本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)，涉及一種基于wifi跨頻段通信的港口人員行為識別系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著二十一世紀科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機的普及，人機交互已經(jīng)成為眾多國家重點關(guān)注和研究的對象，其中人體行為識別占據(jù)重要的地位。人體行為識別對推動人機交互技術(shù)的發(fā)展以及改善人類生活質(zhì)量有重大的意義。傳統(tǒng)的人體行為識別技術(shù)一般都需要攜帶專用設(shè)備，例如，基于計算機視覺的人體行為識別，基于可穿戴式傳感器設(shè)備的人體行為識別。雖然它們的識別準確率都比較高，但設(shè)備價格昂貴，以及應(yīng)用場景與作用范圍均很有限，且會引起人的不舒適和涉及個人的隱私問題。有學(xué)者提出了di-gesture，它是一種實時的手勢識別系統(tǒng)，且平均識別率高達97％，但由于毫米波雷達的諸多局限性，目前也難以推廣到實際生活場景。

2、近年來，隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，基于wifi感知的人體行為識別技術(shù)被廣泛研究。目前可實際應(yīng)用到商用wifi設(shè)備上的行為識別技術(shù)主要分為兩類，第一種是基于接收信號強度指示(the?received?signal?strength?indication，rssi),由于基于rssi的系統(tǒng)的性能受鏈路質(zhì)量影響較大。在復(fù)雜的環(huán)境下，多徑傳播會引起鏈路質(zhì)量的波動，因此不能總是保證良好的性能。第二種則是基于信道狀態(tài)信息(channel?state?information,csi)，csi是源自wifi物理層的細粒度值裝置，它可以反映信道的頻率響應(yīng)，來捕獲信號不同子載波的相位和幅度信息。更多信息被提取以捕捉鏈接質(zhì)量的細微變化。因此,基于csi的系統(tǒng)對復(fù)雜環(huán)境具有較好的魯棒性。

3、雖然基于信道狀態(tài)信息(csi)系統(tǒng)中在識別分辨度較高的各類人體行為時，均有著較高的識別準確率，但它們的不足可以分為以下3個方面：(1)沒有對相似行為的識別準確率進行評估或在識別相似的行為時，它們的識別準確率明顯偏低。(2)在使用基于深度學(xué)習(xí)的各種分類算法時，它們選取的都是足夠多的訓(xùn)練樣本數(shù)量，而在某些特殊場景下，通常無法在短時間內(nèi)獲得大量的行為樣本。(3)它們獲得的csi都只是來源于單一信道上的，而噪聲的存在會影響分類器的準確率，而csi系統(tǒng)中不僅存在環(huán)境噪聲，其設(shè)備內(nèi)部的載波頻率偏移也會造成突發(fā)噪聲，且a.goldsmith教授編寫的“無線通信“表明，同頻干擾也會使得csi的幅值和相位產(chǎn)生不穩(wěn)定的突變，因此即使經(jīng)過濾波后，依然有部分噪聲會存在。這些不可控因素會嚴重影響工作在單信道上的行為識別系統(tǒng)的識別準確率，尤其是對于本就相似的行為而言，如果csi中任何一個子載波的幅值或相位因受到干擾而產(chǎn)生跳變，都有可能導(dǎo)致最終對行為類別的誤判。

4、在采用wifi信號獲取csi的基礎(chǔ)上，為了解決以上問題，在本發(fā)明中，提出了wi-fhop：基于wifi跨頻段通信的行為識別系統(tǒng)，且可以在商用wifi設(shè)備esp32應(yīng)用實現(xiàn)。wi-fhop可以在識別相似行為且訓(xùn)練樣本數(shù)量較少時保持較高的識別準確率。首先，提出了一種適用于商用wifi設(shè)備esp32的高速率跳頻通信方案，并獲得了不同信道的csi數(shù)據(jù)；接著，對獲得的csi數(shù)據(jù)通過濾波、行為數(shù)據(jù)截取、根據(jù)信道劃分數(shù)據(jù)步驟進行數(shù)據(jù)處理；之后，對根據(jù)信道劃分后的數(shù)據(jù)進行主成分分析，小波變換，特征提取和標準化步驟用以特征分析和提??；然后，提出了一種基于特征權(quán)值的信道選擇算法，該算法結(jié)合傳統(tǒng)的分類算法(knn、svm、bagging)，根據(jù)多個信道的特征數(shù)據(jù)選擇最優(yōu)信道，并將該信道的識別結(jié)果作為最終的識別結(jié)果。這樣避免了突發(fā)噪聲對單個通道的影響，提高了系統(tǒng)在識別相似動作和少量訓(xùn)練樣本場景下的識別精度；最后，通過實驗對wi-fhop進行性能評估。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于wifi跨頻段通信的港口人員行為識別系統(tǒng)。

2、為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明所述的基于wifi跨頻段通信的行為識別系統(tǒng)，包括以下步驟：

