제2조건, 가속도 값의 크기에 따른 제3조건 및 펄스 형태의 유사도에 따른 제4조건을 기준으로 해당 구간 신호가 이상상태 검출에 사용될 수 있는지 여부를 판별하는 단계인 것을 특징으로 하는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 방법.9. The method of claim 8, wherein the preprocessing and signal determination step comprises:
A second condition according to the degree of similarity of the pulse intervals, a third condition according to the magnitude of the acceleration value, and a fourth condition according to the degree of similarity of the pulse shape, Wherein the step of determining whether or not the abnormal condition can be used for detecting an abnormal condition comprises the steps of:
피피지 신호의 평균 피크간격, 피크 크기의 평균, 직류 성분의 크기를 알기 위한 피피지 신호의 중간값, 상기 피크 크기의 평균과 상기 피피지 신호의 중간값의 비, 온도 값의 평균, 지에스알 신호의 평균값 및 자이로 값의 변화 정도로 구성된 특징을 추출하는 단계인 것을 특징으로 하는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 방법.9. The method according to claim 8, wherein the feature extracting step
A mean value of a peak value, an average value of a peak value, an intermediate value of a peak value signal to know a magnitude of a direct current component, a ratio of an average value of the peak size to an intermediate value of the peak value, Wherein the step of extracting the features comprises the step of extracting features constituted by the average value of the signals and the degree of change of the gyro value.
검출된 이상상태에 따라 엘이디(LED)의 점등이나 안내 메시지 출력과 같은 시각적인 알림을 제공하거나 경고음이나 음성 메시지와 같은 청각적인 알림을 제공하거나 진동에 의한 촉각적 알림을 제공하는 단계인 것을 특징으로 하는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 방법.9. The method according to claim 8, wherein the abnormality notification step
And provides a visual notification such as lighting of an LED or output of a guidance message according to the detected abnormal state, providing an auditory notification such as a warning sound or a voice message, or providing a tactile notification by vibration A method for detecting a user anomaly state based on a biological signal and a wearable device.
상기 제1조건 및 상기 제2조건을 만족하거나,
상기 제1조건, 상기 제3조건 및 상기 제4조건을 만족하는 경우 상기 해당 구간의 신호가 이상상태 검출에 사용될 수 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 생체신호와 웨어러블 디바이스 기반의 사용자 이상상태 검출 방법.13. The method of claim 12,
Wherein the first condition and the second condition are satisfied,
When the first condition, the third condition, and the fourth condition are satisfied, it is determined that the signal of the corresponding section can be used for detecting an abnormal condition. The method of detecting a user abnormal condition based on a biological signal and a wearable device .
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