基于WiFi中CSI信號強度的非侵入式呼吸心跳檢測實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于利用普通無線設(shè)備實現(xiàn)感知的技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于WiFi中CSI信號 強度的非侵入式呼吸心跳檢測實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年來，無線電波越來越多的被運用于日常生活，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 個子載波上的信息。CSI能夠測量出每個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)信號微 小的變化進行感知出來，因此，CSI具有高靈敏度和感知區(qū)域廣等特點。

【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)還沒有應用于人體呼吸心跳檢測的問 題，提供了基于WiFi中CSI信號強度的非侵入式呼吸心跳檢測實現(xiàn)方法。
[0004] 本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的：基于WiFi中CSI信號強度的非侵入式呼吸 心跳檢測實現(xiàn)方法，包括以下步驟：
[0005] 收集CSI曲線并對收集到的CSI曲線進行快速傅立葉變化：計算機從每個接收到 的數(shù)據(jù)包中獲取一組CSI曲線，對獲取的CSI曲線進行快速傅立葉變換；
[0006] 呼吸信號的時域信息提取及對其平滑處理：對快速傅立葉變換后的曲線用帶通濾 波器將呼吸信號中心頻率處的頻域信號提取出來，再對該頻域信號進行傅立葉反變換，這 樣呼吸信號的時域信息提取出來，對提取出的呼吸時域信號利用插值法進行平滑處理；
[0007] 心跳信號的時域信息提取及對其平滑處理：對快速傅立葉變換后的曲線用帶通濾 波器將心跳信號中心頻率處的頻域信息提取出來，再對該頻域信號進行傅立葉反變換，這 樣心跳信號的時域信息提取出來，對提取出的心跳時域信號利用插值法進行平滑處理；
[0008] 非正常心跳信號曲線比較：利用動態(tài)時間歸整方法將提取出的心跳時域信號與麻 省理工學院的心律失常數(shù)據(jù)庫中曲線進行比對；
[0009] 對呼吸、心跳時域信號可視化處理及非正常心跳信號提醒：在計算機屏幕上實現(xiàn) 心跳和呼吸時域信號的可視化，如果發(fā)現(xiàn)比對后有類似異常心跳信號曲線，對用戶進行異 常提醒。
[0010] 本發(fā)明利用人體呼吸心跳過程中胸腔的起伏變化對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，利用帶通濾波器分別分離出呼吸和心跳的頻域信號， 再進行傅立葉反變換，提取出呼吸和心跳的時域信號，進行平滑處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。同 時，提取出的心電信號與麻省理工學院的心律失常數(shù)據(jù)庫進行曲線比對，發(fā)現(xiàn)異常提醒，起 到用戶家庭健康監(jiān)測的目的，可以廣泛應用于家庭醫(yī)療監(jiān)護。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的流程圖。
【具體實施方式】
[0012] 根據(jù)圖1所示，一種基于WiFi中CSI信號強度的非侵入式呼吸心跳檢測實現(xiàn)方 法，包括以下步驟：
[0013] 收集CSI曲線并對收集到的CSI曲線進行快速傅立葉變化：不同的物體包括家具、 墻壁、人體都會對CSI信號強度產(chǎn)生影響，家中常用的WiFi設(shè)備能夠發(fā)送無線信號，這些無 線信號會經(jīng)過墻壁、家具、人體的反射。常用的計算機都配有無線網(wǎng)卡，無線網(wǎng)卡能夠接收 無線信號，計算機能夠把CSI中的豐富信息分析出來，包括多個子載波上的信號幅度和信 號相位兩方面的信息；配有兼容IEEE 802. 11標準的無線網(wǎng)卡能夠從每個接收到的數(shù)據(jù)包 中獲取其中一組CSI曲線，計算機對其中一組CSI曲線進行快速傅立葉變換（FFT)。計算機 對CSI曲線進行快速傅立葉變換，不同振動頻率的對象在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的微弱波動，具有很高的靈敏 度，當用戶不經(jīng)意的擺手、搖頭這些比較劇烈的動作能夠引起CSI的突然劇烈變化，但是這 種變化不是周期性的，所以不會對計算機網(wǎng)卡長期檢測信道狀態(tài)信息產(chǎn)生影響。
