基于環(huán)境智能的老人健康照護系統(tǒng)設計*

喬子木， 邵 堃， 劉 超

(合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009)

基于環(huán)境智能的老人健康照護系統(tǒng)設計*

喬子木， 邵 堃， 劉 超

(合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009)

為了幫助緩解空巢老人的照護問題，結合傳感器技術為空巢老人設計并實現(xiàn)了一種基于環(huán)境智能的老人健康照護系統(tǒng)。系統(tǒng)由多種類非侵入式傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊和老人健康照護的萬維網(wǎng)(WEB)模塊兩部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊使用MODBUS協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集，由GSM網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)發(fā)送，通過服務器進行數(shù)據(jù)存儲和解析。WEB模塊對老人的親屬、醫(yī)護人員和系統(tǒng)管理員提供了不同的系統(tǒng)功能，以便于為老人提供更好的照護服務。測試結果表明：利用傳感器數(shù)據(jù)能夠有效進行老人的行為狀態(tài)映射，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

環(huán)境智能； 健康照護系統(tǒng)； 非侵入； 老人行為

0 引 言

隨著老齡化問題的加劇，老年人口的數(shù)量不斷增多[1]。由于子女工作和上學等原因，老人在家中得不到陪伴，使得許多老人成為了空巢老人[2]。兒女們在關心老人的身體狀況時希望通過直觀的方式了解老人的生活狀態(tài)，而醫(yī)護人員結合老人的日常生活信息能夠更好地對老人進行健康診斷和制定康復計劃。因此，構建一個能夠對老人生活環(huán)境信息進行收集和照護反饋的系統(tǒng)是很有必要的。

環(huán)境智能(ambient intelligence，AMI)旨在通過環(huán)境設備幫助居住者提供更加安全和舒適的生活環(huán)境[3]。AMI的出現(xiàn)為健康照護提供了更加統(tǒng)一的范式[4]，并結合物聯(lián)網(wǎng)技術取得了巨大的發(fā)展[5]。

盡管目前有許多智能系統(tǒng)可以進行老人健康檢測，包括視頻圖像類監(jiān)測系統(tǒng)[6]和穿戴式設備類的檢測系統(tǒng)[7]，但是使用視頻很容易產(chǎn)生隱私泄露的問題，而穿戴式設備容易對老人的日常生活帶來影響。為了解決以上問題，本文結合AMI的設計理念為獨居老人構建了非侵入式的健康照護系統(tǒng)，結合老人的行為信息進行老人的健康照護。

1 系統(tǒng)總體設計

如圖1所示，系統(tǒng)總體可以劃分為數(shù)據(jù)采集層、服務解析層和用戶交互層。數(shù)據(jù)采集層使用多種類環(huán)境傳感器進行老人室內(nèi)環(huán)境的檢測，包括溫度數(shù)據(jù)、紅外信號、門禁開關和水浸狀態(tài)等。傳感器獲取相應的數(shù)據(jù)后使用MODBUS協(xié)議進行發(fā)送，通過房間內(nèi)的主站進行接收，主站連接DTU(data transfer unit)模塊并使用GSM網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器。服務解析層的作用是將底層的傳感器數(shù)據(jù)信息進行解析，并采用一定的策略進行儲存，例如二進制類的數(shù)據(jù)無需全部保存，只需要結合時間信息保存變化的數(shù)據(jù)。

用戶交互層使用Django框架構建了一個多用戶的照護管理模塊，為老人的親屬和醫(yī)護人員提供了聯(lián)合照護老人的渠道。通過該模塊老人的親屬可以了解老人生活狀態(tài)，醫(yī)護人員可以對老人的健康信息進行評分，老人的親屬和醫(yī)護人員也可以互相進行交流。

圖1 系統(tǒng)架構

2 硬件設計

2.1 傳感器選取

目前使用的傳感器設備如表1所示。傳感器均采用非侵入的方式進行數(shù)據(jù)采集。溫度傳感器使用鉑熱電阻進行溫度測量，溫度的測量范圍為100～350 ℃。紅外傳感器可以通過火焰的紅外光判斷是否有火點燃。壓力傳感器測試受壓強度，通過橋式壓力電阻放大進行壓力感應。超聲波傳感器采用40 kHz超聲波反射計算人或物體的距離。微波傳感器采用多普勒效應，通過物體遠近移動感應電磁波的波長變化，用以判斷周圍環(huán)境的變化。聲音傳感器使用駐極電容式咪頭進行聲音判斷。多功能傳感器包括接收節(jié)點和發(fā)射節(jié)點兩部分。發(fā)射節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包括二進制量和信號強度值。使用二進制量數(shù)據(jù)可以檢測門禁狀態(tài)和水浸狀態(tài)，使用信號強度值可以結合支持向量機(SVM)或K最近鄰(KNN)等分類方法進行姿態(tài)識別[8]和室內(nèi)定位。

