低成本传感器监测智能家居中的有意义活动

使用小型低成本设备在智能家居中监测有意义的活动

乔丹·特韦尔1&戴姆娜·奥’沙利文2&尼尔·梅登1&詹姆斯·洛克比1&西蒙妮·斯坦普夫1

与摘人要口老龄化相关的一个挑战是医疗和社会护理需求的增加，从而更加迫切需要使人能够在自己的家中独立生活。环境辅助生活技术旨在通过使用智能家居传感器监控住户的“日常生活活动”，在日常任务出现异常或个人自理能力下降时向护理人员发出警报，以应对这一问题。然而，目前较少关注利用传感技术来监测更广泛的所谓“有意义的活动”，这些活动有助于满足人的情感、创造、智力和精神需求。本文描述了一种由现成且价格合理的传感器组成的工具包的开发过程，使痴呆症和帕金森病患者能够监测有意义的活动以及日常生活活动，以实现自我管理生活和福祉。我们描述了对该工具包进行的两项评估：首先是基于实验室的研究，用于测试系统的安装，包括传感器的灵敏度和布置；其次是实地研究，由非目标用户但自认为是科技爱好者的受试者评估该工具包在真实家庭环境中监测活动的可行性。实地研究中的受试者报告称安装过程几乎没有造成阻碍，并能够在不受传感器干扰的情况下进行并享受各种活动，这表明使用价格合理、被动式传感器可远程监测有意义的活动。我们认为，我们的工具包通过监测比日常生活活动更广泛的一系列活动，可能增强辅助生活系统的效果。

关键词 物联网 . 智能家居 . 被动传感器 . 被动健康监测 . 有意义的活动

1 引言

住宅型智能家居是一个统称，指经过精心构建的任何生活或工作环境，旨在帮助人们完成所需的活动^[1]。大多数研究将此类活动称为日常生活活动（ADLs），即人们日常生活中常规进行的任务，用以反映其健康状况并进行衡量他们在日常生活中的独立性[2]。然而，以往的研究并未关注对有意义的活动的监测，这些活动是根据个人的需求和偏好量身定制的身体、社交和休闲活动^，并且能够提供情感、创造、智力和精神刺激^[3]。

尽管研究表明，通过有意义的活动培养目标感有可能改善多种疾病患者的生活质量，但智能家居系统中很少研究有意义的活动。迄今为止，研究重点一直集中在日常生活活动任务上：如洗澡、穿衣和进食等基本日常生活活动，或购物、使用电话、准备餐食以及管理自身药物等工具性日常生活活动。这可能是因 为有意义的活动具有主观性：与日常生活活动相比，其定义更广泛，潜在需要监控的任务更多，并且不存在能够监控数百种可能的有意义活动的单一解决方案，而相比之下，通常研究的日常生活活动仅有十余种。因此，仍存在一个有待研究的问题：

是否有意义的活动可以像日常生活活动一样，通过智能家居传感器进行有效监控。

为了解决这一问题，我们开发了一个由常用于监测家庭中日常生活活动（ADLs）的被动传感器组成的工具包。我们的工具包进一步增强了信标传感器，这些传感器被专门重新利用以测量有意义的活动。这些信标传感器是小型、便携式的蓝牙设备，能够测量事件的情境和位置，并可用于‘标记’家居内外感兴趣的物体，以便在用户与这些物体交互时能够识别它们。通过将信标传感器与有意义的活动关联起来，并结合被动传感器，我们旨在获得一个稳健的交互数据集，可用于识别家庭中更广泛且更详细的活动。该传感器工具包的开发是更大的SCAMPI（自我护理建议、监测、规划和干预）项目的一部分，其主要目标是共同设计并开发一种新型智能计算机工具包，以帮助和支持受痴呆症和/或帕金森病影响的人士进行日常生活。除了传感器工具包外，SCAMPI工具集还包括一个可视化护理规划工具，使患有痴呆症和/或帕金森病的人及其非正式看护者能够建立并监控针对日常生活活动和有意义活动的个人计划和目标，并根据设定的计划和跟踪的数据提供建议和推荐。传感器工具包允许用户和看护者通过收集的数据来监控其个人计划的完成情况。

本文将描述SCAMPI传感器工具包的开发与架构，包括传感器的选择（第3节），一项实验室研究（第4节）以基于严格的测试计划评估传感器放置位置，并介绍有意义活动与传感器之间的映射关系，该映射构成了实地用户研究（第5节）的基础。该实地用户研究面向科技爱好者，评估了该工具包的传感器在受试者家庭环境中监控选定有意义活动的可行性。’所选的有意义活动包括锻炼（有氧、力量和坐姿锻炼，步行以及使用体育器材），休息/放松 （爱好、社交、听音乐、阅读和玩游戏），家务 （整理床铺、吸尘、洗衣服以及布置和清理桌子），以及园艺 （浇花、除草和割草）。这些活动基于SCAMPI项目中提出的一个有意义活动模型，该模型受到[7, 8]工作的启发。研究结果表明，传感器安装带来的阻碍极小，受试者能够正常开展指定活动，未受到传感器的明显干扰，表明可通过被动传感器技术远程监控有意义的活动。

2 背景

过去十年中，由于物联网（IoT）技术的发展，将传感器 retrofit 到现有住宅中的可行性大幅提高，从而推动了智能家居研究的兴起。该领域的大量研究围绕为老年人设计和评估智能家居展开，重点是监测日常生活活动（参见[9]中的相关系统文献综述）。智能家居还致力于弥合监测与电子健康之间的差距，通过构建能够监控住户行为模式和疾病进展的居住环境来实现这一目标。

我们的工作目标是开发一个由低成本商用传感器组成的工具包，使患有痴呆和帕金森病的人能够监测有意义的活动以及日常生活活动，以自我管理生活和福祉。因此，我们关注那些能够支持家庭监测、识别日常生活活动模式和有意义任务的环境及相关传感技术。最终，对这些传感器数据的分析还应有助于了解疾病进展，因为随着健康状况恶化，活动模式可能会发生变化。

先前关于监测帕金森病的研究已利用放置在手腕、颈部、腰部和腿部的可穿戴传感器来检测震颤[10],、运动不能程度[11],、步态[12],以及久坐行为[13]。可穿戴传感器通常更昂贵、明显且具有侵入性，但能够采集高频数据，从而在病情随状况恶化时进行持续监控。这也影响了电池寿命，此类传感器需要频繁充电，对于有认知障碍的患者而言尤其困难。此外，这些传感器所采集的数据通常是专有的，难以用于监测目的，且根据所用传感器的质量，数据可能不可靠。因此，我们决定在工具包中专注于使用被动传感器。

被动传感器不需佩戴，可更广泛地布置在居民家庭环境中，用于收集住户日常生活规律的信息，例如居民洗澡、进食的频率以及上床睡觉的时间。这些传感器被广泛用于监控痴呆患者的行为和生活作息。马尔可夫逻辑网络 [14], 朴素贝叶斯和支持向量机 [15] 等算法利用传感器数据对日常生活活动进行分类，从而推断居民自理能力。常用的被动传感器包括以下几种：

