老年人異常行為數(shù)據(jù)庫的設(shè)計案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u22066老年人異常行為數(shù)據(jù)庫的設(shè)計案例概述 126621.1數(shù)據(jù)庫的相關(guān)概念 1272501.1.1數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫 1144061.1.2數(shù)據(jù)庫的分類 264191.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計 269741.2.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計的概念 2237351.2.2異常行為數(shù)據(jù)庫設(shè)計思路 3243961.3需求分析 4260481.1.1功能需求分析 4159311.1.2用戶需求分析 5281491.4結(jié)構(gòu)設(shè)計 5320561.4.1概念結(jié)構(gòu)設(shè)計 5220861.4.2邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計 6204861.4.3物理結(jié)構(gòu)設(shè)計 71.1數(shù)據(jù)庫的相關(guān)概念1.1.1數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫1.1.1.1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是描述客觀事物的符號記錄，包括數(shù)字、文本、圖形、音頻、圖像等。數(shù)據(jù)是與所考慮的任何對象相關(guān)的事實，可以為老年人的身高、體重或一段視頻。數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫中存儲的基本對象。1.1.1.2數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是按有序方式、以電子形式存儲的數(shù)據(jù)的集合，也稱之為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)庫類似于圖書館，像圖書一樣按學科、出版社、出版時間等規(guī)則存放在圖書館一樣，數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫能夠使得所有用戶使用庫中全部的數(shù)據(jù)，并能夠保證數(shù)據(jù)的獨立性。數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)的查詢、分析、管理功能。1.1.1.3數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是一個數(shù)據(jù)管理軟件，旨在定義、操作、檢索和管理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)獨立性，因為可以更改存儲機制和格式，而無需更改數(shù)據(jù)庫中的整個應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能輕松進行大型數(shù)據(jù)庫的維護、增強安全性、改進文件的一致性、完整性。1.1.1.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一個完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一般由硬件、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、應(yīng)用開發(fā)工具、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶組成。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將數(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng)集成為一個概念，涉及軟、硬件。硬件包括計算機、存儲設(shè)備等，軟件指包括數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等。1.1.2數(shù)據(jù)庫的分類（1）分布式數(shù)據(jù)庫分布式數(shù)據(jù)庫具有公用數(shù)據(jù)庫的貢獻和本地計算機捕獲的信息數(shù)據(jù)庫。在這種類型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)不在一個地方，而是分布在各個組織中。（2）關(guān)系數(shù)據(jù)庫這種類型的數(shù)據(jù)庫以表的形式定義數(shù)據(jù)庫關(guān)系。它也稱為關(guān)系DBMS，它是市場上最流行的DBMS類型。RDBMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫示例包括MySQL、Oracle和MicrosoftSQLServer數(shù)據(jù)庫。（3）面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)以對象的形式存儲。這種類型的數(shù)據(jù)庫支持所有數(shù)據(jù)類型的存儲。保存在數(shù)據(jù)庫中的對象具有定義數(shù)據(jù)處理方式的屬性和方法。PostgreSQL是面向?qū)ο蟮年P(guān)系DBMS的示例。（4）集中式數(shù)據(jù)庫集中式數(shù)據(jù)庫是存儲、定位以及僅在單個位置維護的數(shù)據(jù)庫。來自不同背景的用戶可以訪問此數(shù)據(jù)。