基于无线信道的呼吸检测方法

1.本发明属于无线电技术领域，具体涉及一种基于无线信道的呼吸检测方法。


背景技术：

2.近年来，基于无线信道的呼吸检测方法因无需设备穿戴，减少了接触，具有非侵入式、方便等诸多优点，并且基站已大规模部署，因此利用现有基站即可进行检测，无需额外成本。
3.目前，基于家庭中wifi基础设施进行呼吸检测的方法得到了越来越广泛的应用，wifi的rss(received signal strength，接收信号强度)被用于进行感知，但该方法存在检测精度低、容易被噪声淹没等缺点。
4.为解决上述问题，相关技术中利用csi(channel state information，信道状态信息)进行呼吸检测，与rss相比，csi对人体的呼吸更为敏感，并且随着菲涅尔区概念的引入，基于wifi csi呼吸检测的位置和性能关系有了理论指导，检测精度也得到提高精确。然而，此种呼吸检测检测方法只适用于室内较小的范围，在室外场景中无法应用。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于无线信道的呼吸检测方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明提供一种基于无线信道的呼吸检测方法，应用于通信基站，所述通信基站包括接收设备和发送设备，所述接收设备至少包括两根天线；
7.所述基于无线信道的呼吸检测方法包括：
8.接收设备接收参考信号，所述参考信号由所述发送设备发送、并经不同路径到达接收设备，接收设备接收到的所述参考信号包含目标人体所处环境信息和目标人体呼吸信息；
9.从所述接收设备的天线中确定两根第一天线，并获取所述两根第一天线对应的子载波；
10.根据两根第一天线对应的子载波，确定第一信道状态信息；其中，所述第一信道状态信息包含多个子载波；
11.从所述多个子载波中确定至少一个第一子载波，并对所述第一子载波进行小波变换，得到目标人体的呼吸信号波形。
12.在本发明的一个实施例中，所述根据两根第一天线对应的子载波，确定第一信道状态信息的步骤，包括：
13.将所述两根第一天线对应的子载波相除，得到第一信道状态信息。
14.可选地，所述从所述多个子载波中确定至少一个第一子载波，并对所述第一子载波进行小波变换，得到目标人体的呼吸信号波形的步骤之前，还包括：
15.对所述第一信道状态信息中的多个子载波进行hampel滤波及均值滤波。
16.在本发明的一个实施例中，所述从所述多个子载波中确定至少一个第一子载波，并对所述第一子载波进行小波变换，得到目标人体的呼吸信号波形的步骤，包括：
17.计算所述多个子载波中，每个子载波的方差；
18.根据预设阈值，将方差大于所述预设阈值的子载波确定为第一子载波；
19.对所述第一子载波进行小波变换，根据小波变换后的低频系数确定所述目标人体的呼吸信号波形。
20.在本发明的一个实施例中，所述从所述多个子载波中确定至少一个第一子载波，并对所述第一子载波进行小波变换，得到目标人体的呼吸信号波形的步骤之后，还包括：
21.根据所述呼吸信号波形，计算所述目标人体的呼吸频率。
22.在本发明的一个实施例中，所述根据所述呼吸信号波形，计算所述目标人体的呼吸频率的步骤，包括：
23.获取预设的人体呼吸频率范围，根据所述预设的人体呼吸频率范围中的最大呼吸频率确定最小峰间间隔，并去除峰间间隔小于所述最小峰间间隔的假峰；
24.对所述呼吸信号波形中剩余的峰进行计数，得到所述目标人体的呼吸频率。
25.在本发明的一个实施例中，所述根据预设阈值，将方差大于所述预设阈值的子载波确定为第一子载波的步骤之后，还包括：
26.对所述第一子载波幅度的平方做快速傅里叶变换，并根据频率小于等于1hz的部分确定所述目标人体的呼吸频率。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