1. 使用被动红外传感器来研究移动。这些传感器通常用于根据居民在家庭中的位置随时间检测活动模式。
2. 在门上安装接触开关，以检测门何时被打开。它们也可用于其他类似门的装置，例如窗户、柜子和抽屉。这些装置用于检测诸如打开衣柜以表示穿衣等活动。
3. 压力传感器，用于检测床、椅子和地板上的占用情况。它们用于检测坐姿活动和睡眠。
4. RFID标签，用于检测家中特定人员，例如看护人。
5. 环境传感器，用于检测温度、湿度、光照强度和噪音。例如，温度和湿度传感器可用于浴室空间，以检测淋浴间的使用情况。
6. 多媒体传感器，如摄像头和麦克风，用于收集音视频信息。然而，由于监控伦理问题，这些设备并不常见。

然而，根据文献所述，可穿戴设备 [10–13]和被动感知[16–20]均无法捕捉居民活动的细微细节。例如，尽管大多数系统能够利用运动传感器或门传感器检测住户的大致位置[16, 17],但这些系统无法识别更细微的活动，例如住户是否在读书、玩棋盘游戏，或在家中以外参与社交活动，除非借助摄像头和麦克风等更具侵入性的感知能力[20]。此外，与日常生活活动不同，有意义的活动需要更广泛且可移动的传感器，这些传感器可以附着在日常物品（例如书本）上，使其可被识别，并捕捉与这些物体的交互。监测这些活动对于护理人员而言可能非常有用，不仅可以判断住户是否能够自理（如同监测日常生活活动的情况），还能了解其是否享有较好的生活质量。因此，现有文献中存在这一研究空白，也存在机会去研究如何监测这些有意义的活动，以及如何将它们与传统、非侵入式的被动感知技术（如摄像头或可穿戴设备）相结合。

我们提出使用信标——一种通过蓝牙广播数据包的小型设备——来监测有意义的活动。标准信标以特定时间间隔广播其存在，可用于追踪其所附着物体的位置和接近程度，例如封闭空间内的医院设备[21]甚至人员[22]。此外，商用“传感器信标”（如estimote [23]和Motion Cookies[24],）配备了加速度计和温度传感器，能够捕捉物体在空间内移动的更详细信息。这些信标设计用于附着在物体上，因此适用于我们对测量细粒度有意义的活动的需求，并可通过专有协议广播其信息。

一项研究[25]使用Estimote表明，从这些传感器捕获的加速度计数据不仅可以检测到居民与传感器所附物体交互的存在被附着的物体以及物体移动的方式（例如，将刀放在桌子上与使用刀切割食物进行准备）提供了有关所执行活动的更详细信息。结果表明，对物体操作进行简单的检测分类能够提供足够的准确率（检测无关物体操作的准确率为94.5%，检测相关物体操作的准确率为93%，例如从水瓶喝水或从药盒中取出药片）。

侯赛因等人[26]研究了一种主动学习方法，用于识别家庭中的活动。除了被动红外传感器和门传感器外，作者还使用了“物体传感器标签”，这些标签可安装在家庭中各种物体上（例如垃圾桶、扫帚、电话）。这些传感器包含一个罗盘和一个加速度计，能够在用户居民操作物体时检测其使用情况和方向。作者提出，此类传感器在多居住者环境中可能非常有用，因为“物体的正确使用数据结合运动传感器和位置信息，理想情况下可以精确定位活动”^（第319页）。然而，作者仅研究了基本日常生活活动，如烹饪、清洁和进食，并非所有活动都使用了物体传感器。

拉弗蒂等人[27]的另一项研究部署了附着在物体上的Estimote传感器信标，以检测冲泡咖啡和茶的目标完成情况。智能手机在两种真实生活场景中监控这些信标：一种场景中用户将手机放在口袋中，另一种场景中将手机固定在用户的前臂上以模拟佩戴智能手表的情况。在这两种情况下，手机上的应用程序测量了用户与物体的距离以及温度和加速度信息。共测量了六种活动：制作黑咖啡、白咖啡、含糖白咖啡、绿茶、白茶和含糖白茶。针对两种场景，均测量了识别目标的准确率。研究发现，智能手表场景表现最佳，对这六种活动的识别准确率达到75–87.5%。

将小型传感器附着在物体上使用时存在一些挑战。除了传感器本身尺寸受限外，能耗也可能成为问题，因为分析加速度计数据需要高传输速率，才能有效地通过机器学习技术捕捉移动。Civitarele等人[25]承认电池寿命“降低到不适合真实家庭部署的水平”^（第 781页）。此外，某些家庭环境也存在问题：金属物体可能对无线电波造成干扰，浸入水中的物体需要防水保护，而高温可能损坏传感器电路[25]。

然而，[25–27]中报道的研究为家庭活动监测提供了 excellent 基础。使用信标进行检测的准确率很高 [25, 26]，并且它们适用于多用户环境，因为它们能够提供特定的位置准确率，从而识别出谁正在与设备交互[27]。然而，鉴于我们对监控细粒度有意义的活动的需求，其他因素也非常重要。信标需要足够小，以便可以附着在梳子和牙刷等小型物体上，而不会妨碍活动的进行。此外，它们应该是‘运动触发’的——即仅在用户拿起信标时才向系统传输其存在信息。因此，信标应配备加速度计——但仅用于传输存在信息，以保护传感器’的电池寿命。最后，信标必须能够轻松集成到现有的传感器软件解决方案中，例如 openHAB [28]或 Home Assistant [29],，以便其数据可与其他现成的被动传感器结合使用。

在下一节中，我们将根据上述标准描述我们工具包的硬件和软件设置。我们考虑了监测有意义的活动所需的传感器数量，以及将传感器数据传输到中央集线器进行存储所需的协议。为了降低成本，我们没有自行制造传感器（因为制造和开发传感器可能过于昂贵），而是选择了价格合理的商用传感器。此外，我们仅考虑使用开源软件，以进一步降低系统成本，因为我们同样关注维持一个可行的商业模式。

3 传感器的选择与配置

通常，在智能家居中，传感器被 retrofit 到环境内，然后与日常生活活动相关的数据被传输到集线器进行存储 [16, 17, 26, 30]。随后通过数据挖掘处理这些数据，以识别居住者的日常生活活动。通过检测和分类日常生活活动，当出现异常情况或未能完成这些任务时，系统可协助和/或提醒居住者及其正式和/或非正式看护人。

SCAMPI传感器工具包的设计初衷是不仅能够监控日常生活活动，还能利用现成的被动传感器监控有意义的活动，这些传感器可在市场上轻松采购。尽管一些研究已定制传感器以满足特定需求[16, 30],，但我们选择关注市场上已有的消费级解决方案，因为它们成本更低（制造需要工厂重新配置和大批量采购费用），并且已经按照日常使用所需的耐用标准制造。此外，这种方法还可以让最终用户更灵活地选择自己愿意使用的传感器，通过减少重复采购进一步降低护理领域的成本。

3.1 传感器工具包选择

消费级传感器通常以家庭自动化和安全为核心进行设计。许多制造商不仅生产独立的传感器（大多数使用 Wi‐Fi或Z波通信），还提供包含多种传感器（如运动传感器和门传感器）以及网关设备的工具包，该网关设备与传感器通信并聚合数据，通常将数据存储在制造商提供的云中。用户可通过智能手机或平板电脑上运行的应用程序来设置系统的自动化规则、从云中检索有用的数据指标，并实现远程监控。在考虑的多个此类工具包中，包括三星SmartThings [31],、小米米家智能家庭 [32], 和松下智能家庭 [33]。尽管这些工具包并未涵盖所有传感器应用的完整解决方案，但它们包含了最实用的传感器，并可与功能更全面的系统配合使用，后者还可集成利用其他无线协议的较为特殊的独立传感器。

