Wi-Fi CSI 用于非接触心跳检测

Wi-Fi 技术早已渗透到日常生活，但其信道状态信息（CSI）作为一种细粒度无线感知手段，正悄然开启非接触式生命体征监测的新时代。传统心跳监测依赖可穿戴设备或接触式传感器，不仅不便于长期使用，还可能引发皮肤不适或隐私泄露问题。相比之下，基于 Wi-Fi CSI 的方法利用日常环境中已有的无线信号，通过捕捉人体胸腔微小运动引起的信号扰动，实现被动、实时的心跳检测。这种技术无需额外硬件改动现有 Wi-Fi 路由器，只需软件层面的信号处理，即可达到临床级别的准确性，为智能家居和远程医疗提供革命性解决方案。

CSI 是 Wi-Fi 信号在多径传播过程中的物理层信息，主要包括幅度和相位两个维度。当人体心跳时，胸腔的周期性扩张与收缩会改变信号的传播路径，导致 CSI 值发生微弱波动。这些波动频率通常在 0.8–2.0 Hz 范围内，对应正常成人静息心率 48–120 bpm。研究表明，通过分析这些变异，可以精确提取心跳信号，而无需直接接触人体。例如，加州大学圣克鲁兹分校的 Pulse-Fi 项目利用 Wi-Fi 信号的幅度变化，结合背景噪音过滤算法，实现了心率估算误差低于 1.5 bpm 的性能。该项目在 1–3 米距离内测试，志愿者数据与脉搏血氧仪对比显示高度一致性，即使在坐姿或行走状态下也能维持稳定性。

另一个关键证据来自上海科技大学的研究，他们提出了一种整合幅度和相位信息的非接触心率监测方法。通过旋转投影技术，将 CSI 的幅度和相位融合成单一信号，提高了对微动扰动的敏感度。随后，采用基于心跳子成分比（HSR）的频率域子载波选择算法，从多个子载波中挑选最优的 5–10 个，用于后续处理。实验结果显示，该方法平均准确率达 96.8%，中位误差仅 0.8 bpm，较传统单一幅度分析提升约 20%。这些证据证明，CSI 不仅能捕捉心跳引起的相位偏移（通常 ±5° 左右），还能通过幅度衰减（0.1–0.5 dB）反映生理动态，远优于粗粒度的 RSSI（接收信号强度指示）方法，后者误差往往超过 5 bpm。

要落地实施这一技术，需要一套系统化的信号处理管道。首先是数据采集：使用支持 CSI 提取的网卡，如 Intel 5300 或 Atheros AR9280，在 802.11n/ac 模式下配置 20–40 MHz 带宽。采集频率建议 1000 Hz，确保捕捉心跳的 Nyquist 采样。原始 CSI 数据包含 30 个子载波（典型 2x3 MIMO 配置），每个包记录幅度和相位值。

其次，进行预处理以消除干扰。静态环境下的多径效应会导致低频漂移，可用高通滤波器（截止频率 0.5 Hz）去除。动态噪音如人体晃动或外部干扰，则通过 Hampel 滤波器或小波去噪（db4 小波，5 层分解）处理。子载波选择是核心步骤：计算每个子载波的方差或 HSR 值（心跳频段功率与总功率比），阈值设为 0.1 以上，选择前 20% 子载波。融合后信号可进一步用 PCA（主成分分析）降维，保留 95% 方差。

心率估计采用频域分析：对处理后信号进行 FFT（快速傅里叶变换），窗长 10–30 秒（重叠 50%），在 0.8–2.0 Hz 带内找峰值。峰值位置 f（Hz）转换为 bpm 为 60*f。为提升鲁棒性，结合多子载波峰值平均，或用自相关函数验证周期性。AI 增强可选：训练轻量 CNN 或 SVM 模型，在 Raspberry Pi 上推理，输入为 CSI 时序特征，输出心率。模型训练数据集可从公开 MIT-BIH 数据库扩展，模拟 CSI 扰动。

部署参数需考虑实际场景。硬件：ESP32（5–10 美元）或 Raspberry Pi 4（30 美元），天线间距 λ/2（2.4 GHz 时约 6 cm）。距离阈值 1–5 米，环境要求室内无强金属反射。监控要点包括：实时误差阈值设 5 bpm，若超标触发警报；多用户场景下，用方向性天线或时分复用隔离信号；功耗优化，每 5 秒采样一次，闲置模式下休眠。

潜在风险包括隐私泄露——CSI 可能无意捕获位置信息，故需本地处理数据，不上传云端。另一个限制是环境敏感性：在多人或高动态场景下，准确率降至 85% 以下，可通过 Kalman 滤波融合 IMU 辅助。回滚策略：若 CSI 失效，fallback 到蓝牙穿戴设备。

总体而言，Wi-Fi CSI 非接触心跳检测不仅是技术创新，更是健康管理的范式转变。通过上述参数和清单，开发者可在现有基础设施上快速原型化，推动从被动感知到主动干预的智能系统演进。（字数：1028）