一种基于RFID无源感知的心跳监测系统及方法

文献发布时间：2024-04-18 19:58:30

技术领域

本发明属于RFID无源感知和智慧医疗技术领域，具体涉及一种基于RFID无源感知的心跳监测系统及方法。

背景技术

心率监测在现代医疗中不仅用于疾病的诊断和治疗，还在健康评估、预防疾病、健康管理等方面发挥着重要作用。其不仅可以帮助医生更好地了解患者的心脏状况，还可以指导临床决策，提高医疗质量和患者生活质量。因此，跟踪心脏的健康状况是至关重要的。

对于心脏健康监测，心率(HR)和心率变异性(HRV)是至关重要的指标。获取高精度HR和HRV的常规方法，通常依赖于心跳波形的获取。最为常见的心跳波形获取方式是心电图机所产生心电图(ECG)，其能够感知心脏的电活动，从而绘制心跳波形。但心电图机通常需要专业人员进行操作，且要在病患身上贴附电极，使用不方便。而且相关的医疗设备通常价格昂贵，普通人负担不起，且无法适用于很多场景。多年来，也有很多关于获取心跳波形的研究工作，可以分为基于接触的方法和非接触的方法；基于接触的方法通常使用可穿戴传感器，如加速度计、可穿戴心电图和PPG来获得心跳波形。然而，这些方法通常会遇到穿戴设备供电问题，并且对用户来说是不方便和不舒适的。也有使用非接触式方法，非接触式方法包括计算机视觉、声学信号、射频信号如WiFi、毫米波FMCW雷达和IR-UWB雷达等；然而，这些方法要么受到照明条件约束的限制，要么无法区分多个用户，存在诸多限制。

因此，基于上述考虑，有必要提出一种创新的心跳监测系统，可以通过非接触人体的方式，且设备使用门槛低，能够适应各类环境，可区分多个用户的心跳监测系统。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于RFID无源感知的心跳监测系统及方法，以解决现有技术中心跳监测设备昂贵，设备使用门槛高，设备使用不舒适，使用环境要求高等问题；本发明采用非接触式感知技术，无需直接接触人体，通过获得无源心跳感知来实现精确的心跳感知。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于RFID无源感知的心跳监测系统，包括：无源心跳感知标签组、心跳感知一体机、服务器平台及心跳感知客户端；其中，

无源心跳感知标签组，附着在用户衣物表面指定位置，用于感知用户心脏跳动，并通过后向散射方式发送无线射频信号；

心跳感知一体机，用于实时采集无源心跳感知标签组发出的无线射频信号，获取相位和RSSI信号特征数据，并将采集到的数据发送至服务器平台；

服务器平台，用于将心跳感知一体机实时发送的相位和RSSI信号特征数据进行处理以还原用户心跳波形，并将心跳波形实时发送给心跳感知客户端；

心跳感知客户端，用于实时接收服务器平台计算得到的心跳波形，对心跳波形进行图形化绘制和显示。

进一步地，所述无源心跳感知标签组由三个RFID标签组成，包含：一个心跳感知标签和两个呼吸参考标签；心跳感知标签贴附在用户心脏位置的衣物表面上；两个呼吸参考标签贴附在用户两侧锁骨下方位置的衣物表面上。

进一步地，所述心跳感知一体机包含：RFID阅读器、RFID天线和通信模块；所述RFID阅读器通过RFID天线实时采集无源心跳感知标签组发出的无线射频信号，获取相关信号特征数据；通信模块将实时采集到的数据发送至服务器平台。

