WiFi化身成養(yǎng)老裝備 可通信、可定位甚至能夠感知你的行為

跌倒成為意外死亡的頭號原因。世界衛(wèi)生組織報告顯示，全球每年有30余萬人死于摔倒，其中一半是60歲以上的老人。在中國，60歲以上的老年人超過兩億，每年有4000萬老人至少跌倒一次。全國調(diào)查顯示，老年人的跌倒有一半以上是在家中發(fā)生的，因此居家養(yǎng)老非常重要。

有這樣一批科研人員，利用家中最普通的路由器與無所不在的Wi-Fi或4G/5G信號，在人體監(jiān)測方面做了全新的工作。作為北京大學(xué)博雅講席教授、歐洲科學(xué)院院士、IEEE Fellow（會士）以及***，張大慶自2014年以來便率領(lǐng)著北大團隊開展這項工作。億歐科創(chuàng)有幸采訪到張大慶教授，與其一同探索無感知接觸技術(shù)的神奇魔力！

WiFi可通信、可定位，甚至能夠感知你的行為？

如今，WiFi已經(jīng)廣泛部署在家庭、機場、商場等各類大型或中小型建筑物中，這使得WiFi成為無線通訊領(lǐng)域中一個最引人注目的技術(shù)。2000年，微軟研究院提出了利用WIFI解決室內(nèi)定位問題，該系統(tǒng)主要采用基于RSSI的指紋匹配算法?！拔④洶l(fā)布的這篇文章谷歌學(xué)術(shù)引用量達到一萬，是基于WiFi進行定位感知研究的鼻祖”，張教授在分享他的研究成果之前，詳細地解析了基于WIFi進行行為感知的研究路線。

從2000年到2011年，利用WiFi信號人們研究并實現(xiàn)了“人攜帶設(shè)備的定位和行為感知，以及不帶設(shè)備的無接觸感人體定位和行為狀態(tài)感知”。不過，這兩項技術(shù)依舊是基于無線信號的強度來定位和識別人的狀態(tài)。張大慶教授告訴億歐科創(chuàng)：“因為WiFi信號本身受環(huán)境中的濕度、溫度等諸多因素影響，即使環(huán)境相同也不能保證WiFi信號強度與人的行為一一對應(yīng)。”

科學(xué)研究就是這樣，即便是不成熟的idea依舊是未來研究的重要基石。當華盛頓大學(xué)和Intel在2011年合作開發(fā)了一套獲取WiFi信號中信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）的工具以后，基于WiFi CSI的無線感知技術(shù)和應(yīng)用便加快了發(fā)展進程。

2012年，麻省理工學(xué)院的團隊首先利用Wi-Fi信號能穿墻的特性，用CSI檢測墻后的人是在運動還是在靜止。2013年，華盛頓大學(xué)的團隊開發(fā)了一套基于CSI進行身體姿勢識別的技術(shù)，通過利用多普勒頻移辨識九種不同的姿勢，并通過這九種人的肢體動作可以控制家電的開關(guān)。在測試多人的9種姿勢時，該系統(tǒng)能達到超過90%的識別率。受這些工作的影響，香港科技大學(xué)、南京大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等紛紛開始投入這項研究。

去偽存真，探索非接觸智能感知的理論

自從華盛頓大學(xué)的團隊開發(fā)了身體姿態(tài)識別的技術(shù)以后，基于WiFi信號進行非接觸感知的研究便如同雨后春筍般大量涌現(xiàn)。其中，香港科技大學(xué)的團隊研制了人體跌倒檢測系統(tǒng)和口型識別系統(tǒng)， 南京大學(xué)的團隊設(shè)計了利用WiFi信號識別按鍵位置的系統(tǒng)。受這些應(yīng)用研究的啟發(fā)，張大慶教授開始思考這些應(yīng)用背后的機理和理論問題： 比如WIFi信號的感知邊界是什么？無線感知的理論基礎(chǔ)是什么？

利用WiFi信號識別按鍵的方法示意圖

經(jīng)過一年多的探索與驗證，張大慶教授團隊首次將原用于光波傳播的菲涅耳區(qū)模型引入到室內(nèi)無線感知領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)利用該模型可以揭示基于WiFi等無線信號感知的機制機理與感知極限。

