面向老年公寓的智能安防及看護(hù)系統(tǒng)設(shè)計研究

柳 晶，劉 青

(鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)與信息化學(xué)院，江蘇 南京 210049)

中國社會經(jīng)濟(jì)在快速增長的同時，人口結(jié)構(gòu)也在悄然老化，且人口老齡化和高齡化現(xiàn)象越來越明顯。據(jù)最新人口普查數(shù)據(jù)顯示，全國60周歲及以上人口為21 242萬人，占總?cè)丝诘?5.5%，65周歲及以上人口為13 755萬人，占總?cè)丝诘?0.1%。同時，由于人口流動性加劇以及社會轉(zhuǎn)型期間生活方式的改變，傳統(tǒng)的大型化家庭逐步向小型化轉(zhuǎn)型，子女外出工作、求學(xué)的增多導(dǎo)致身邊無子女的純老年人家庭戶日益增多[1]。因此，為了滿足新形勢下老年人的養(yǎng)老需求，新型老年公寓應(yīng)運而生。

新型老年公寓[2]是指既能實現(xiàn)老年人居家養(yǎng)老，又能使其受到社會化服務(wù)的新型的、適合老年人居住的住宅，是由社會力量按照市場原則建造和管理，為有一定經(jīng)濟(jì)能力的老年人提供住宅服務(wù)的社會養(yǎng)老機構(gòu)。相較于福利院、敬老院等公益機構(gòu)，在設(shè)施、管理和環(huán)境上都有了更高的標(biāo)準(zhǔn)，護(hù)理人員的素質(zhì)以及針對老年人的服務(wù)也都更全面、具體。比如，環(huán)境方面，會引入生態(tài)園林、人文景觀等主題，綠化面積要求達(dá)到75%以上；健康設(shè)施方面，會根據(jù)老年人活動和愛好，構(gòu)建垂釣湖、門球場、飼養(yǎng)場、種植園及戶外健身設(shè)施等；安全方面，所有涉及老年人日常生活、健身活動的地方都設(shè)置無障礙設(shè)施和人性化提示等。這些都有助于提高老年人居住及生活的幸福感[3]。

新型老年公寓較高的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可以較好地滿足越來越龐大的相對年輕的老年群體的需求。隨著科技的發(fā)展，智能化也越來越融入到人們的生活，無線網(wǎng)絡(luò)、實時通訊等技術(shù)越來越被老年人所接受，并實實在在為老年人的生活提供了舒適和便捷的服務(wù)。將智能化[4]應(yīng)用引入老年公寓勢在必行。

本文通過對老年公寓中老年人的安防和看護(hù)需求進(jìn)行更進(jìn)一步的細(xì)致研究，將智能化概念引入現(xiàn)有老年公寓的設(shè)計中，在不改變現(xiàn)有老年公寓原有硬件設(shè)施和結(jié)構(gòu)的情況下，通過在房間、過道等處增設(shè)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及各類傳感設(shè)施，完善老年公寓的老人看護(hù)、緊急情況報警等功能，使老人在“易于適用”[5]且更安全的環(huán)境中愉快度過老年階段的生活。

1 老年公寓安防與看護(hù)的需求和特點

我國現(xiàn)有的老年公寓有的是在養(yǎng)老院或敬老院基礎(chǔ)上改造而來，功能相對單一，主要以提供一般生活服務(wù)為目標(biāo)，安防及保障設(shè)施比較簡單。隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，原來不能解決的一些問題，比如說及時看護(hù)的問題，現(xiàn)在通過先進(jìn)的科技設(shè)備、便利的通信網(wǎng)絡(luò)可以逐步被解決；此外，現(xiàn)代的老年人自身素質(zhì)和需求的提高，也希望有更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)來滿足他們的老年生活。

綜上所述，現(xiàn)代老年公寓的需求主要表現(xiàn)在兩個方面：一個是智能安防，能夠?qū)ι畹母鱾€方面進(jìn)行安全防護(hù)，避免老年人由于體弱力衰不能及時處理一些緊急情況而造成極大的安全事故；另一個是要對老年人的身體狀況進(jìn)行隨時的監(jiān)測，包括對日常身體情況的監(jiān)測、突發(fā)疾病的報警、突發(fā)事件的實時監(jiān)控等，對老年人實行隨時的看護(hù)，避免緊急情況下無法聯(lián)系到醫(yī)護(hù)人員而發(fā)生意外。

因此，本文提出的是一種基于現(xiàn)有老年公寓改造使用的嵌入式無線智能安防與看護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將融入家電智能控制、4G通信、視頻監(jiān)控、傳感器監(jiān)測、無線網(wǎng)絡(luò)通訊等,是一個適用于復(fù)雜環(huán)境的集成系統(tǒng)。本系統(tǒng)還充分兼容了現(xiàn)有的用戶終端，無論是PDA或手機都能實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)采用了多種不同類型的傳感器，監(jiān)視信息具有實時性，可在容許的準(zhǔn)實時條件下作出反應(yīng)，及時通知用戶和相關(guān)機構(gòu)，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)永久保存。