28.本发明提供一种基于无线信道的呼吸检测方法，利用通信基站中的发射设备发送参考信号，参考信号通过不同路径达到接收设备，因此接收设备接收到的参考信号包含信道状态信息，而信道状态信中包含了其所对应的射频信号的振幅特性和相位特征，当目标人体呼吸时，胸腔的起伏会引起信道状态信息的变化，使之呈现相应的近似周期性变化，进而通过对目标人体的呼吸信号波形进行分析，即可获得目标人体的呼吸频率，可见，本发明提供的呼吸检测方法不仅具备非侵入式、方便的优点，还能够利用现有大规模部署的基站，在通信的同时完成呼吸检测，有利于节约成本、并覆盖室外广阔范围。
29.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
30.图1是本发明实施例提供的基于无线信道的呼吸检测方法的一种流程示意图；
31.图2是本发明实施例提供的基于无线信道的呼吸检测方法的另一种流程示意图。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
33.图1是本发明实施例提供的基于无线信道的呼吸检测方法的一种流程示意图。请参见图1，本发明提供一种基于无线信道的呼吸检测方法，应用于通信基站，通信基站包括接收设备和发送设备，接收设备至少包括两根天线；
34.基于无线信道的呼吸检测方法包括：
35.s1、接收设备接收参考信号，参考信号为发送设备发送的包含目标人体所处环境信息和目标人体呼吸信息的信号；
36.s2、从接收设备的天线中确定两根第一天线，并获取两根第一天线对应的子载波；
37.s3、根据两根第一天线对应的子载波，确定第一信道状态信息；其中，第一信道状态信息包含多个子载波；
38.s4、从多个子载波中确定至少一个第一子载波，并对第一子载波进行小波变换，得到目标人体的呼吸信号波形。
39.具体而言，本发明可以利用现有5g通信基站收发参考信号，其中，接收设备至少包括两根天线，在发送设备发送参考信号后，参考信号经过不同路径到达接收天线，如los径、地面墙面反射、目标人体反射等，参考信号在接收设备的天线处叠加并被接收。
40.可以理解的是，接收设备接收到的参考信号包含信道状态信息，而信道状态信中包含了其所对应的射频信号的振幅特性和相位特征，当处于室内环境的目标人体呼吸时，胸腔的起伏会引起信道状态信息的变化，使之呈现相应的近似周期性变化；因此，在上述步骤s2中，选择接收设备的两根天线作为第一天线，然后获取两根第一天线对应的子载波，并利用这两个子载波构建新的信道状态信息，即第一信道状态信息，第一信道状态信息中包含多个子载波。进一步地，从多个子载波中确定至少一个第一子载波，并对第一子载波进行小波变换，得到目标人体的呼吸信号波形。
41.可见，本发明提供的上述呼吸检测方法具备非侵入式、方便的优点，同时利用现有大规模部署的基站进行检测，有利于节约成本、并覆盖室外广阔范围。
42.图2是本发明实施例提供的基于无线信道的呼吸检测方法的另一种流程示意图。如图2所示，根据两根第一天线对应的子载波，确定第一信道状态信息的步骤，包括：
43.将两根第一天线对应的子载波相除，得到第一信道状态信息。
44.在上述步骤s2中，获取两根第一天线对应的两个子载波之后，将二者相除，以消除收发不同步产生的频偏以及振幅噪声，通过此种方式构建新的信道状态信息能够极大提升呼吸检测的准确性。
45.需要说明的是，本实施例中可以选择距离较近的天线例如将处于相邻位置的两根天线作为第一天线。
46.可选地，请继续参见图2，从多个子载波中确定至少一个第一子载波，并对第一子载波进行小波变换，得到目标人体的呼吸信号波形的步骤之前，还包括：
47.对第一信道状态信息中的多个子载波进行hampel滤波及均值滤波。
48.本实施例中，在确定第一子载波之前，先对第一信道状态信息中的子载波进行hampel滤波及均值滤波，可以理解的是，hampel滤波能够去除子载波中的异常点，均值滤波能够去除子载波中的噪音平滑信号，此种设计方式有利于使有序生成的呼吸信号波形更加准确，进而提高目标人体呼吸检测结果的准确性。