利用菲涅爾區(qū)模型，張大慶教授團隊揭示了人在不同位置、不同朝向做同一動作，其對應(yīng)的信號模式變化會非常不同的重要現(xiàn)象。比如，做同一個手勢，因為手勢的幅度不同、做的位置不同、朝向不同，其對應(yīng)的信號模式會非常不同。因此依賴少量的數(shù)據(jù)采樣和機器學(xué)習(xí)無法做到對人的手勢、動作的準確、穩(wěn)定識別，進而提出了先進行信號變換再進行機器學(xué)習(xí)的可靠識別方法。

有了理論模型、弄清楚了感知的機制機理以后，張大慶團隊便繼續(xù)攻克另一個技術(shù)難關(guān)。一般來說，信道的狀態(tài)信息主要包含振幅和相位兩個要素，但振幅會因硬件、環(huán)境等因素而發(fā)生變化；相位會因收發(fā)分離而產(chǎn)生隨機相移。“如果不把WiFi振幅、相位的隨機誤差消除掉，我們很難將感知的性能和距離推向極致。”張大慶教授告訴億歐科創(chuàng)。

經(jīng)過四年的研究，張大慶團隊發(fā)現(xiàn)兩個天線的通道狀態(tài)信息之商有很好的特性。“我們發(fā)現(xiàn)，兩個天線的通道狀態(tài)信息之商可以將振幅上的噪聲和相位的隨機相移很好消除，從而得到兩個完全正交互補的基信號?！睆埓髴c教授興奮地分享到。

減法、乘法、除法，我們從小學(xué)便開始接觸，看似簡單的運算卻在技術(shù)發(fā)展中起到了作用。還記得小時候因解出一道數(shù)學(xué)題而開心鼓舞，卻不曾想這些看似最基本的運算法則正在推動著技術(shù)和人類社會進步。

技術(shù)理論已有重大創(chuàng)新，養(yǎng)老產(chǎn)品為何要等十年？

張大慶團隊基于菲涅爾區(qū)感知模型，開發(fā)出了一系列利用商用WiFi設(shè)備進行人體連續(xù)行為的識別應(yīng)用系統(tǒng)，包括跌倒檢測、呼吸檢測、睡眠檢測、入侵檢測、室內(nèi)跟蹤、手勢識別及老人日?；顒幼R別等，性能均達國際領(lǐng)先水平，并已申報國際/國內(nèi)專利20余項，得到了國內(nèi)外同行、著名企業(yè)的一致認可。據(jù)了解，多家養(yǎng)老地產(chǎn)企業(yè)正在與張大慶團隊開展合作。

即便基于WiF的人體連續(xù)行為識別的系統(tǒng)已經(jīng)得到了地產(chǎn)企業(yè)、養(yǎng)老機構(gòu)的認可，但是張大慶教授卻表示：“該項技術(shù)走向產(chǎn)品級仍需要5到10年的時間，因為許多產(chǎn)品走向市場不允許有任何的誤報和漏報?！?/p>

跌倒檢測、呼吸檢測、睡眠監(jiān)測、老人日?；顒幼R別，每一個功能都與每位老人的生命息息相關(guān)。因此，成熟的技術(shù)和產(chǎn)品才能真正為老人的安全保駕護航。觀研天下發(fā)布《2019年中國大健康市場分析報告-市場運營現(xiàn)狀與發(fā)展動向預(yù)測》顯示，2014年我國60歲及以上老年人口有2.12億人，占總?cè)丝诘?5.5%，截至2018年年底，我國60歲及以上老年人口約2.49億，占總?cè)丝诘?7.9%。

與此同時，中國大健康領(lǐng)域也將迎來發(fā)展紅利期。該報告還顯示，2014年市場規(guī)模為2.5萬億元，截至2018年營收規(guī)模超過5萬億元，預(yù)計2020年將超過9萬億元，增幅達32.1%。隨著硬件不斷完善，技術(shù)不斷成熟穩(wěn)定，利用商用WiFi設(shè)備進行人體連續(xù)行為的識別應(yīng)用系統(tǒng)也將迎來萬億級的巨大市場。