表1 傳感器配置

2.1.1 多功能傳感器

多功能傳感器由美國Rutgers大學WINLAB實驗室研發(fā)。發(fā)射結點包含Chipcon CC1100射頻芯片和16位Silicone Laboratories C8051—F32微處理器，采用直徑20 mm的CR2032紐扣電池供電。接收節(jié)點與發(fā)射節(jié)點的基本配置相同，接收節(jié)點增加了USB 接口用于供電和數(shù)據(jù)傳輸。在進行數(shù)據(jù)采集時使用樹莓派連接接收節(jié)點，解析后的數(shù)據(jù)由樹莓派進行轉發(fā)。本系統(tǒng)中使用的樹莓派采用1代B型，包含ARM1176JZF-S處理器和Broadcom BCM2835主控芯片，采用Micro-USB接口進行供電。由于多功能傳感器的射頻芯片與其他傳感器的不兼容，因此，在數(shù)據(jù)采集時需要進行傳感器數(shù)據(jù)采集的融合。

2.1.2 主站接收器

主站接收器用于匯集各傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)。主站接收器對各個傳感器進行數(shù)據(jù)請求，各傳感器接收到請求幀后，使用標準的MODBUS協(xié)議進行數(shù)據(jù)包的返回。主站接收到數(shù)據(jù)后通過DTU設備進行網(wǎng)絡轉發(fā)。

主站接收器如圖2所示，主站接收器包含MSP430F149微處理器和 SI4432無線射頻芯片，顯示屏采用LCD1406用于數(shù)據(jù)發(fā)送顯示，DTU的型號為DF—1005 DTU。數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡傳輸至服務端，以解決老人家中的網(wǎng)絡依賴問題。

圖2 主站接收器和DTU

2.2 傳感器融合

為了能夠統(tǒng)一使用主站接收器進行數(shù)據(jù)采集，傳感器數(shù)據(jù)傳輸時需要進行融合處理。融合后的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與融合

樹莓派連接多功能傳感器的接收節(jié)點進行原始數(shù)據(jù)的解析，將解析后的數(shù)據(jù)通過SI4432擴展模塊進行傳輸，保證了主站能夠接收到所有傳感器的數(shù)據(jù)。傳感器的融合主要解決了傳感器射頻芯片的不統(tǒng)一問題，能夠讓主站接收器獲得所有的傳感器數(shù)據(jù)，在進行服務層傳輸時保證了數(shù)據(jù)發(fā)送方式的統(tǒng)一性。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集設計

底層環(huán)境數(shù)據(jù)采集時使用MODBUS—RTU模式，按字節(jié)進行數(shù)據(jù)發(fā)送，采用主從應答的方式進行數(shù)據(jù)通信。主站接收器作為Master端進行數(shù)據(jù)請求，各傳感器作為Slave端等待請求并進行應答。各傳感器在進行數(shù)據(jù)發(fā)送時需要設置Slave地址，保證發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠正確地被Master端進行解析。

3.1.1 數(shù)據(jù)包格式

Slave端的數(shù)據(jù)應答幀需要符合標準的MODBUS應答格式，包括:1)Slave地址：標識傳感器的類型和Master的請求對象；2)功能碼：表明Master端的操作方式，出錯時會攜帶相應的錯誤碼；3)數(shù)據(jù)量：應答幀的數(shù)據(jù)數(shù)量大??；4)數(shù)據(jù)值：實際攜帶的返回數(shù)據(jù)；5)CRC：用于校驗數(shù)據(jù)包的完整性，進行數(shù)據(jù)差錯檢測。普通傳感器如溫度、紅外和超聲波等,均采用標準應答幀格式進行數(shù)據(jù)返回，而多功能傳感器的數(shù)據(jù)格式,則需要進行應答幀封裝，以保證數(shù)據(jù)能夠正確的進行傳輸。