我们选择小米智能家居[32]作为系统基础，原因有四。第一，小米传感器的价格非常实惠。第二，小米工具包提供了局域网（LAN）协议和API，可在传感器将当前状态传递给网关后立即通过该API从网关查询数据。第三，与市场上其他工具包不同，小米网关的数据无需先上传至云服务即可获取，这减少了对制造商提供云端数据的依赖，同时由于无需互联网连接即可获取数据，也降低了系统的延迟。最后，小米工具包包含多种对SCAMPI系统有用的传感器：运动传感器、门传感器、温湿度传感器、按钮传感器和电源传感器。这些传感器将在下一小节中详细描述。

3.2 被动传感器的选择

工具包中包含了七种类型的传感器。这些传感器如图 1所示，包括运动传感器、门传感器、环境传感器、按钮传感器、电源传感器、压力传感器和信标传感器。

运动传感器利用PIR（被动红外）LED光束来检测居民在房间内的存在，当物体穿过光束时便会触发。市场上的一些运动传感器设计为安装在天花板或墙壁上，而另一些，例如小米智能家居占用传感器，即我们工具包[34],中的运动传感器，则设计为放置在桌子和台面等水平表面上。运动传感器被归类为二进制传感器；也就是说，它们只能检测房间内是否有移动，但无法识别具体的活动。

门传感器 也是二元的；也就是说，它们可以检测所连接的门是打开还是关闭。门传感器由两个部分组成，形成一个干簧开关，利用磁性机制来检测传感器的磁体部分是否在远离（表示门正在打开）或靠近开关（表示门已关闭）。门传感器可用于多种类似门的装置：例如柜子、冰箱门、窗户和抽屉等。因此，这些传感器最适合用于检测是否有人进入带门的房间，以及是否正在打开存放特定关注物品的衣柜、抽屉或柜子。我们的工具包使用小米智能家居门窗传感器 [35]。

环境传感器实际上由两种不同的传感器组成：温度传感器和湿度传感器。这两种传感器在浴室和厨房区域都很有用，可用于检测可能改变房间温度或湿度的活动：例如烤箱是否开启，或居民是否正在淋浴。我们的工具包使用小米米家智能家庭温湿度传感器[36]。

按钮传感器是一种大型无线按钮，可放置在任何平面上。它可以检测点击操作（单次按下、长按或双击），属于一种实验性传感器，因为文献中很少有工具包使用按钮传感器进行活动检测。然而，它可用于自我报告场景，例如当居民醒来时按下按钮以确认自身状态正常，或在前门附近的按钮上按下以向系统报警有外来者进入家中。我们的工具包使用小米米家智能家庭无线开关 [37]。

电源传感器是一种可以插入任何普通电源插座的插座。它通常用于智能家居系统中控制电器设备（通过自动化规则开关灯，例如当运动传感器检测到主人回家时）。然而，一些电源传感器还内置了电能消耗检测器，用于家庭用电监控会考虑到使用收音机或电脑等电器设备时的用电情况，以检测在特定时间是否有电器在使用。我们的工具包使用Z‐Wave TKB TZ69E墙插开关/电表—GEN5—英国电源传感器[38]。

尽管独立无线压力传感器在市场上不易找到，但可以通过将压力垫连接到通用二元传感器来构建。在这种情况下，对垫子施加压力会使垫子充当常开开关，闭合电路，从而在垫子被踩踏或坐压时触发传感器。这使得在床、沙发或椅子旁边的地板上检测压力成为一种经济型设置。我们的工具包使用Arun Electronics 压力垫 PM3和Fibaro FGK‐10x 门/窗传感器（带二元/温度输入）[39]。

信标传感器是我们工具包中的一个独特补充，因其能够捕捉细粒度活动并监测有意义的活动而被选用。如前所述，信标是能够通过蓝牙向接收设备（如智能手机）广播小段数据的微型设备。信标可以包含用于感知环境条件（如温度或移动）的传感器，并可放置在物体上以检测居民是否拿起它。这可用于检测人在家中当前正在与哪个物体交互，因为信标内部的加速度传感器会检测到移动并触发向集线器的广播。信标还可以检测振动，例如来自洗衣机的振动。因此，这些传感器对于测量有意义的活动非常有用，因为它们可以附着在家庭内外感兴趣的物体上。我们的工具包使用AnkhMaway AKMW‐iB001M传感器信标 [40]。

3.3 配置（HUB）

图2展示了工具包的组件。系统的核心是树莓派3 B型。我们选择了一个树莓派运行Raspbian Lite[41]作为中央集线器，因其价格低廉且易于开发。树莓派通过路由器（ TP‐Link TL‐WR940N）连接到家庭的Wi‐Fi网络，该网络与居民用于查看传感器状态的接口设备（联想 Tab 3 Essential）进行通信。Wi‐Fi路由器还连接小米网关（小米智能家居网关2代），并通过Zigbee与小米传感器通信。树莓派通过蓝牙低功耗直接与信标连接。最后，树莓派通过插入其USB端口的Z‐Wave USB适配器（Aeotec Z‐Stick Gen5）与两个 Z‐Wave传感器（电源传感器和压力垫）进行通信。

在树莓派上，使用软件程序来收集网络中各种传感器的数据，并将其存储到数据库中。我们特别关注开源软件，主要是为了降低系统成本。Home Assistant[29]被选为中间件解决方案，通过小米网关、Z波适配器以及树莓派内置的蓝牙天线与传感器进行通信。相较于openHAB 2 等替代方案，选择Home Assistant是因为它可以通过 XAML文件轻松配置，并且能够通过Python脚本方便地扩展功能。Home Assistant预装了多种可直接使用的脚本，用于与包括小米和Z‐Wave传感器在内的多种传感器进行交互。为了与信标通信，安装了房间助手[42]，该工具监控信标的状态，并在信标移动时通过MQTT向 Home Assistant推送更新。接收后，Home Assistant 将传入的数据存储到InfluxDB [43]数据库实例中。InfluxDB被选用而非其他数据库（如MySQL），因为它是专为存储物联网传感器等时间序列数据而设计的。

4 基于实验室的研究

为了评估工具包的安装情况以及传感器在环境中的灵敏度和布置，我们首先对传感器工具包进行了基于实验室的技术评估。通过该评估，我们能够验证传感器的正确放置位置及其可检测范围。本研究由一名测试用户（同时也是系统开发者）完成。评估工作在伦敦城市大学的生活实验室空间（City TECS）中进行，该空间被设计用于模拟一个单间公寓。该单间公寓配备有客厅区域、厨房、卧室区域和浴室，以及相应的家具（沙发、床、桌子和台面空间）和电器（电视、电话、微波炉、烤面包机、咖啡机、水壶和烤箱）。图 3展示了该设施的俯视图，以及家具和人体标识的布置，以显示空间的比例。图4展示了实验室中传感器和设备的一些示例布置。

共创建了12个测试用例，以解决可能存在的安装问题，包括环境中的放置位置（例如在地板上或某种门上）、传感器的范围，以及在执行某项活动时（例如坐下或拿起一个物体）传感器是否会激活。图5展示了用于评估生活实验室环境中运动传感器布置的一个测试用例示例。每个测试用例都有其特定的前置条件和一组包含逐步说明的步骤

