用于非接触式家庭活动监控的微波智能无线墙

用于非接触式家庭活动监控的微波智能无线墙

【导读】:

人类活动监测是一个令人兴奋的研究领域，可以帮助残疾人和老年人独立生活。已经提出了各种技术来识别人类活动，例如利用传感器、相机、可穿戴设备和非接触式微波传感。其中，微波传感最近因其解决相机的隐私问题和可穿戴设备引起的不适的优点而受到广泛关注。然而，现有的微波传感技术具有一个基本缺点，即需要用于高精度活动检测的受控和理想设置，这限制了其在非视距 (Non-LOS) 环境中的广泛采用。该研究提出了智能无线墙（IWW）的概念，以确保在传统微波传感无效的复杂环境中进行高精度活动监测。

患者的医疗保健很大程度上依赖于住院情况，在家中进行远程监控非常具有挑战性。已经提出了利用传感器、相机和可穿戴设备的各种人类活动识别系统。然而，这些技术要么引起隐私问题，要么涉及一直携带可穿戴设备的不适。这些问题可以通过利用非接触式人类活动监控系统来解决。

一种用于远程患者监测的建议方法是利用射频（RF）设备的无线信道感测。这意味着必须部署额外的有源射频设备，用于在家中进行患者保健和监测，这将是一种成本高昂的解决方案。一个不寻常但常见的解决方案是探索环境中已经存在的环境杂散信号，例如移动和/或 WiFi 信号。此外，如果我们在家中安装额外的健康监测设备，那么患者或最终用户的接受度就会成为一个问题，从而激发了回收环境信号进行监测的需求。

在Light Science & Application上发表的一篇新论文中，由英国格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的 Qammer H. Abbasi 博士领导的科学家团队开发了一种可重构智能表面 (RIS)，又名“智能Walls”用于在物理层面控制电磁 (EM) 波并操纵传播路径，以非接触方式利用人类活动数据。

RIS通常由两层组成，第一层是由具有亚波长间距的可调亚波长晶胞元件组成的超表面结构，第二层容纳控制和偏置 络。与相控阵和继电器等技术相比，采用 RIS 进行 EM 转换的主要优势在于其低复杂性和无源特性，从而使该技术易于扩展，以低制造成本和最低功耗覆盖大面积。

RIS 辅助单输入单输出 (SISO) 无线通信系统。

a RIS 和接收器 (Rx) 形成一个反馈回路，以迭代地增加从发射器 (Tx) 到 Rx 天线的信道增益，从而绕过阻塞。b制造的可重构智能表面。插图显示了顶部带有扼流圈电感的柱状结构。突出显示的列由一组 12 个单元格组成，这些单元格的顶部和底部相连。

借助人工智能(AI)，这项工作旨在通过引入 RIS 来扩展活动监控系统的覆盖区域，从而提供非接触式家庭活动监控的范式转变，该系统可以通过聚焦光束来帮助跟踪和提高分辨率。RIS 辅助活动监测系统的传感能力在复杂的无线传播环境中得到证明，在这些环境中，传统的微波传感不能很好地执行。即，在走廊交界处的拐角处感应并在多个楼层感应。

启用 RIS 的人类活动监测系统的数据流程图。

走廊交叉口实验装置。发射器和接收器通过放置在走廊交界处的 RIS 形成虚拟视线链接。虚线表示进行实验的活动区域。学分：穆罕默德·乌斯曼等人

开发的智能墙可以被操纵以将梁引导到各个方向。由于更宽的扫描角度，活动检测和监测可以在广阔的空间进行。实验装置提供的优势是可以实时执行活动，并且可以将光束切换到多个位置，从而允许在不同空间进行患者监测。科学家们将其智能墙的工作原理总结如下：

“我们为三个目的设计了一个高分辨率可编程智能表面，(1) 能够扫描并将光束指向多个位置和/或楼层；(2) 将 EM 能量聚焦在所需位置，从而避免不必要的干扰来自周围环境；(3) 利用从智能表面收集的电磁能量，能够使用机器学习算法识别各种身体姿势，例如坐、站和走。”

“由于智能墙的切换速度和宽扫描角度更快、更广，原则上监控的人数可以非常多，但现有的工作仅限于一个人，”他们补充说。

“所提出的技术可用于监测患有严重残疾的患者，例如，作为帕金森病症状之一的步态冻结 (FoG)，患者可能会发现无法正常行走并且容易跌倒和严重受伤。这一突破可以为智能墙打开一个新的场所，用于远程患者监测，以预测未来的趋势和事件，使用人工智能创造一个主动的家庭健康监测环境，”科学家们说。