此類計算機數(shù)據(jù)庫存儲應(yīng)用程序過程，這些過程可幫助用戶甚至從遠程位置訪問數(shù)據(jù)。1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計1.2.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計的概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計是指對于一個具體的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造或設(shè)計優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫邏輯模式和物理結(jié)構(gòu)，并據(jù)此建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)，從而高效地存儲和管理數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的應(yīng)用需求[32]?？紤]數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)全過程，將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計4個階段（如圖3-1所示）[33]。數(shù)據(jù)庫設(shè)計完成后，并進入數(shù)據(jù)庫構(gòu)建階段。由于數(shù)據(jù)庫設(shè)計位于數(shù)據(jù)庫開發(fā)的前端，其好壞會極大程度影響整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲空間和系統(tǒng)的運行效率。數(shù)據(jù)庫構(gòu)建數(shù)據(jù)庫設(shè)計數(shù)據(jù)庫構(gòu)建數(shù)據(jù)庫設(shè)計數(shù)據(jù)庫維護數(shù)據(jù)庫應(yīng)用數(shù)據(jù)庫實施物理結(jié)構(gòu)設(shè)計階段邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段數(shù)據(jù)庫維護數(shù)據(jù)庫應(yīng)用數(shù)據(jù)庫實施物理結(jié)構(gòu)設(shè)計階段邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段需求分析階段概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段需求分析階段圖3-1數(shù)據(jù)庫設(shè)計流程1）需求分析是分析用戶的需求。需求分析是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的起點，分析的結(jié)果是否準確反映客戶的實際要求，將直接影響到后面的設(shè)計，并影響到設(shè)計結(jié)果是否合理和實用，關(guān)系到整個設(shè)計的成敗。2）概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)需求分析說明對數(shù)據(jù)世界進行建模，把需求抽象為概念模型。一般采取自底向上的設(shè)計方法或自頂向下的設(shè)計方法。常用的數(shù)據(jù)庫概念模型為實體聯(lián)系模型（Entities-Relationships)。它利用實體聯(lián)系圖描述系統(tǒng)中的各個實體之間的關(guān)系。實體聯(lián)系圖（ERD）顯示了存儲在數(shù)據(jù)庫中的實體集的關(guān)系。在這種情況下，實體是對象，是數(shù)據(jù)的組成部分。實體集是相同實體的集合。這些實體可以具有定義其屬性的屬性。3）邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計，也稱為實現(xiàn)設(shè)計，是將概念結(jié)構(gòu)設(shè)計好的E-R圖轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可處理的、相符的邏輯結(jié)構(gòu)。首先選擇合適的邏輯數(shù)據(jù)模型，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型應(yīng)在功能、效果、完整性等方面滿足各類用戶的需求。4）物理結(jié)構(gòu)設(shè)計是設(shè)計數(shù)據(jù)的存儲和存取方式，在具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型。它與選擇的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)緊密相關(guān)，需要選取存儲介質(zhì)確保適應(yīng)硬件，為邏輯數(shù)據(jù)模型選取適合需求的物理結(jié)構(gòu)，時間和空間效率是評價物理結(jié)構(gòu)設(shè)計好壞的重點。1.2.2異常行為數(shù)據(jù)庫設(shè)計思路老年人異常行為數(shù)據(jù)庫以研究居家環(huán)境下的老年人異常行為為目的，需要明確數(shù)據(jù)庫可以做哪些領(lǐng)域的研究、應(yīng)用的場景。如何滿足老年人居家環(huán)境下的異常行為識別，針對這些研究需要哪些數(shù)據(jù)源，并對數(shù)據(jù)源進行怎樣的分類。根據(jù)第二章老年人居家環(huán)境下異常行為的特點及國內(nèi)外異常行為研究的現(xiàn)狀，目前老年人異常行為的識別大部分都只關(guān)注一個方面，例如基于攝像頭的識別或基于可穿戴設(shè)備的識別。但在居家環(huán)境下，單一的識別方式具有較大的局限性，例如浴室無法安裝攝像頭、老年人未佩戴傳感器等情況。