测试用户安装传感器所需执行的操作、操作后系统的预期响应、用于指示步骤是否通过的检查项，以及注释部分。每个测试用例最终都以一个后置条件结束。

测试用例 1–5 用于评估集线器、传感器和安卓平板组件的安装。测试用例 6 评估了运动传感器的不同放置位置——在桌子上、在地板上以及靠近天花板的高处。测试用例 7 检查了多个门传感器的安装——安装在实验室的“前门”、厨房橱柜门、微波炉门、滑动浴室门以及卧室梳妆台抽屉上。测试用例 8 涉及环境传感器在厨房区域的安装。测试用例 9 研究了按钮传感器——水平放置在平面桌表面，垂直放置在墙壁上。测试用例 10 针对压力传感器的放置位置测试了三种场景——床床垫下方、沙发垫下方以及椅子上方。测试用例 11 使用不同尺寸的电器测试电源传感器——微波炉、水壶、烤面包机和咖啡机。最后，测试用例 12 检验了信标传感器在多种放置位置下的灵敏度和范围：电视遥控器上、手机耳机上、水槽的水龙头和排水管上、牙刷上、梳子上以及钥匙链上。在所有测试用例中，用户通过平板电脑上的网页用户界面观察传感器的使用情况，该界面显示传感器是否被激活。

4.1 基于实验室的研究结果

表格 1显示了每个测试用例在遇到问题方面的结果摘要。除了由实验室技术人员解决的Wi‐Fi问题外，未遇到其他安装问题。此外，门、按钮、电源和信标传感器的测试均顺利通过。门传感器出人意料地多功能，能够在某些情况下倒置甚至侧向安装。另一个非常可靠的传感器是电源传感器，只要电源读数超过0 W的阈值，它就适用于测量中小型电器的使用情况

然而，运动、环境和压力传感器遇到了一些问题。在以下情况下将运动传感器放置在地板上时失败了，因为当用户远离传感器时，存在检测的长度显著减小（参考：制造商说明指出该运动传感器的最大可检测范围约为5米）。另一个观察结果是，用户离传感器越远，可检测范围的宽度就越小。这意味着，在最大可检测范围内，用户必须直接站在传感器前方，而不能偏向侧面。另外，环境传感器出乎意料地最不可靠：无论是将厨房水槽的水龙头打开调至热水还是冷水，均未对传感器的温度或湿度读数产生任何影响，表明该传感器不够敏感，无法检测到水槽的使用情况，即使传感器安装在水槽区域正上方也是如此。最后，压力垫无法检测到

| 表格1 测试用例描述及其结果 |
| :— | :— |
| 测试用例 | 发现问题 |
| 1–5 系统安装 | 在TECS实验室空间内发现了互联网连接问题。 |
| 6 运动传感器测试 | 传感器放置在地板上失败。宽度 可检测范围随着距离的增加而减小 用户远离传感器。 |
| 7 门传感器测试 | 无。 |
| 8 环境传感器测试 | 所有测试均失败。 |
| 9 按钮传感器测试 | 无。 |
| 10 压力传感器测试 | 床的布置失败。沙发使用存在一些盲区。 |
| 11 电源传感器测试 | 无。 |
| 12 信标传感器测试 | 无。 |
当用户躺在床上时，由于床垫在传感器周围变形过大，导致其重量分散到垫子上，从而影响了对用户存在的检测。压力传感器能够检测沙发的使用情况；然而，据观察，沙发垫边缘存在一些盲区，当用户坐在某些区域时无法被检测到。

4.2 基于实验室的研究的讨论与经验教训

SCAMPI工具包中的大多数传感器（环境传感器除外）在大部分测试案例中均成功通过。总体而言，门、按钮、电源和信标传感器在检测用户触发传感器所进行的活动方面最为可靠，因此在真实环境评估中也更可靠地用于跟踪有意义的活动（详见下一节第5节）。运动传感器和压力传感器则需要更仔细地考虑其在环境中的放置位置，因此在评估过程中特别向用户提供了关于这些传感器的使用指导。最后发现，环境传感器对温度和湿度变化过于不敏感，无法有效检测水槽相关活动的使用情况，或许在封闭较严的空间（如淋浴间）中会更有用。然而，这种情况在TECS实验室中无法进行测试。因此，在真实环境评估中，该传感器仅在其他传感器无法检测的情况下才被有限地考虑使用。

具体而言，压力传感器被发现不适合放置在床床垫下方，但可用于椅子以及沙发垫下方。然而，更可取的做法可能是将压力垫直接放置在家具前方的坚硬、平坦表面上。与制造商的讨论表明，如果没有平坦的表面，压力垫会随着时间推移而损坏，尤其是在床上，受试者在睡眠中会反复翻身。此外，应尽可能按照制造商的建议使用保护罩，例如在垫子上铺设地毯。这凸显了床的放置存在的另一个问题——受试者可能会意外弄湿床垫，导致垫子及其连接的电子传感器损坏，还可能带来电气安全隐患。由于这些讨论和发现，在真实环境评估中建议将压力垫放置在地板上，位于家具（如床或沙发）的前方或旁边。然而，只要座椅足够坚硬和平坦，能够支撑传感器和用户，并且两者之间有座椅垫等保护罩，椅子的使用是合适的。

表现最令人失望的传感器是环境传感器，尽管在生活实验室中测试存在局限性，但它无法检测到细微的温度变化和厨房中的湿度差异足以测量水槽使用情况。然而，信标传感器在检测废水流经排水管时产生的轻微振动方面表现出足够的可靠性，这使得信标有可能成为检测水槽使用的一种更合适的方法，尤其是在安装在水龙头把手上时。但前一种方法侵入性更小，且不会干扰用户，因此可能是测量水槽活动的更优选方法。这一点在接下来的研究中得到了进一步评估。

本研究的一个有趣结果评估了运动传感器的放置位置。尽管制造商有所宣传，但将运动传感器安装在地板上的检测性能最差，相比之下，桌子（腰部以上）和天花板安装位置的表现更好。其相对较长的检测范围（5米）应适用于大多数室内房间，但其视野较窄，尤其是在较长距离时，需予以考虑。因此，在评估过程中建议用户在较大的房间中至少安装两个运动传感器，以确保正确实现存在检测。

最后，除了互联网连接问题外，系统的安装没有出现问题，且设置系统所需时间相对较短（约5分钟），这可能说明其安装过程具有较高的用户友好性。但这前提是用户熟悉安装步骤，并能在家中中心位置进行安装，且附近有合适的电源插座和以太网连接。

5 实地研究

为了研究传感器工具包是否能够捕捉有意义的活动，以及用户在被监控时进行这些活动的感受，开展了一次真实环境评估。招募了四名成年参与者（两男两女，年龄30–48岁，平均年龄 = 39.5），他们均为科技爱好者，但不熟悉该工具包的智能家居技术，也不是该工具包的目标用户。参与者需在自己家中安装工具包，并各自完成两项有意义的活动（表 2）。本研究已通过伦敦城市大学研究伦理委员会的审查并获得伦理批准。

| 表2 分配给每位参与者的有意义的活动 |
| :— | :— | :— |
| 参与者 | 有意义的活动 #1 | 有意义的活动 #2 |
| 参与者#1 | 锻炼 | 家务 |
| 参与者#2 | 家务 | 园艺 |
| 参与者#3 | 放松 | 锻炼 |
| 参与者#4 | 园艺 | 放松 |

5.1 安装工具包

我们设想，SCAMPI工具包的最终版本将以一个完整的工具包形式提供给用户，其中包含所有必要的中央集线器组件（树莓派设备及其外设）、各类指定的传感器（运动、门、温度、压力、按钮、电源和信标传感器）以及传感器安装所需的任何工具。工具包的规模将根据需要监测的日常生活活动或有意义的活动的数量而有所不同。基础工具包能够跟踪用户卧室、客厅、厨房、餐厅和浴室中最常见的日常生活活动和有意义的活动。更大的工具包或额外的传感器套装将提供更多传感器，以覆盖更多用于监测的房间或空间，例如露台、地下室和洗衣房。在实地研究中，用户获得了中央集线器组件和一个基础工具包。

