基于商用WiFi设备的多人呼吸监测系统
Multi-Person Respiration Monitoring Leveraging Commodity Wi-Fi Devices
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摘要:研究背景 呼吸是最重要的生命体征之一,长期的呼吸监测有助于监控身体的健康状态,尤其对一些患有呼吸疾病的人来说更加重要。然而一些传统的呼吸监测方式(如多导睡眠监测仪)需要人穿戴特殊的设备,会对用户造成不便且成本高。相比传统方式,基于无线信号的非接触呼吸监测在人不需要佩戴任何设备的情况下就可以实现对呼吸的监测,是一种比较理想的呼吸监测手段。而复用家庭等环境中无处不在的WiFi设备监测呼吸更是具有低成本、易部署的优点,近几年受到了工业界和学术界的广泛关注。目的 目前,多数基于WiFi信号的呼吸检测工作仍仅能监测单人的呼吸频率。然而现实中更常见的是多人场景,如同寝的夫妻,此时接收端接收到的信号是多个人反射信号的叠加,不能直接反映出每个人的呼吸情况。现有的一些工作主要是利用快速傅里叶变换(FFT),多信号分类(MUSIC)等方法从频域上区分多个人的呼吸频率。此类方法具有一些局限性:1) 无法从接收到的叠加信号中恢复并且区分开多个人的呼吸模式;2) 不能获取人时变的呼吸模式变化,如呼吸暂停和频率时变的呼吸;3) 当多个人呼吸频率相同或相似时,难以识别真实的人数。为此,我们提出了一套多人呼吸监测技术流程(WiMUSE)来同时提取并区分出多人的呼吸波形,并且即使在人呼吸模式发生时变或者呼吸频率相近或相同时也可以监测每个人的呼吸频率。方法 WiMUSE首先对接收到的多人呼吸引起的叠加信号进行建模,进而提出了一种线性化技术将叠加信号转化为多个波形的线性叠加。进一步将多个载波的信号看作不同的观察者,将多人呼吸检测转化为盲源分离(BSS)问题,从而可以利用盲源分离方法分离出每个人的呼吸波形,再通过量化不同人呼吸波形上的差异来区分出不同人的呼吸。与此同时,WiMUSE获得的呼吸波形可以清楚地反映出人的时变的呼吸模式,包括呼吸暂停、呼吸频率异常等,并且在呼吸频率相同的情况下也可以识别呼吸的人数。结果 与FFT/MUSIC方法相比,WiMUSE的呼吸频率的90%误差准确率可以提高至少60%。此外我们还可以捕获到时变的呼吸模式,并且与真值设备(Neulog呼吸监测传感器NUL-236)上获取的波形一致。同时,我们从系统参数,人为因素(不同的人,呼吸模式的组合,呼吸频率差异以及睡眠姿势),和环境因素(不同距离,环境,非视距环境)上对我们系统进行了实验评估。结果显示,WiMUSE对以上不同因素具有很好的鲁棒性。结论 本文提出了一种基于一对商用WiFi设备的非接触式多人呼吸监测系统WiMUSE。与现有的基于频域方法的方法不同,本文在时域上分离多人呼吸波形,即使存在呼吸暂停或呼吸频率相同等情况也可以识别不同人的呼吸频率。实验结果表明,WiMUSE具有较高的准确性和鲁棒性。同时,WiMUSE可以在不同现实世界因素下有效监测多人呼吸,如睡眠姿势和非视距场景。本文进一步推动了WiFi非接触感知走向实际部署。Abstract: Monitoring respiration is an important component of personal health care. Though recent developments in Wi-Fi sensing offer a potential tool to achieve contact-free respiration monitoring, existing proposals for Wi-Fi-based multi-person respiration sensing mainly extract individual’s respiration rate in the frequency domain using the fast Fourier transform (FFT) or multiple signal classification (MUSIC) method, leading to the following limitations: 1) largely ineffective in recovering breaths of multiple persons from received mixed signals and in differentiating individual breaths, 2) unable to acquire the time-varying respiration pattern when the subject has respiratory abnormity, such as apnea and changing respiration rates, and 3) difficult to identify the real number of subjects when multiple subjects share the same or similar respiration rates. To address these issues, we propose Wi-Fi-enabled MUlti-person SEnsing (WiMUSE) as a signal processing pipeline to perform respiration monitoring for multiple persons simultaneously. Essentially, as a pioneering time domain approach, WiMUSE models the mixed signals of multi-person respiration as a linear superposition of multiple waveforms, so as to form a blind source separation (BSS) problem. The effective separation of the signal sources (respiratory waveforms) further enables us to quantify the differences in the respiratory waveform patterns of multiple subjects, and thus to identify the number of subjects along with their respective respiration waveforms. We implement WiMUSE on commodity Wi-Fi devices and conduct extensive experiments to demonstrate that, compared with the approaches based on the FFT or MUSIC method, 90% error of respiration rate can be reduced by more than 60%.