3.1.2 多功能傳感器數(shù)據(jù)采集

多功能傳感器的數(shù)據(jù)格式如表2所示，其中ex_length域表示extra域的具體長度，用以在進行數(shù)據(jù)傳輸時進行額外數(shù)據(jù)發(fā)送；rxid域表示數(shù)據(jù)接收結點的編號；time域表示數(shù)據(jù)時間戳；txid域表示數(shù)據(jù)發(fā)射結點的編號；parity域用于數(shù)據(jù)包的奇偶校驗；rssi域表示射頻發(fā)射信號強度大小。多功能傳感器傳輸數(shù)據(jù)前需要先進行數(shù)據(jù)封裝，保證數(shù)據(jù)能夠通過MODBUS協(xié)議進行統(tǒng)一處理。多功能傳感器的數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

表2 多功能傳感器數(shù)據(jù)格式

圖4 多功能傳感器數(shù)據(jù)采集流程

在進行多功能傳感器數(shù)據(jù)采集時，首先通過USB接口進行數(shù)據(jù)讀取，因此,在進行多功能傳感器程序初始化時，需要對USB傳輸流程進行配置，包括初始化USB設備讀取環(huán)境和對USB總線設備進行枚舉，隨后采用VENDORID和PRODUCTID進行設備匹配，獲取接收結點的設備描述符，保存設備句柄信息。配置完接收結點設備的讀取環(huán)境后需要對MODBUS傳輸環(huán)境進行初始化，對遠程終端單元(remote terminal unit,RTU)傳輸模式進行串口參數(shù)設定，并對Master請求進行監(jiān)聽。數(shù)據(jù)傳輸時Slave首先對Master的請求進行解析，隨后使用塊傳輸模式對接收節(jié)點設備進行數(shù)據(jù)請求，在進行設備數(shù)據(jù)解析時采用表2的數(shù)據(jù)格式，在進行數(shù)據(jù)返回時按標準應答幀的格式對解析到的多功能傳感器數(shù)據(jù)進行封裝并返回。

3.2 服務解析層設計

傳感器所收集的數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡上傳至服務端進行數(shù)據(jù)解析，原始數(shù)據(jù)采用字節(jié)的方式進行儲存和發(fā)送，這樣可以減輕Master端的計算負載和減少數(shù)據(jù)傳輸時的流量大小。服務端的數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 服務解析處理流程

服務解析層采用可擴展性網(wǎng)絡應用框架(multipurpose infrastructure for network applications,MINA)框架進行編寫，服務解析啟動時首先進行網(wǎng)絡連接參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)的配置，對DTU進行監(jiān)聽。當服務器收到DTU的連接請求后進行DTU注冊并開啟日志記錄進行數(shù)據(jù)傳輸。傳感器的數(shù)據(jù)類型包括融合后的多功能傳感器和普通的環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器，服務端在進行數(shù)據(jù)解析時會通過MsgAddr字段進行數(shù)據(jù)解析判定，普通傳感器的數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)，多功能傳感器的數(shù)據(jù)長度為15字節(jié)，服務端進行完有效性判定和CRC檢驗成功后，對環(huán)境傳感數(shù)據(jù)進行解析，解析成功的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫中進行保存。

3.3 用戶交互層設計

系統(tǒng)采用B/S的方式進行交互，采用多用戶模塊的設計方法。登錄系統(tǒng)后，通過賬戶自動完成角色的判定，給予相應的系統(tǒng)權限。面向的用戶主要有三類：

1)老人及其親屬:此類用戶不需要對采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行操作，只需要為其提供老人的生活環(huán)境信息。具體的功能包括：實時數(shù)據(jù)顯示：用于對室內(nèi)環(huán)境進行檢測；歷史數(shù)據(jù)記錄：用于查看老人近期的活動情況；個人信息管理：用于幫助更新老人的個人信息，包括住址，生病情況和聯(lián)系方式等；醫(yī)療囑咐：了解醫(yī)護人員的醫(yī)療建議，與醫(yī)護人員進行交流；設備查詢：了解室內(nèi)傳感器設備的部署情況和工作情況。

2)醫(yī)護人員:此類用戶將通過健康照護系統(tǒng)對老人進行健康照護，需要結合老人的生活狀態(tài)信息對老人進行健康評價。具體的功能包括：老人信息管理：用于幫助醫(yī)護人員記錄老人的個人信息；狀態(tài)照護：幫助老人親屬了解老人的目前生活狀態(tài)；健康評價：對老人的健康狀態(tài)進行反饋，幫助親屬及時得知老人的健康問題。