我们期望该工具包能够由最终用户本人或其朋友及近亲进行安装和维护。用户将根据从应用商店下载的应用程序提供的说明，在使用智能手机或平板电脑巡视家中时完成工具包的安装。该应用程序会提供有关如何在环境中安装传感器的有效策略，例如推荐传感器的最佳放置位置以实现最佳检测效果（这对运动传感器尤其重要）。在用户将传感器安装到环境中后，应用程序会指导用户激活该传感器。为协助此过程，说明中将包含一份检查表，用户需按照检查表操作，确保每个传感器都已连接至系统并能检测到用户的活动。例如，“^按住按钮几秒钟”或“^将设备插入电源传感器”。随后，应用程序将提供反馈，告知用户传感器已正确安装。最后，对于某些传感器，还将测试其范围，以确保覆盖范围充足，并且传感器的无线信号不会受到环境干扰。此外，该应用程序还可用于远程监控系统，并在传感器出现故障时向用户发出警报（例如，当传感器的电池需要更换时）。

实地研究的目的是考察传感器是否可用于监测有意义的活动，以及用户对这些传感器的感受如何，因此本研究的重点在于用户执行活动的过程，而非与应用程序交互（如上所述）。为开展该研究，我们开发了一个简单的应用程序，使用户能够查看传感器的状态，例如在安装后以及在监测活动期间传感器是否处于“开启”状态。有关安装工具包（包括树莓派、Wi‐Fi路由器、小米）网关、传感器以及检查传感器是否连接的说明已以纸质形式提供给本研究的参与者。例如，图6展示了为测试按钮、压力和电源传感器而提供的纸质检查表示例。这些检查表将如上所述在最终的应用程序中实现数字化。

我们将采取多个步骤来减轻非技术用户安装系统的负担。首先，每个传感器在客户收到工具包之前都会预先与集线器配对，因为我们的传感器依赖 Z波、Zigbee 和蓝牙进行连接。此外，每个传感器都会按类型和用途进行物理标记（例如 B卧室运动传感器 1^），这也与应用程序中的标签相对应。此外，该工具包将设计为可集成到现有的家庭基础设施中，例如用户的家庭无线网络、以太网连接以及地区的电源插座。通过最终的应用程序，用户可以输入其家庭无线网络凭据以连接系统，这是必要的，因为许多传感器（运动、门、环境和按钮）也依赖于 Wi‐Fi 连接。此外，集线器的以太网或 Wi‐Fi 连接非常重要，因为它将允许看护人对系统进行远程监控。

5.2 使用传感器监测有意义的活动

我们研究了四种有意义的活动（园艺、锻炼、休息/放松和家务），以及哪些传感器适合用于检测每项任务的完成情况。以下示例描述了我们如何假设使用传感器来测量这些有意义的任务；在另一次部署中，所选用的传感器及其放置位置将很大程度上取决于具体有意义任务的背景以及用户家庭的布局。

5.2.1 园艺

外出园艺时，居民首先会使用房屋的外门（门传感器）。然后，如果他们有棚屋，打开棚门（门传感器）可能进一步表明园艺即将发生。（如果用户没有棚屋，而是将园艺工具存放在其他地方，则需要调整使用场景。）由于进入棚屋这一行为仍然具有不确定性，因此需要额外的传感器来判断居民是否拿取了重要的园艺物品。因此，可通过附着的信标检测与园艺活动相关的特定物品，例如通过信标传感器检测浇水壶、园艺铲、铁锹、叉子、修枝剪、园艺手套或割草机。割草活动也可通过电源传感器进行监测，即当割草机充电时插入的电源插座所连接的电源传感器。

5.2.2 放松

大多数休息与放松活动的一个假设是，这些活动将发生在居民的卧室或客厅中，通过这些空间内的运动和/或门传感器可以检测到他们的存在。另一个可能的假设是，居民会在家具上休息或放松，例如椅子、沙发和床垫。检测在这些家具上进行休息活动最直接的方法是在家具下方或前方放置压力传感器，以检测脚部的压力。此外，还可以将按钮传感器插入扶手椅下方，以检测休息姿势。

坐着时，居民可能会进行其他放松活动，例如阅读、听音乐、看电视或玩游戏。拿起一本书可以通过放置在书签上的信标检测到，或者如果他们在 Kindle上阅读，则可以检测设备本身。如果他们在喜欢的座位处使用阅读灯，可以通过电源传感器检测该灯。对于听音乐或看电视，可以通过电源传感器测量收音机、CD播放机和电视的使用情况。此外，对于看电视，可以在遥控器上附加一个信标。居民还可能参与拼图或棋盘游戏，这可以通过在游戏盒内放置信标来检测它们是否被从存储中取出。

5.2.3 锻炼

根据英国国家医疗服务体系 [44],一般健康状况良好且没有影响行动能力的健康问题的65岁或以上老年人，每周应进行两天或两天以上的力量训练，并同时进行以下其中一项活动：

1. 每周进行150分钟的中等强度有氧活动（例如骑自行车或步行）。
2. 每周进行75分钟的高强度有氧活动（例如跑步或单打网球）。
3. 每周同时进行中等强度和高强度有氧活动。

力量训练可在家中使用瑜伽垫、哑铃和重量训练器材等设备进行。通过将信标附着在这些设备上，可以检测其使用情况。中等强度的有氧活动，例如在家中步行，可通过每个房间的运动传感器进行检测。居民也可能在家中使用跑步机或健身车进行剧烈锻炼，其使用情况可通过安装信标来检测移动或振动。此外，还可通过将信标附着在球拍或高尔夫球杆包上，并结合前门或后门传感器检测设备是否被带出室外，从而判断居民是否在户外进行网球或高尔夫等锻炼活动。

5.2.4 家务

家务包括分布在家庭各个区域的各种任务，可以根据日常习惯或个人行为方式进行分类。一种日常例行活动可能是在进食前后摆放和收拾餐桌。居民首先需要从橱柜（门传感器）中取出特定的餐具、刀叉和食物物品，将这些物品放在桌子上（桌子下方的桌布内置有压力传感器，可检测物品放置），进餐结束后，居民再将物品从桌子上移走。接下来的例行活动可能是洗碗。系统可以通过运动传感器检测到居民站在水槽前，然后居民开始用水填充水槽。用水龙头上的信标可以感知到水流。清洗完毕后，水槽会被清空，居民会将物体放回橱柜和抽屉中（通过门传感器）。

其他活动可能根据个人习惯完成。例如吸尘，可能会不规律地进行。居民首先会从橱柜或壁橱空间（门传感器）取出他们的吸尘器，使用吸尘器（信标），并在家中走动（运动传感器）。洗衣服预计每周进行一到两次，包括收集衣物（可通过洗衣篮上的信标传感器检测）、使用洗衣机（电源传感器）、用滚筒式干衣机（电源传感器）或晾衣绳（信标）烘干衣物，最后将干净的衣物收好，这可以通过安装在橱柜、抽屉和衣柜上的门传感器来检测。

5.3 安装工具包

受试者会收到工具包以及设置工具包的说明，同时还会获得关于他们与每个传感器交互时传感器行为的解释，以及在家中测试每种传感器范围的说明。在安装部分结束时，他们会收到一份问卷，要求他们使用五点量表从 “强烈同意”到“强烈不同意”对其体验进行评分：

