[发明专利]基于CSI的非静态环境下呼吸检测系统

说明书

一种基于CSI的非静态环境下呼吸检测系统，包括工作于监听模式的数据采集子系统以及基于空间分区和呼吸信号提取的服务器端子系统，其中，所述数据采集系统包括同步信道切换模块、CSI数据解析模块和CSI去噪模块；所述的服务器端子系统包括基于信号周期性的空间域过滤模块和呼吸信号提取模块，所述呼吸信号提取模块分离出功率周期性变化的信号区域后，频谱中位于正常呼吸周期范围内的峰值点即为该区间内目标的呼吸速率。本发明提供了一种基于空间位置降低用户间行为干扰、区分呼吸率接近目标能力较好的多信道采样的呼吸检测系统。

技术领域

本发明属于无线感知技术领域，主要针对非静态环境，即存在静止目标以外的运动物体，利用商用WiFi实现对运动物体信号的分离及静止目标的呼吸速率检测。

背景技术

近些年来，随着无线网络在日常生活中普及，使用射频感知来补充传统传感设备采集物理世界数据的方法快速兴起。WiFi网络因其覆盖率高及硬件设备廉价受到更大的关注。

工作于802.11n的WiFi设备能够在物理层获得30条载波的信道状态信息(ChannelState Information,CSI)，CSI描述了信号由发射端沿多径到达接收端经历的衰减和相位旋转，任一信号传播路径的改变都会影响接收端获得的CSI。CSI是一种细粒度表达信道状态的指标，能够感知非视距范围内微小的环境变化，具有感知灵敏性高和感知区域广的特点。目前，基于WiFi的CSI实现的跌倒检测、手势识别、室内定位，呼吸检测已获得了重大的研究进展。

信号带宽越大可实现的时间分辨度越高，相较于宽频的雷达系统，WiFi设备本来不具备较高的空间分辨能力，20MHZ的WiFi信号理论上可实现15米的空间解析度，显然不足以对室内环境中信号的传播路径进行区分。受限于较低的空间分辨能力，基于WiFi的呼吸检测系统无法容忍在检测范围内存在对呼吸信号采集产生干扰的其它活动，当存在其它物体在范围内行走会导致呼吸检测系统的失败。因此，先前基于WiFi的呼吸检测的实施条件十分严苛，现实环境中无法一直保证满足该约束条件。

实际上，WiFi信号存在2.4G和5G两个可用的频带，5G频段分为24个信道，总带宽为645MHZ，如果能够充分使用该部分带宽，理论上可实现46厘米的空间分辨度。一般情况来说，该空间分辨能力已经足以区分室内环境下不同个体的行为，因此，相较于先前基于WiFi的呼吸检测系统，为了检测非静态环境下某个相对静止目标的呼吸速率，必须深入解决以下两个问题：

1)用户间行为干扰问题。考虑室内空间下存在A、B两名用户，A坐在大厅沙发上保持相对静止，B在洗漱间洗漱，由于20MHZ带宽的WiFi信号无法区分15米范围内的行为，A、B用户的不同行为作用于接收端信号的CSI无法分离。因此，即使A用户保持静止状态，也无法使用接收端的CSI信息检测出A用户的呼吸速率。

2)多用户检测问题。考虑室内环境下存在相对静止的A、B两名用户。某时刻，两名用户的呼吸速率十分接近。由于对有限长序列进行傅里叶变换存在频谱泄露，如果对CSI的采样持续时间不是足够长，傅里叶变换结果中对应于A、B用户呼吸速率的两个峰就会合并到在一起，此时，系统也无法确认环境中是否存在多名用户。

发明内容

为了克服现有的呼吸检测系统存在用户间行为干扰强、区分呼吸率接近的不同目标能力差的不足，本发明提供了一种基于空间位置降低用户间行为干扰、区分呼吸率接近目标能力较好的多信道采样的呼吸检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于CSI的非静态环境下呼吸检测系统，包括工作于监听模式的数据采集子系统以及基于空间分区和呼吸信号提取的服务器端子系统，其中，所述数据采集系统包括同步信道切换模块、CSI数据解析模块和CSI去噪模块；所述的服务器端子系统包括基于信号周期性的空间域过滤模块和呼吸信号提取模块，所述呼吸信号提取模块分离出功率周期性变化的信号区域后，频谱中位于正常呼吸周期范围内的峰值点即为该区间内目标的呼吸速率。