4、步驟一、本發(fā)明選擇了2.4gwifi頻段中的信道1、信道6和信道11。在跨頻通信中，最重要的是要在收發(fā)數(shù)據(jù)時保證收發(fā)兩端的信道設(shè)置是一致的，但由于收發(fā)兩端設(shè)備的時鐘不同步，導(dǎo)致切換信道的時間不同進而使得發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，這是影響跨頻通信速率的主要原因，基于此提出跨頻通信方案，并利用該方案收集行為數(shù)據(jù)樣本；

5、步驟二、對接收端收到整個測試時間段上多個信道上的連續(xù)csi數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，包括采用巴特沃斯低通濾波器濾除掉原始csi中的高頻噪聲、利用滑窗技術(shù)對行數(shù)據(jù)進行提取、按信道劃分數(shù)據(jù)；

6、步驟三、對信道上的幅值數(shù)據(jù)進行行為特征分析和提取，包括利用主成分分析(pca)算法對csi幅值進行降維，接著對每個pca主成分進行小波變換(dwt)以提取時頻特征，對dwt后的特征矩陣進行提取統(tǒng)計特征(選取了概率分布的均值、標準差、四分位數(shù)間差、0.5百分位、0.683百分位和0.95百分位6個不同的統(tǒng)計特征)，使用z-score歸一化方法對特征數(shù)據(jù)進行處理，并將所有特征轉(zhuǎn)換為同一尺度；

7、步驟四、對前文所述步驟對數(shù)據(jù)處理完成后，本發(fā)明提出了基于特征權(quán)重的信道選擇算法，其無論是結(jié)合哪一種基準分類算法，如knn、svm、bagging，都可以明顯地提高識別準確率。

8、本發(fā)明的有益效果在于：

9、1.本發(fā)明首次在行為識別中采用跨頻通信的方式，同一個動作數(shù)據(jù)可在多個不同信道的上分別反應(yīng)出不同的特征，以此來擴充特征庫。

10、2.本發(fā)明提出了基于特征權(quán)重的信道選擇算法，其基于多個信道上的特征數(shù)據(jù)，結(jié)合傳統(tǒng)的分類算法選擇一個最優(yōu)的信道，并將該信道上的識別結(jié)果作為最終的識別結(jié)果，以此來規(guī)避個別信道上的突發(fā)噪聲對最終識別結(jié)果的影響并同時提高系統(tǒng)在識別相似行為且訓(xùn)練樣本數(shù)量較少場景下的識別準確率。

11、3.本發(fā)明發(fā)提出了一種可在商用wifi設(shè)備esp32上實現(xiàn)的高速率跨頻通信方案，其發(fā)包率可達到200hz，并保證了wi-fhop系統(tǒng)中每一組多信道上的csi經(jīng)歷的信道都是非時變的。

12、本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。

技術(shù)特征：

1.基于wifi跨頻段通信的港口人員行為識別系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于wifi跨頻段通信的港口人員行為識別系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)采集模塊采集的csi數(shù)據(jù)來自2.4ghz?wifi頻段中的信道1、信道6和信道11。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于wifi跨頻段通信的港口人員行為識別系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)處理模塊包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于wifi跨頻段通信的港口人員行為識別系統(tǒng)，其特征在于：所述特征分析模塊包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于wifi跨頻段通信的港口人員行為識別系統(tǒng)，其特征在于：所述信道選擇模塊采用基于特征權(quán)重的信道選擇算法，該算法結(jié)合knn分類算法、svm分類算法和bagging分類算法，根據(jù)多個信道的特征數(shù)據(jù)選擇最優(yōu)信道，并將該信道的識別結(jié)果作為最終的識別結(jié)果。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于wifi跨頻段通信的港口人員行為識別系統(tǒng)，其特征在于：所述基于特征權(quán)重的信道選擇算法包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于wifi跨頻段通信的港口人員行為識別系統(tǒng)，其特征在于：所述離線階段包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于wifi跨頻段通信的港口人員行為識別系統(tǒng)，其特征在于：所述在線階段包括以下步驟：

9.一種使用權(quán)利要求1～8中任一項所述系統(tǒng)的港口人員行為識別方法，其特征在于：包括以下步驟：

10.一種使用權(quán)利要求9所述方法進行預(yù)警的方法，其特征在于：包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于WiFi跨頻段通信的港口人員行為識別系統(tǒng)，屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)利用WiFi信號進行跨頻段通信，獲取多信道CSI數(shù)據(jù)，并通過特征提取和分類算法識別人員行為。本發(fā)明首次在行為識別中采用跨頻通信的方式，擴充特征庫，并提出基于特征權(quán)重的信道選擇算法，有效提高識別準確率。本發(fā)明還提出了一種可在商用WiFi設(shè)備上實現(xiàn)的高速率跨頻通信方案，保證了多信道數(shù)據(jù)的同步性。本發(fā)明可應(yīng)用于港口/碼頭人員安全監(jiān)測、行為分析、人機交互等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：劉凱凱,黃成林,牛文彬,付佳,祝雙桔,龔印,何維,潘思詩
受保護的技術(shù)使用者：重慶郵電大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2