1. 该工具包易于安装。
2. 集线器安装在房屋的中心位置。
3. 我没有遇到任何范围问题。
4. 说明易于理解。
5. 我了解了传感器的行为以及每个传感器的用途。

5.4 设置传感器以监控活动

在实地研究中，每位受试者被分配了两个活动类别，如表2所示。分配基于其家庭环境；例如，如果没有花园，则不会被分配该活动。

上述四种有意义的活动类别（园艺、放松、锻炼和家务） each 被分解为可测试的具体 individual 活动。例如，“家务活动”类别被分为五个 distinct 的有意义的活动：“吸尘”、“整理床铺”、“洗衣服”、“摆放和收拾餐桌”以及“洗碗”。每个活动随后被分解为一组 tasks，这些 tasks 需要按特定顺序完成，以实现该有意义活动的成功完成。例如，吸尘包括按以下顺序执行的任务：

1. 从壁橱空间（或橱柜）中取出吸尘器。
2. 打开吸尘器并在房间之间移动。
3. 移动家具以清洁其下方。
4. 关闭吸尘器并将其放回原始位置。

对于每项活动，首先指导受试者需要使用哪些传感器以及如何设置这些传感器来监控任务（参见图7中吸尘活动的示例）。B从壁橱空间取出吸尘器^建议在存放吸尘器的壁橱或橱柜空间上安装一个门传感器，以便检测其开启状态。设置好传感器并完成活动后，要求受试者填写一份问卷，该问卷包含图7中所示的五个问题。

最后，受试者被问及六个问题，内容包括他们最喜欢/最不喜欢的传感器、对工具包进行评分、对系统整体印象的看法、讨论他们希望对系统进行的某项功能或重大改变，以及对其它可能存在的问题或疑虑发表意见。

选择向参与者提出的问题，涉及他们安装工具包、使用传感器监测活动的经历，以及最后关于对工具包印象的问题，借鉴了多个标准工具，因为现有的单一标准问卷并未涵盖所有这些方面。有关安装和使用传感器的问题参考了技术评估模型(TAM) [45],，特别关注感知易用性、感知有用性、感知乐趣和自我效能构念。这些问题采用5点李克特量表进行测量。关于用户对系统印象的问题则借鉴了W3C可用性测试问题中的测试后访谈问题[46]，用户可从提供的选项中选择答案，或给出非结构化的回答。

5.5 实地研究结果

5.5.1 安装工具包

表格 3显示了安装工具包的结果。只有受试者#4不同意他们能够将集线器安装在家的中心位置：他们表示，确定集线器的放置位置很困难，最终选择了一个靠近家前部且有电话插座的位置。当被问及在测试不同传感器时是否遇到范围问题时，受试者#4表示未决定，并报告称信标#4会触发，但并非在使用时触发。当被问及在设置系统时遇到了哪些问题时，受试者#2报告遇到了IP地址问题与路由器连接。然而，一旦通过远程修改代码解决了此问题，系统便在他们家中正常运行。受试者#3还报告了互联网的Wi‐Fi问题，并称当他们在运动传感器前移动时传感器未被激活，推测这是由于电量耗尽的电池所致。受试者#4也报告了Wi‐Fi网络的互联网连接问题，该问题通过使用新的网线得以解决。总之，Wi‐Fi连接是受试者在安装工具包时遇到的最大问题。

| 表3 工具包安装问卷结果 |
| :— | :— | :— | :— | :— | :— |
| 主题 | 安装是否容易？ | 已安装在家中 中心？ | 无范围问题？ | 易于遵循 说明？ | 理解 传感器？ |
| 1 | 强烈同意 | 同意 | 强烈同意 | 强烈同意 | 强烈同意 |
| 2 | 同意 | 同意 | 同意 | 同意 | 同意 |
| 3 | 同意 | 强烈同意 | 强烈同意 | 强烈同意 | 强烈同意 |
| 4 | 强烈同意 | 不同意 | 未决定 | 同意 | 同意 |

5.5.2 使用传感器监测有意义的活动

园艺 园艺活动包括在后门和花园棚屋门上安装门传感器，并在园艺工具（包括园艺手套、园艺铲、浇水壶和割草机）上安装信标传感器。受试者报告称，在门上安装传感器没有问题，但受试者#4发现它很难将信标安装在较小的物品上，例如园艺手套。接下来，受试者被要求给花园浇水，并执行除草、挖掘、割草和修剪等任务。附着在手套、小型工具和扫帚上的信标传感器由于传感器相对于工具的尺寸较大，显得分散注意力。这进一步影响了活动的乐趣，并妨碍了正常操作，因为他们担心使用工具时可能会损坏信标。关于传感器是否合适的问题，当信标附着在户外水管上时，未能检测到用水量。两位参与者都理解使用传感器来测量任务的目的。表4总结了受试者在进行园艺活动时遇到的问题。

| 表4 园艺活动中遇到的问题 |
| :— | :— | :— |
| 问题 | 受试者2的问题 | 受试者#4的问题 |
| 安装是否容易？ | 棚门和手套都很方便。 | 手套上的传感器不易于安装。 |
| 是否分散注意力？ | 由于信标的原因，除草和修剪尚未决定 相对于小铲子/修枝剪的尺寸以及损坏风险。信标在附着时会分散注意力 到手套和扫帚。 | |
| 影响体验吗？ | 未决定，因为他们意识到信标的存在 修剪，并担心会把它碰掉。 | 手套未决定。感觉信标是 当扫帚附有分散注意力的东西时。 |
| 传感器合适？ | 信标未检测到水龙头管道（除非是 靠近水龙头）。 | 手套未决定。 |
| 理解传感器？ | 无问题。 | 无问题。 |

放松 受试者 #3 和 #4 被要求进行放松活动。他们被要求在客厅的沙发及其周围放置各种传感器，例如压力垫沙发前方的传感器、面向该区域周围的运动传感器，以及位于沙发内部或表面的按钮和信标传感器，用于检测更精细的坐姿活动。随后，受试者自由进行自主选择的活动：受试者#3完成了一项阅读活动（通过书上的信标进行监控）、一项使用CD播放机的音乐活动（通过电源传感器监控），以及一项与孩子的家庭活动（通过将信标放入游戏盒中进行监控）。受试者#4则选择放松，饮用了草本茶（通过杯子上的信标监控）、观看电视（通过电视的电源传感器监控），然后遛了狗（狗绳上的信标）。表5显示了他们在完成这些活动后的反馈。总结来说，这些传感器易于安装，用户非常喜爱信标传感器和电源传感器在执行任务中的表现；然而，使用信标时需考虑幼儿的安全问题。总体而言，传感器并未妨碍活动的进行，尽管压力垫可以正常工作，但一些用户抱怨坐着时感觉不适。此外，用户认为按钮传感器不适合检测手臂休息活动，他们觉得将其用于该活动显得牵强。

| 表5 放松活动遇到的问题 ies |
| :— | :— | :— |
| 问题 | 受试者#3的问题 | 受试者#4的问题 |
| 安装是否容易？ | 无问题。 | 不确定运动传感器是否起作用。 |
| 是否分散注意力？ | 孩子认为信标是游戏的一部分。 | 压力垫又滑又有响声。 |
| 影响体验吗？ | 无问题。 | 压力垫又滑又有响声。 |
| 传感器合适？ | 按钮传感器被放置在扶手下方时显得有些牵强^ 当放置在扶手下方时。信标 在幼儿周围可能存在安全隐患。 | 无问题。 |
| 理解传感器？ | 无问题。 | 无问题。 |