3)平臺管理人員:此類用戶要對平臺的數(shù)據(jù)進行大量的操作，需要賦予較高的權限。具體的功能包括：醫(yī)護信息管理：幫助管理醫(yī)護人員的個人信息；老人信息管理：幫助管理老人的個人信息；硬件設備管理：幫助管理老人家中的硬件設備信息。

4 系統(tǒng)測試

如圖6所示，在進行環(huán)境數(shù)據(jù)采集測試時進行了實地的硬件部署。包括廚房、臥室和衛(wèi)生間三個場景，對超聲波距離、溫度、壓力和門禁等數(shù)據(jù)采集進行了數(shù)據(jù)采集測試，其中超聲波傳感器的反應靈敏，可以進行小范圍內(nèi)的距離判定，通過放置在廚房過道中可以感知到人員進出移動。壓力傳感器主要放置在床榻、椅子和沙發(fā)底下用于感知所受壓力的大小，在測試過程中將壓力傳感器放在床下能夠得到睡覺時壓力數(shù)據(jù)的變化。溫度傳感器能夠標識屋內(nèi)的溫度變化。水浸和門禁的數(shù)據(jù)均采用二進制量進行表示，在開關門和用水時都可以正常發(fā)送開關狀態(tài)。紅外傳感器放置在廚房，能夠正確感應到用火狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)部署

如表3所示，為了能夠通過環(huán)境數(shù)據(jù)進行老人日常生活的分析，在進行數(shù)據(jù)采集時結合傳感器的部署場景對老人動作行為進行了映射。

5 結 論

通過實際住所的部署與測試結果可以得出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

采集功能穩(wěn)定，能夠有效地標識出老人室內(nèi)活動的原子行為，測試結果表明：本系統(tǒng)在進行老人行為動作的判定時能夠發(fā)揮很好的作用，保證了通過環(huán)境傳感數(shù)據(jù)進行老人行為檢測的效果。

表3 傳感器—行為映射

[1] 黃 毅,佟曉光.中國人口老齡化現(xiàn)狀分析[J].中國老年學雜志,2012,32(21):4853-4855.

[2] 趙 芳,許 蕓.城市空巢老人生活狀況和社會支持體系分析[J].南京師大學報:社會科學版,2003(3):61-67.

[3] Aarts E,Wichert R.Ambient intelligence[M].Berlin Heidelberg:Springer,2009.

[4] Acampora G,Cook D J,Rashidi P,et al.A survey on ambient intelligence in healthcare [C]∥Proceedings of the IEEE,2013:2470-2494.

[5] Rashidi P,Mihailidis A.A survey on ambient-assisted living tools for older adults[J].IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics,2013,17(3):579-590.

[6] Jalal A,Kamal S,Kim D.A depth video sensor-based life-logging human activity recognition system for elderly care in smart indoor environments[J].Sensors,2014,14(7):11735-11759.

[7] López G,Custodio V,Moreno J I.LOBIN:E-textile and wireless-sensor-network-based platform for healthcare monitoring in future hospital environments[J].IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine,2010,14(6):1446-1458.

[8] 谷敏敏,劉進軍,安 寧.基于人體多姿態(tài)識別的被動入侵檢測模型研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(6):17-20.

Design of elderly health care system based on ambient intelligence*

QIAO Zi-mu, SHAO Kun, LIU Chao

(School of Computer and Information,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

In order to alleviate the problem of empty-nester home care, combined with sensor technology,design and implement an elderly healthcare system based on ambient intelligence.The system is composed of two parts,which are data acquisition module with many types of non-invasive sensor and WEB module of healthcare for the elderly.Data acquisition module uses MODBUS protocol for data collection and data transmission by GSM network,and data storage and analysis are carried out through server.WEB module offer different system function modules to relatives,medical personnel and system administrators to help them provide better care services for the elderly.The test results show that the sensor data can be used to map the behavior of elderly and operation of system is stable.

ambient intelligence; healthcare system; non-invasive; behavior of elderly

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0097—04

2016—06—21

國家國際科技合作專項(2015DFA11450);國家高等學校學科創(chuàng)新引智計劃(“111”計劃)項目(B14025)

TP 212.9

A

1000—9787(2017)03—0097—04

喬子木(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)和移動健康技術。