2 系統(tǒng)總體功能及架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)功能構(gòu)成

針對老年公寓的特點，其智能安防及看護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能主要包括：

1)智能安防。為確保老年公寓的日常安全，首先需要具備的就是智能安防功能，如視頻監(jiān)控、煙霧報警等，盡可能地避免安全事故的發(fā)生。

2)智能看護(hù)。老年人的身體較弱，極有可能突發(fā)疾病或發(fā)生緊急事件，需要對其進(jìn)行智能看護(hù)，因此系統(tǒng)應(yīng)具有緊急報警、跌倒報警等功能。

3)遠(yuǎn)程健康管理。為了更好地實現(xiàn)對老年人的看護(hù)，需要遠(yuǎn)程對老年人的身體狀況進(jìn)行實時跟蹤，確保老年人的身體狀況處于良好的看護(hù)中。

4)系統(tǒng)權(quán)限管理。是保證系統(tǒng)正常運行的基本功能，如人員信息管理、看護(hù)項選擇及權(quán)限管理等。

2.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。硬件設(shè)施主要包括兩部分，一部分是用于安防的相關(guān)硬件，包括攝像頭、煙霧傳感器、紅外傳感器等；另一部分則是用于健康管理的硬件設(shè)施，包括健康手環(huán)、應(yīng)急報警、定位標(biāo)簽、智能手機等。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

所有獲取的數(shù)據(jù)，根據(jù)其相應(yīng)的需求，分別通過局域網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通訊。其中所有安防設(shè)施獲取的數(shù)據(jù)均通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，發(fā)布到視頻監(jiān)控中心。

健康管理硬件設(shè)施所采集的數(shù)據(jù)則根據(jù)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中在小區(qū)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，如室內(nèi)定位、應(yīng)急報警等，采用無線或有線的方式將數(shù)據(jù)傳輸至局域網(wǎng)；而健康監(jiān)測數(shù)據(jù)及移動報警數(shù)據(jù)則可通過無線網(wǎng)/4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到智能安防及看護(hù)系統(tǒng)中。

為應(yīng)對不同的計算及存儲資源的需求，系統(tǒng)分別設(shè)置了應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器及視頻服務(wù)器。

3 系統(tǒng)詳細(xì)功能設(shè)計

基于系統(tǒng)的硬件架構(gòu)對系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)功能設(shè)計，其相關(guān)功能模塊如圖2所示。

3.1 智能安防

智能安防功能是從小區(qū)及室內(nèi)環(huán)境入手，對相應(yīng)的安全問題進(jìn)行監(jiān)控，避免災(zāi)害或非法入侵等安全問題的發(fā)生。

1)視頻監(jiān)控。實時獲取視頻[4]設(shè)備采集的視頻信息，保存指定時間段的視頻信息，便于安全問題發(fā)生后的追查。監(jiān)控攝像頭能夠和紅外、煙霧等傳感設(shè)備連接起來，主動調(diào)整方位，針對所發(fā)生的狀況實現(xiàn)精準(zhǔn)攝像。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

2)紅外線監(jiān)控。實時收集紅外線傳感器的傳感信號，根據(jù)傳感信號判斷是否發(fā)生外來入侵。

3)煙霧監(jiān)控。實時收集煙霧傳感器的傳感信號，判斷是否發(fā)生火情。一旦發(fā)生火情，同時在室內(nèi)及監(jiān)控室發(fā)出警報，便于及時作出相應(yīng)的處理。

4)天然氣泄漏監(jiān)控。對易燃?xì)怏w的濃度進(jìn)行檢測，根據(jù)各區(qū)域的濃度來判斷是否發(fā)生天然氣泄漏。若發(fā)現(xiàn)問題，及時警報。

3.2 智能看護(hù)

智能看護(hù)通過老年人自主報警及被動的監(jiān)控，實現(xiàn)全方位的看護(hù)，更好地保障老年人的身體健康。

1)緊急狀況報警。

①在公寓內(nèi)部設(shè)置多個緊急狀況報警裝置[6]，當(dāng)老人突發(fā)疾病或發(fā)生其他緊急狀況時，能夠在第一時間找到最近的報警裝置，向醫(yī)護(hù)人員報警，以盡快地獲得救援。

②當(dāng)在戶外或遠(yuǎn)離報警裝置時，利用隨身攜帶的手機中的報警功能，向醫(yī)護(hù)人員報警。

2)在線健康監(jiān)測。

①老年人隨身佩戴智能手環(huán)，能夠記錄每天的運動情況、心跳數(shù)據(jù)等，直接上傳至服務(wù)器進(jìn)行保存。

②通過加裝無線通訊裝置，實現(xiàn)家庭內(nèi)的一些常規(guī)身體檢測儀器的數(shù)據(jù)傳輸，如血壓計、血糖儀測量的數(shù)據(jù)等。將這些檢測數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，對老年人的身體狀況有個完整的記錄，同時可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，有助于醫(yī)生的診斷。