要求锻炼 受试者#1和#3进行锻炼活动。他们的第一项任务是通过将信标附着在以下任意物品上——自行车、健身车、跑步机或拳击手套——然后进行有氧健身运动。随后，要求受试者在小重量哑铃和瑜伽垫上安装信标，以开展增强力量的活动。受试者#1还进行了一项额外的锻炼，涉及放置电源传感器旁边放置一个CD设备和一个运动传感器的房间，用于跳舞。表格 6显示了他们在进行这些活动时的反馈。遇到的问题很少；传感器不会分散注意力，不影响活动的乐趣，也不会妨碍活动的进行；所有受试者都理解传感器用于监控活动的行为。受试者#3提到，考虑到存在多种类型的健身器材，包括健身车、跑步机和划船机，难以确定在健身器材上安装信标的最佳位置。他们还认为，与建议的压力垫相比，使用信标传感器来测量瑜伽更为合适。

| 表6 锻炼活动中遇到的问题 |
| :— | :— | :— |
| 问题 | 受试者1的问题 | 受试者#3的问题 |
| 安装是否容易？ | 无问题。 | 在健身房中使用信标较为困难。难以确定 将信标放置在设备上的位置。 |
| 是否分散注意力？ | 无问题。 | 无问题。 |
| 影响体验吗？ | 无问题。 | 无问题。 |
| 传感器合适？ | 无问题。 | 在健身房中使用信标较困难。难以知道 如何将信标放置在设备上。信标相比压力垫，感觉更适合 测量瑜伽。 |
| 理解传感器？ | 无问题。 | 无问题。 |

家务 受试者#1和#2被要求完成家务活动。对于吸尘，建议受试者在存放吸尘器的存储空间的门上安装一个传感器，在吸尘器本身放置一个信标，在清洁过程中会被移动的各类家具上放置信标，并在进行吸尘的房间内安装运动传感器。接下来，受试者被指导如何洗衣服：建议在洗衣机上安装一个传感器（最好是电源传感器），在衣物篮上放置一个信标，在滚筒式烘干机或晾衣绳上放置另一个信标，最后在衣物收纳后的抽屉或衣柜上安装一个门传感器。随后，受试者接受了关于摆放和收拾餐桌的指导，建议在存放食品的橱柜空间上安装门传感器，并将压力垫传感器放置在桌布下方的桌子上。最后，受试者被指导如何为饭后清洁设置传感器。这可以涉及在水槽附近放置一个运动传感器，使其面向居民，在水槽的上水管和下水管安装信标，在水槽旁边放置压力垫，在毛巾架内部安装信标，并在储物柜上安装门传感器。表7显示了受试者在执行这些任务时遇到的问题。尽管受试者#1报告称执行任务时遇到的阻碍很小，但受试者#2表示，使用给定的传感器在室外晾衣服会存在问题；他们担心信标传感器在风中移动会产生误报结果，而且他们还认为信标在晾衣绳上非常明显，因而具有分散注意力的影响。正如另一位受试者在放松活动中的反馈一样，他们也不喜欢在家务活动中使用压力垫；该压力垫不平整且明显，因此具有分散注意力的影响，同时对轻微的压力不敏感。压力垫是工具包中体积最大的设备，由此得到的经验教训是，它对大多数用户来说过于显眼，最好将其隐藏起来使用，例如放置在床垫或沙发垫下方。在这种情况下，它还会受到更大的压力，例如人躺下或坐下时施加的压力，从而对所施加的压力更加敏感。这些问题将在下文第5.5.3节中进一步讨论。受试者#2还报告了信标在检测晾干餐具活动时灵敏度不足（欠敏感），以及在检测水管活动时过于敏感（过敏感）的问题。鉴于受试者#1未遇到此类问题，这表明家务活动的监测结果不具备普遍性，而是依赖于个体家庭环境，可能需要个性化配置，以找到合适的设备组合和放置位置，从而成功监控活动。

| 表7 家务活动中遇到的问题 |
| :— | :— | :— |
| 问题 | 受试者1的问题 | 受试者2的问题 |
| 安装是否容易？ | 更喜欢在洗衣机上使用信标 而不是使用 电源传感器。 | 如果信标安装在晾衣绳上，担心风引起误报 放在晾衣绳上。 |
| 是否分散注意力？ | 无问题。 | 晾衣绳上的信标过于显眼。压力垫 不均匀且明显——他们必须小心 当把咖啡放在某些不稳定的点上时。 |
| 影响体验吗？ | 无问题。 | 压力传感器无法检测到物品时 放在桌子上。 |
| 传感器合适？ | 无问题。 | 晾干架下的压力传感器只能检测到餐具 一旦添加了许多。管道上的信标持续设置 间歇性关闭。废水触发了热水 信标比下水管上的信标更多。毛巾架上的信标无反应。 |
| 理解传感器？ | 无问题。 | 无问题。 |

5.5.3 总体印象与讨论

表格 8总结了参与者对工具包的整体态度。受试者#3 和受试者#4表示，他们最喜欢电源传感器和信标传感器，因为这些传感器（大部分）易于安装且B不会妨碍活动^（受试者#4），而受试者#3认为信标传感器非常多功能，且灵敏度足够高，能够开启多种可能性。受试者#3还认为电源传感器具有多功能性，且不会影响活动的进行。受试者#1也同意最喜爱信标传感器以及压力传感器，因为B它们能更好地感知不同信号^。受试者#2同样喜欢信标传感器和门传感器，因为后者是B非常有效地检测重要的门使用，例如进出[家]以及橱柜^。他们喜欢信标传感器，因为它在检测重要物品移动方面极其多功能^。总体看来，受试者最喜欢使用信标、电源、门和压力传感器，这似乎与这些传感器的安装便捷性和灵敏度相关。

另一方面，一些传感器并不受欢迎。受试者#3不喜欢运动传感器和按钮传感器，因为他们认为运动传感器无法工作，并且他们没有太多机会探索使用按钮传感器。受试者#4最不喜欢运动传感器和压力传感器，他们不确定运动传感器是否安装在合适的位置，而且压力传感器太滑。受试者#2最不喜欢按钮传感器和压力传感器，因为他们不确定按钮传感器应该用于什么目的，而且压力传感器需要过大的压力才能激活。受试者#1表示最不喜欢环境传感器和按钮传感器，但这主要是因为他们没有全部使用它们，因此觉得这些传感器不太有用。总之，受试者给那些他们认为用途不大、安装困难或不够敏感的传感器评分较低：按钮、环境、运动和压力传感器。值得注意的是，尽管两位受试者都进行了家务活动，压力传感器最受受试者#1欢迎，却最不受受试者#2青睐——个人偏好可能也会影响受试者对传感器类型有用性的评价，尤其是灵敏度方面。

最后，受试者为系统分配了字母等级，评论了他们喜欢的地方以及可以进行改进的地方，并留下了最终评论。受试者#1给系统评了C级评分，认为系统整体还可以，但需要检查传感器在远距离下的范围。当被问及他们会对此系统做出什么重大改变时，他们表示会改善信号，也许还可以改善信标的外观。