另一方面，異常行為識別的數(shù)據(jù)來源極大部分是基于成年人行為采集得到，缺少大量老年人日常行為的數(shù)據(jù)。因此本文設(shè)計與構(gòu)建的異常行為數(shù)據(jù)庫從實際居家環(huán)境出發(fā)，構(gòu)建基于RGB-D、九軸傳感器、壓力地板的異常行為識別系統(tǒng)，通過采集老年人日常行為數(shù)據(jù)，更好的解決老年人異常行為的識別問題。1.3需求分析1.1.1功能需求分析需求分析是針對具體的數(shù)據(jù)庫主題，根據(jù)該主題確定數(shù)據(jù)庫所包含的內(nèi)容與功能，其中體現(xiàn)了設(shè)計者和用戶對數(shù)據(jù)庫的預期，確保用戶能有效應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。需求定義是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的核心部分。本文所設(shè)計的數(shù)據(jù)庫是利用三類人體行為識別方式采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對居家環(huán)境下老年人異常行為（突然跌倒、緩慢暈倒、彎腰捂肚等）的識別及分析，對異常行為的發(fā)生及時發(fā)生提醒，告訴老年人的兒女為老年人提供關(guān)懷與幫助。同時存儲老年人異常行為數(shù)據(jù)，分析異常行為的危害并采取相應(yīng)的措施降低異常行為的發(fā)生。為了保證數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能，具有一定的實用價值，首先進行功能需求分析。1）異常行為識別功能：實現(xiàn)對老年人突然跌倒、暈厥、彎腰捂肚等常見異常狀況的識別，對行為姿態(tài)的異常狀況進行合理分析和預警。通過室內(nèi)RGB-D攝像頭、老年人穿戴式手環(huán)、衛(wèi)生間壓力地板等設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合行為持續(xù)時間，進行異常行為的識別。2）異常行為提醒功能：當識別老年人出現(xiàn)異常行為時，需要立即通過Wi-Fi或藍牙將異常信息發(fā)送至老年人子女或社區(qū)管理員，并確保數(shù)據(jù)成功被發(fā)送，接到反饋提醒結(jié)束，否則將持續(xù)提醒。3）數(shù)據(jù)存儲功能。包括實時數(shù)據(jù)和歷史記錄兩方面。實時數(shù)據(jù)提供老年人當前各傳感器數(shù)據(jù)以及設(shè)備信息查看。歷史記錄提供以往的異常行為數(shù)據(jù)查詢。4）數(shù)據(jù)分析功能。居家環(huán)境下的老年人異常行為數(shù)據(jù)被存儲下來，可用于條件分析?；诖髷?shù)據(jù)可設(shè)置異常行為數(shù)據(jù)閾值，當數(shù)據(jù)超出某一范圍內(nèi)提前發(fā)出預警。同時可以通過檢測實時數(shù)據(jù)與以往日常積累的行為數(shù)據(jù)庫進行匹配，分析判斷是否發(fā)生異常行為。1.1.2用戶需求分析（1）老年人是本文涉及數(shù)據(jù)庫的主要服務(wù)對象，其具體需求總結(jié)如下：1)健康安全監(jiān)測：數(shù)據(jù)庫首先應(yīng)完成老年人健康數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)庫的開發(fā)目的是識別與分析老年人的異常行為，確保老年人的生命健康安全。數(shù)據(jù)庫應(yīng)時刻工作，提供各個傳感器采集數(shù)據(jù)的實時查看。2)異常事件救護：當老人出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)應(yīng)及時響應(yīng)并能在第一時間發(fā)出預警。通過對不同形式的異常行為進行數(shù)據(jù)分析確定角速度、角加速度和軀干角度的變化，提前在數(shù)據(jù)庫中設(shè)置閾值，若測量的數(shù)據(jù)大于變化閾值，則判定為異常行為發(fā)出預警。3）異常行為數(shù)據(jù)的來源與采集必須保證老年人的隱私，確定數(shù)據(jù)庫的安全使用。（2）子女用戶作為獨居老人最親密的監(jiān)護人，主要負責老人基本信息管理、監(jiān)護參數(shù)的設(shè)置以及遠程實時監(jiān)護等功能，其具體需求總結(jié)如下：1)管理自己賬戶信息、個人基本信息和老人基本信息。2)設(shè)置相關(guān)監(jiān)護參數(shù)：包括體征參數(shù)預警范圍、行為時長預警范圍等。3)遠程監(jiān)護老人狀況：包括實時數(shù)據(jù)和歷史記錄。（3）為了保證設(shè)計與構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫能夠有效可靠的運行，具有良好的用戶體驗，數(shù)據(jù)庫除了滿足基本的功能需求外，還應(yīng)考慮以下非功能需求：1）異常行為能夠準確識別，且不遺漏任何一次異常行為的提醒。盡管可能帶來錯誤提醒，但相比于不提醒所帶來的后果的嚴重性，應(yīng)盡量提高預警的頻率。2）數(shù)據(jù)庫交互頁面的易用性。用戶通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫進行直接交互，因此數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)該便于操作。1.4結(jié)構(gòu)設(shè)計1.4.1概念結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一步是概念結(jié)構(gòu)設(shè)計，它的任務(wù)是在需求分析的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進行分類，從而形成滿足應(yīng)用需求的結(jié)構(gòu)（概念模型）。