49.如图2所示，在上述步骤s4中，从多个子载波中确定至少一个第一子载波，并对第一子载波进行小波变换，得到目标人体的呼吸信号波形的步骤，包括：
50.计算多个子载波中，每个子载波的方差；
51.根据预设阈值，将方差大于预设阈值的子载波确定为第一子载波；
52.对第一子载波进行小波变换，根据小波变换后的低频系数确定目标人体的呼吸信
号波形。
53.具体而言，针对第一信道状态信息包含的多个子载波，首先计算各个子载波的方差，然后将各个子载波的方差与预设阈值进行比较，当方差大于预设阈值时，该方差对应的子载波即为第一子载波。可选地，若第一信道状态中包含多个方差大于预设阈值的子载波，则可以将这些子载波的平均值确定为第一子载波，以消除相位偏移的影响。进一步地，对第一子载波进行小波变换，取出低频系数即可得到目标人体的呼吸信号波形。
54.另外，在本技术的一些其他实施例中，也可以直接将第一信道状态信息中方差最大的子载波确定为第一子载波。
55.可选地，如图2所示，从多个子载波中确定至少一个第一子载波，并对第一子载波进行小波变换，得到目标人体的呼吸信号波形的步骤之后，还包括：
56.根据呼吸信号波形，计算目标人体的呼吸频率。
57.本实施例中，在确定目标人体的呼吸信号波形之后，可通过对目标人体的呼吸信号波形分析获得目标人体的呼吸频率。具体地，根据呼吸信号波形，计算目标人体的呼吸频率的步骤，包括：
58.获取预设的人体呼吸频率范围，根据预设的人体呼吸频率范围中的最大呼吸频率确定最小峰间间隔，并去除峰间间隔小于最小峰间间隔的假峰；
59.对呼吸信号波形中剩余的峰进行计数，得到目标人体的呼吸频率。
60.针对提取的呼吸信号波形，本实施例采用峰值计数的方法计算目标人体的呼吸频率。首先，基于预设的人体呼吸频率范围，按照其中最大呼吸频率对应可接受的最小峰间间隔来去除波形中间隔过近的假峰，然后对剩下的峰计数，得到呼吸频率。
61.可见，本发明提供的上述基于无线信道的呼吸检测方法可依靠当前大量部署的5g基站实现，具有无接触、方便、成本低的优点，与当下蜂窝通信相得益彰，在非法入侵检测、火灾救援方面都有应用前景。
62.如图2所示，根据预设阈值，将方差大于预设阈值的子载波确定为第一子载波的步骤之后，还包括：
63.对第一子载波幅度的平方做快速傅里叶变换，并根据频率小于等于1hz的部分确定目标人体的呼吸频率。
64.具体地，在确定第一子载波后，可以对第一子载波的幅值做fft(fast fourier transform，快速傅里叶变换)，理论上人体的呼吸频率对应的频点峰最高、或者说能量是最大的，因此根据fft变换后的低频部分可以确定目标人体的呼吸频率。一般来说，由于人体的呼吸频率不到1hz，因此本实施例只需根据频率小于等于1hz的部分确定目标人体的呼吸频率。
65.通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：
66.本发明提供一种基于无线信道的呼吸检测方法，利用通信基站中的发射设备发送参考信号，参考信号通过不同路径达到接收设备，因此接收设备接收到的参考信号包含信道状态信息，而信道状态信中包含了其所对应的射频信号的振幅特性和相位特征，当目标人体呼吸时，胸腔的起伏会引起信道状态信息的变化，使之呈现相应的近似周期性变化，进而通过对目标人体的呼吸信号波形进行分析，即可获得目标人体的呼吸频率，可见，本发明提供的呼吸检测方法不仅具备非侵入式、方便的优点，还能够利用现有大规模部署的基站，
在通信的同时完成呼吸检测，有利于节约成本、并覆盖室外广阔范围。
67.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
69.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
70.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。