受试者#2 给系统评了B级评分。他们对系统的总体印象是，该系统提供了对可能性的理解。这些传感器及其他传感器的潜力巨大。重要的是要考虑数据将如何被使用以及由谁使用^。他们认为该工具包成本低，并具有进一步发展的潜力，因为该工具包可以轻松地为个人量身定制需要^。当被问及系统改进时，他们建议使用更灵敏的压力垫。他们最后留下了一些评论：BI对信号范围印象深刻。它在花园底部以及房屋的三层之间都能正常工作^。

受试者#3 给系统评了B级评分。他们认为该系统设计良好，能够支持广泛的活动，在设置完成后不觉得侵扰。他们感到“以这种量化方式记录日常活动带来的某种舒适感”。未给予系统满分的原因是存在网络和运动传感器问题，但他们表示非常喜欢使用它。当被问及会做出什么重大改变时，他们询问是否必须使用以太网连接，因为它干扰了他们已有的家庭 Wi‐Fi网络。最后，他们给出了最终评论：“我很惊讶家里安装传感器的感觉如此直观。我很快就忘记了它们的存在。我认为它们将非常有利于持续监测，无需检查日常活动，因此在为[alert systems]^创建警报方面具有最大益处。”

受试者#4对系统有一些积极的印象，但给出了C等级，因为他们表示系统在如何设置方面需要更多的说明（例如如何将信标附着到手套上）。他们也不确定系统的运行效果如何，或记录了哪些类型的数据。受试者#4指出，应更仔细考虑哪些传感器适用于哪些活动。

总结评估结果如下：
& 安装过程除了Wi‐Fi连接问题外均顺利完成，该问题也已解决，表明我们的系统可以在受试者协助下完成安装，意味着最终用户或其看护人可能无需技术帮助即可自行安装。
& 信标在监测有意义的活动方面非常有价值且便于使用；然而，对于信标固定在小物体上的活动，它们可能会分散注意力。此外，它们也不适合良好地检测振动，例如来自管道或晾衣绳的振动。还应注意将信标放置在幼儿周围的安全性，因为幼儿可能将其误认为是活动的一部分，例如游戏部件。
& 除了信标外，受试者对门传感器和电源传感器的抱怨较少，因为它们的普遍性受到受试者的喜爱。
& 环境传感器和按钮传感器几乎未被使用，并且受到受试者的强烈反感。
& 受试者对运动传感器和压力传感器存在担忧——他们表示运动传感器无法工作，而压力传感器则过于明显且不够敏感。
& 总体而言，传感器的受欢迎程度与其灵敏度以及安装的便捷性之间似乎存在关系，这些因素共同影响其监控有意义活动的能力。

| 表8 参与者对其最喜欢的两个传感器和最不喜欢的两个传感器的总结，以及对系统的总体评分（从F到A） |
| :— | :— | :— | :— |
| 参与者 | 最喜欢的传感器 | 不喜欢的传感器 | 系统等级 |
| 参与者#1 | 压力 信标 | 环境 按钮 | C |
| 参与者#2 | 门 信标 | 按钮 压力 | B |
| 参与者#3 | 电源 信标 | 运动 按钮 | B |
| 参与者#4 | 电源 信标 | 运动 压力 | C |

6 结论

物联网技术的进步使得老年人或残障人士能够在家中独立生活，而无需正式和非正式看护人进行持续且侵入式的监控。大多数研究关注的是对居民日常生活活动的监测需求；然而，较少的研究致力于利用被动传感器工具包支持对有意义的活动的监测，这些活动有助于促进居民在家内外的情感、创造、智力和精神需求。

我们描述了一种传感器工具包的开发，该工具包支持对有意义的活动进行监测，是更大规模的SCAMPI项目的一部分，由现成且价格合理的传感器组成：运动、门、环境（温度和湿度）传感器、按钮、压力、电源，以及最重要的信标传感器，这些信标传感器在以往的研究中并不常用于促进对用户在家庭内外活动的监控。我们的系统采用多种不同的协议（Wi‐Fi、蓝牙、Zigbee和Z波），以树莓派3作为运行开源传感器监控软件（Home Assistant）的经济高效的集线器。

随后，我们开发了一个有意义的活动的工作模型，并利用该模型概念化了人们在家中及其周围可能进行的几种场景：园艺、休息与放松、锻炼和家务。针对所有活动，创建了多个任务，并将这些任务映射到相应的传感器上。通过实验室研究验证了传感器是否能够安装以监控这些任务。随后开展了一项实地研究，用于监控在真实家庭环境中由四名健康受试者（非 SCAMPI的目标用户）执行的与四项有意义的活动相关的任务。我们的受试者报告称安装过程几乎没有造成阻碍（除Wi‐Fi问题外，但已解决），并且能够在其指定活动中不受传感器严重干扰地进行，表明使用被动传感器技术（尤其是信标传感器）可以在远程监控有意义的活动。

我们的研究结果与[16–20]所报告的结果一致，他们发现被动式方法适用于捕捉家庭中的日常生活活动；同时也与[25–27]的研究一致，他们成功使用更小的信标传感器来捕捉细粒度活动。然而，我们注意到，我们的工具包仍有一些可以改进之处。首先，信标在附着于足够大的物体上时表现合适—但对于修枝剪等较小的物品，则会导致居民用户出现分心。其他物体如手套也不合适，因为居民不希望在使用过程中损坏手套或信标。利用信标测量用水量也被证明很麻烦，因为信标对振动要么不够敏感，要么过于敏感。对于信标放置位置，尤其是在大型电器设备（如健身车）上的布置，还需进行更多实验。此外，关于信标在小孩周围的安全顾虑也存在。其他被动传感器同样存在问题。压力传感器被认为不合适，除非居民直接坐在上面——当放置在桌子上时，被认为太滑、不敏感，甚至有危险。人们对运动传感器是否有效也表示担忧，而居民认为环境传感器和按钮传感器用处不大。因此，我们将重新评估这些传感器，以改进它们在未来工具包中的应用。

本文所介绍的研究提出了若干未来工作的方向。首先，我们希望扩展该工具包以容纳数十个传感器。其次，我们打算研究智能家居中的多用户占用问题，即通常难以区分是哪位用户正在进行何种活动。这一问题通常通过摄像头来解决；然而，为了保持我们非侵入式的设计理念，我们更倾向于研究使用信标接收器和网关的方案。可以在每个关注的房间内放置信标接收器，同时让用户佩戴独立的信标。当用户移动时，离其最近的接收器将接收到其信标的广播信号，并将该用户的位置和移动信息传输至中心系统。了解特定用户在家中所处的位置，有助于排除其他房间中由其他用户引发的正在进行的活动。对于此类系统，我们还将考虑用户佩戴信标设备的合适设计，其中一个想法是将信标设计成珠宝饰品的形式，例如胸针。第三，我们正在利用实地研究中采集的数据开发数据模型，以智能地监控用户行为并分析采集到的传感器数据。我们采用贝叶斯网络方法，根据与任务相关的传感器激活情况（这些任务是我们为完成第’5.2节中定义的活动而设定的）推断出已实现的日常生活活动和有意义的活动。这些任务由事件的预期序列及其发生的时间范围组成（例如，早餐通常在早晨食用）。贝叶斯网络基于传感器的激活情况、激活顺序以及特定时间范围，计算某项活动是否已完成的置信度。这些模型可用于向居民和/或护理人员反馈目标达成与否的信息，以及异常事件的相关信息（例如，居民夜间起床或在非预期时间离开房屋）。最后，我们将对完整的 SCAMPI系统（包括传感器工具包和数据模型）在痴呆患者中的应用进行评估以及帕金森病患者及其护理人员作为用户试验的一部分。项目资金由英国工程与物理科学研究委员会提供。