概念模型是現(xiàn)實世界的一種抽象。設(shè)計概念結(jié)構(gòu)一般有四種方式：自頂向下、自底向上、逐步擴張、混合策略。[34]一個概念數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫概念和它們之間的關(guān)系的有組織的視圖。E-R圖是表示概念結(jié)構(gòu)模型的一種方式。創(chuàng)建概念數(shù)據(jù)模型的目的是建立實體、屬性和關(guān)系。在此數(shù)據(jù)建模級別中，實際數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)不涉及詳細信息。1）實體：現(xiàn)實世界中的事物，要存儲信息的對象或概念。比如老年人生理信息就是要描述的一個實體。在E-R圖中用矩形表示2）屬性：實體的特征或?qū)傩?。比如生理信息中的心率、血氧飽和度等都屬于此實體的屬性。在E-R圖中用橢圓表示。3）關(guān)系：兩個實體之間的依賴關(guān)系或關(guān)聯(lián)關(guān)系，分為一對一聯(lián)系、多對多或一對多聯(lián)系。例如老年人的身高與體重。每一位老年人的身高與體重相對應(yīng)。在E-R圖中用菱形表示。根據(jù)上一節(jié)老年人異常行為數(shù)據(jù)庫的需求分析，設(shè)計E-R圖來表達各實體之間的聯(lián)系。異常行為數(shù)據(jù)庫中的實體模型主要有老人、系統(tǒng)管理員、子女用戶等。老人包括的屬性有用戶名、年齡、性別等。圖3-2老年人日常行為E-R圖1.4.2邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計把E-R圖生成與確定選擇的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)相符合的邏輯結(jié)構(gòu)[35]。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計一般分為四個步驟;轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模型、關(guān)系規(guī)范化、模式優(yōu)化、設(shè)計用戶子模式。將E-R圖中的每個實體轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的關(guān)系模式，實體屬性對應(yīng)關(guān)系模式屬性。將聯(lián)系轉(zhuǎn)換為獨立的關(guān)系模式或?qū)⒙?lián)系歸并到關(guān)聯(lián)的兩個實體中的多方，向多方實體轉(zhuǎn)換的關(guān)系模式中增加一方實體的鍵和聯(lián)系的屬性。圖3-3E-R圖轉(zhuǎn)換1.4.3物理結(jié)構(gòu)設(shè)計物理結(jié)構(gòu)設(shè)計說明了在具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型。它以表、索引、分區(qū)等形式簡化了實現(xiàn)方法。物理結(jié)構(gòu)有助于可視化數(shù)據(jù)庫的整個結(jié)構(gòu)。在居家環(huán)境下老年人異常行為數(shù)據(jù)庫中,根據(jù)需要入庫的數(shù)據(jù)源,共設(shè)有個5實體,分別是環(huán)境基本信息、老年人基本信息、IMU傳感器信息、RGB-D攝像頭信息、環(huán)境傳感器信息。每個實體包含多個屬性，如下表3-1所示。表3-1實體屬性表數(shù)據(jù)源分類采集信息及指標環(huán)境基本信息日期、天氣、溫度用戶基本信息姓名、性別、年齡、身高、體重IMU傳感器信息加速度、角速度、磁場強度及方向RGB-D攝像頭信息RGB圖像、Depth信息環(huán)境傳感器信息壓力位置、壓力大小將數(shù)據(jù)劃分為表格后，需要以有意義的方式將信息整合在一起。因此，瀏覽每個表并確定一個表中的數(shù)據(jù)如何與另一表中的數(shù)據(jù)鏈接。如果需要可以添加字段或形成新表以根據(jù)信息類型簡化關(guān)系。老年人動作數(shù)據(jù)庫中包含大量的老年人個人信息，海量的動作數(shù)據(jù)信息以及動作曲線圖，隨著研究的深入，定期的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)庫儲存的數(shù)據(jù)量會越發(fā)龐大，數(shù)據(jù)管理的復雜性也會隨之增加。因此在創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫表的時候就必須對表結(jié)構(gòu)進行規(guī)范化處理。圖3-4數(shù)據(jù)庫表模型根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的5個數(shù)據(jù)源實體，共建立5個表。如下圖所示。表3-2環(huán)境基本信息表環(huán)境基本信息Environment_Inf名稱字段名主鍵允許空數(shù)據(jù)類型標識IDIDYesNotnullInt日期DateNoNullDatetime天氣類型WeatherNoNullvarchar(4)溫度TemperatureNoNullNumeric(2)表3-3用戶基本信息表用戶基本信息elderly_Inf名稱字段名主鍵允許空數(shù)據(jù)類型用戶名IDYesNotnullvarchar(20)性別GenderNoNotnullvarchar(2)年齡AgeNoNullTinyint(4)身高HeightNoNullFloat體重WeightNoNullFloat表3-4IMU傳感器信息表IMU傳感器信息IMU_Inf名稱字段名主鍵允許空數(shù)據(jù)類型標識IDIDYesNotnullInt型號TapeNoNullvarchar(20)加速度AccNoNullFloat角速度AngelNoNullFloat磁感