进一步地，所述RFID阅读器及RFID标签为超高频规格，频率为860-960MHz，RFID阅读器通过EPC Global C1 G2协议读写RFID标签。

进一步地，所述RFID天线为圆极化天线。

进一步地，所述服务器平台计算得到用户心跳波形的方法为：

(1)获得时间窗口为t秒内无源心跳感知标签组的信号的相位和RSSI数据，心跳感知标签信号记作心跳感知信号S

(2)将上述步骤1)中的心跳感知信号S

(3)将上述步骤2)中得到的心跳感知信号S

(4)将上述步骤(3)中得到的心跳感知信号S

(5)将上述步骤(3)中得到的呼吸参考信号S

(6)对上述步骤(5)中得到的心跳信号中包含的相位信号进行后校正和带通滤波处理。

本发明的一种基于RFID无源感知的心跳监测方法，基于上述系统，包括步骤如下：

1)心跳感知一体机实时采集有效范围内用户衣物表面指定位置的RFID标签信息，获取无线射频信号数据，包括相位和RSSI信号特征数据信息；

2)心跳感知一体机将采集到的无线射频信号数据发送至服务器平台；

3)服务器平台对接收到的无线射频信号数据进行计算得到用户的心跳波形，并将其发送给心跳感知客户端；

4)心跳感知客户端依据接收到的心跳波形数据，对波形进行图形化绘制和显示。

进一步地，所述步骤3)中的计算得到用户心跳波形结果数据的方法为：

31)获得时间窗口为t秒内无源心跳感知标签组的信号的相位和RSSI数据，心跳感知标签信号记作心跳感知信号S

32)将上述步骤31)中的心跳感知信号S

33)将上述步骤32)中得到的心跳感知信号S

34)将上述步骤33)中得到的心跳感知信号S

35)将上述步骤33)中得到的呼吸参考信号S

36)对上述步骤35)中得到的心跳信号中包含的相位信号进行后校正和带通滤波处理。

进一步地，所述步骤31)中对标签信号数据包含的相位信息进行预处理，具体为：

311)更正原始相位消除其不连续性，使w

312)当w

313)将修正跃变后的相位信号数据还原，使w＝w

进一步地，所述步骤32)具体包括：

321)采用125Hz采样率对步骤31)中得到的心跳感知信号S

322)对插值后的相位和RSSI数据使用帧数窗口为25、阶数为3的Savitzky-Golay滤波器进行平滑去噪，得到心跳感知信号S

进一步地，所述步骤33)中进行信号转换到IQ平面进行静态信号消除的方法为：

331)利用x＝A sin w，y＝cos w进行坐标转换，使得信号转换到IQ平面上；

332)对转换后的点集做圆弧拟合，取圆心作为原点，对信号进行IQ平面上的移动，假设圆心坐标为(x

式中，(x

333)将332)得到的点集{(x

进一步地，所述步骤34)中进行呼吸参考信号和心跳感知信号的时域对齐的方法为：

341)将步骤33)得到的呼吸参考信号S

score(off)＝W

式中，off表示时域偏移量，score表示时域相关性函数；W

342)取相关性最大值处两个信号的帧差作为时域偏移量：

式中，Δt表示最终的时域偏移量，arg max表示目标函数最大值参数求解函数；

343)依据步骤342)中得到的时域偏移量Δt，对心跳感知信号进行时域上的偏移，得到心跳感知信号S

进一步地，所述步骤35)中进行呼吸信号拟合和差分消减的方法为：

351)利用最小二乘法对心跳感知信号S

式中，k，B，M表示拟合的目标参数，arg min表示目标函数最小值参数求解函数，k

352)利用步骤351)中得到的拟合参数值k

式中，

进一步地，所述步骤36)中进行后校正和带通滤波处理以去除心跳波形剩余噪声的方法为：

361)将步骤35)中得到的心跳感知信号

362)将步骤361)中IQ平面上新的点(x，y)使用公式

363)使用0.5Hz～5Hz的带通滤波器对步骤362)中的心跳感知相位信号w

本发明的有益效果：

1、高精度实时心率监测：对用户的心跳进行高精度的监测，心率计算误差低于4％，运行中实时性可达到秒级。

2、降低维护开销：使用RFID无源标签和无源心跳感知器，且可以反复进行使用，无需对设备进行更换电池等维护措施，降低开销，绿色环保。

3、侵入性低：采用非接触式感知，不与人体皮肤接触，不会造成目标的不舒适感。

4、环境要求低：对环境包括光线人数场景等要求低，可以在复杂环境下正常工作。

5、可区分多目标：通过标签包含的数据的唯一性特征，区分不同的目标。

附图说明

图1为基于RFID无源感知的人体心跳监测系统架构图；

图2为RFID心跳感知标签组部署示意图；

图3为本发明方法的流程图；

图4为心跳感知原理图；

图5为心跳波形示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1、图2所示，本发明的一种基于RFID无源感知的心跳监测系统，包括：无源心跳感知标签组、心跳感知一体机、服务器平台及心跳感知客户端；其中，

无源心跳感知标签组，附着在用户衣物表面指定位置，用于感知用户心脏跳动，并通过后向散射方式发送无线射频信号；其中，所述无源心跳感知标签组由三个RFID标签组成，包含：一个心跳感知标签和两个呼吸参考标签；心跳感知标签贴附在用户心脏位置的衣物表面上；两个呼吸参考标签贴附在用户两侧锁骨下方位置的衣物表面上。

心跳感知一体机，用于实时采集无源心跳感知标签组发出的无线射频信号，获取相位和RSSI信号特征数据，并将采集到的数据发送至服务器平台；所述心跳感知一体机包含：RFID阅读器、RFID天线和通信模块；所述RFID阅读器通过RFID天线实时采集无源心跳感知标签组发出的无线射频信号，获取相关信号特征数据；通信模块将实时采集到的数据发送至服务器平台。

其中，所述RFID阅读器及RFID标签为超高频规格，频率为860-960MHz，RFID阅读器通过EPC Global C1 G2协议读写RFID标签。

其中，所述RFID天线为圆极化天线。