[0015] 呼吸信號的時域信息提取及對其平滑處理：人體的呼吸動作引起的胸腔起伏通 常為每分鐘20至30次，當人體收到驚嚇或者緊張時，其呼吸次數(shù)輕微上升，當人體情緒 平穩(wěn)的時候，呼吸頻率基本維持在一個穩(wěn)定的范圍，人體呼吸信號的頻率&可以表達為：
其中階_和Br _分別代表人體的最小和最大呼吸率，X 代表了其中一個子載波的信道狀態(tài)信息值。
[0016] 對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 提取出來，同時對該頻域信號進行傅立葉反變換，這樣的話，呼吸信號的時域信息就能夠提 取出來，對提取出的呼吸時域信號，利用插值法對其進行平滑處理。
[0017] 心跳信號的時域信息提取及對其平滑處理：人的心跳次數(shù)是每分鐘60到 100次左右，當受到外界刺激，甚至能夠到達每分鐘120次左右，當人體情緒平穩(wěn)的 時候，心跳頻率基本維持在一個穩(wěn)定的范圍。人體心跳信號的頻率RH可以表達為：
，其中此_和Hr _分別代表人的最小和最大心跳率。
[0018] 對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 提取出來，同時對該頻域信號進行傅立葉反變換，這樣的話，心跳信號的時域信息就能夠提 取出來，對提取出的心跳時域信號，利用插值法對其進行平滑處理。
[0019] 非正常心跳信號曲線比較：將平滑后的心跳時域信號利用動態(tài)時間歸整方法與預 先下載到計算機中的麻省理工學院的心律失常數(shù)據(jù)庫中曲線進行比對。（美國麻省理工學 院提供的心律失常數(shù)據(jù)庫是目前國際上公認的可作為標準的心電數(shù)據(jù)庫，應用廣泛）
[0020] 對呼吸、心跳時域信號可視化處理及非正常心跳信號提醒：將平滑后的呼吸、心跳 時域信號，在計算機屏幕上顯示，方便實時觀察，實現(xiàn)了呼吸、心跳時域信號的數(shù)據(jù)可視化， 同時，對上一個步驟中相比較的類似異常心跳曲線進行用戶提醒。這樣的話，用戶能夠在家 中提前了解自己的身體狀況，考慮是否進行進一步的醫(yī)學治療或者觀察。
【主權(quán)項】
1.基于WiFi中CSI信號強度的非侵入式呼吸心跳檢測實現(xiàn)方法，其特征在于包括以下 步驟： 收集CSI曲線并對收集到的CSI曲線進行快速傅立葉變化：計算機從每個接收到的數(shù) 據(jù)包中獲取一組CSI曲線，對獲取的CSI曲線進行快速傅立葉變換； 呼吸信號的時域信息提取及對其平滑處理：對快速傅立葉變換后的曲線用帶通濾波器 將呼吸信號中心頻率處的頻域信號提取出來，再對該頻域信號進行傅立葉反變換，這樣呼 吸信號的時域信息提取出來，對提取出的呼吸時域信號利用插值法進行平滑處理； 心跳信號的時域信息提取及對其平滑處理：對快速傅立葉變換后的曲線用帶通濾波器 將心跳信號中心頻率處的頻域信息提取出來，再對該頻域信號進行傅立葉反變換，這樣心 跳信號的時域信息提取出來，對提取出的心跳時域信號利用插值法進行平滑處理； 非正常心跳信號曲線比較：利用動態(tài)時間歸整方法將提取出的心跳時域信號與麻省理 工學院的心律失常數(shù)據(jù)庫中曲線進行比對； 對呼吸、心跳時域信號可視化處理及非正常心跳信號提醒：在計算機屏幕上實現(xiàn)心跳 和呼吸時域信號的可視化，如果發(fā)現(xiàn)比對后有類似異常心跳信號曲線，對用戶進行異常提 醒。
【專利摘要】本發(fā)明屬于利用普通無線設(shè)備實現(xiàn)感知的技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于WiFi中CSI信號強度的非侵入式呼吸心跳檢測實現(xiàn)方法。本發(fā)明立足于對信道狀態(tài)分析，實現(xiàn)了非侵入式人體健康監(jiān)護。無線網(wǎng)卡從每個接收到的數(shù)據(jù)包中獲取其中一種CSI，對CSI進行傅立葉變化，利用呼吸和心跳頻率的不同從中分離出呼吸和心跳信號頻域信息，再利用傅立葉反變換提取出各自的時域信息，并對其進行平滑處理，實現(xiàn)呼吸和心跳信號數(shù)據(jù)可視化。同時，將心跳信號與麻省理工學院的心律失常數(shù)據(jù)庫進行曲線比對，如發(fā)現(xiàn)異常，提醒用戶，該發(fā)明可廣泛應用于家庭醫(yī)療監(jiān)護。
【IPC分類】A61B5/024, A61B5/08
【公開號】CN105232022
【申請?zhí)枴緾N201510593528
【發(fā)明人】李燈熬, 朱颮凱, 趙菊敏
【申請人】太原理工大學
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年9月17日