3)跌倒報警。

老年人隨身攜帶的智能手機或者跌倒傳感器具備智能跌倒分析功能，當(dāng)判斷老人可能是跌倒時，能夠主動將跌倒信息通過手機4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心，提醒醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行救治。

4)室內(nèi)室外定位跟蹤。

①老年人所攜帶的定位標(biāo)簽[4]具有室內(nèi)定位功能，當(dāng)其在老年公寓的公共活動場所內(nèi)活動時，可實現(xiàn)室內(nèi)精確定位，方便醫(yī)護(hù)人員快速聯(lián)系到老人。

②當(dāng)老年人到室外后，能夠利用其所攜帶手機的GPS功能，切換到室外定位，方便對其跟蹤。

5)環(huán)境報警。

對當(dāng)前的天氣情況進(jìn)行實時報告，同時針對不同老人的身體狀況發(fā)布相應(yīng)的提醒，避免因天氣劇烈變化使老人的疾病發(fā)作，從而更好地起到預(yù)防作用。

3.3 遠(yuǎn)程健康管理

這一功能主要是方便醫(yī)務(wù)人員對老人的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測并在第一時間作出反應(yīng)。

1)健康監(jiān)測。

對老年人的身體狀況進(jìn)行及時的監(jiān)測，一旦發(fā)生緊急情況或跌倒等能夠?qū)崟r報警，方便醫(yī)護(hù)人員在第一時間得到相關(guān)信息，特別是定位信息，從而方便進(jìn)行救助。

2)監(jiān)控報警。

對老年人的健康數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺實時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，則能夠向醫(yī)護(hù)人員報警，醫(yī)護(hù)人員通過對健康數(shù)據(jù)的分析，判斷老人是否需要醫(yī)治，變被動就醫(yī)為主動問診。

3)健康分析及預(yù)警。

對老年人的歷史健康數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析，一旦發(fā)現(xiàn)健康趨勢不佳，則向老人或醫(yī)護(hù)人員發(fā)出預(yù)警，從而及早發(fā)現(xiàn)潛在的疾病。

4)醫(yī)療管理。

對老年人的歷史醫(yī)療記錄進(jìn)行管理，進(jìn)一步方便對老人的健康狀況進(jìn)行跟蹤，提升服務(wù)品質(zhì)。

3.4 系統(tǒng)管理功能

1)看護(hù)權(quán)限控制。

對各類人員的看護(hù)權(quán)限進(jìn)行認(rèn)定，使得本系統(tǒng)的應(yīng)用更加具有人性化，同時也適當(dāng)保護(hù)老人的隱私。

2)人員信息管理。

對各類人員如老年用戶、醫(yī)護(hù)人員、安保人員等基本信息進(jìn)行管理。

3)健康參數(shù)配置。

基于各類疾病在不同人群中發(fā)生的概率不同，據(jù)此對不同年齡段、性別的老人在軟件系統(tǒng)中實行具有針對性的健康參數(shù)的配置，使得在對老人進(jìn)行看護(hù)時能夠更有針對性，提供更為貼切的功能及服務(wù)。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計

4.1 室內(nèi)視頻安防監(jiān)控硬件設(shè)計

該模塊主要由USB攝像頭、傳感器模塊、系統(tǒng)擴(kuò)展板、服務(wù)器、PC機等組成[7-8]，其工作原理如圖3所示。當(dāng)煙霧傳感器、天然氣傳感器等檢測到相關(guān)情況時，或者紅外傳感器檢測到有非法人員闖入時，將信號發(fā)送給ARM擴(kuò)展板，并啟動攝像頭旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置捕獲視頻圖像[9-10]，然后將收集到的視頻圖像數(shù)據(jù)送入ARM擴(kuò)展板進(jìn)行處理，處理之后的視頻圖像保存到服務(wù)器上，工作人員通過局域網(wǎng)監(jiān)控中心能夠?qū)σ曨l數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

圖3 系統(tǒng)工作原理圖

此外，遠(yuǎn)程用戶可以通過以太網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器獲取實時視頻進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)沒有報警信號時，用戶也可以手動通過短信來控制USB攝像頭的開啟，以觀察公寓內(nèi)的情況。對于USB攝像頭本身，驅(qū)動程序提供了I / O接口功能，包括打開、讀、寫、關(guān)閉、中斷處理、內(nèi)存映射功能，以及控制接口ioctl函數(shù)實現(xiàn)I / O通道等。 Linux視頻收集示意圖如圖4所示[9-10]。

圖4 視頻采集示意圖

4.2 室內(nèi)定位技術(shù)

目前，室內(nèi)定位技術(shù)主要包括基于信號強度,基于地磁、超聲波,基于電磁波飛行時間,基于信號到達(dá)角度等多種技術(shù)。本文采用了超寬頻UWB(ultra wideband)技術(shù)，UWB技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。UWB調(diào)制采用脈沖寬度在納秒級的快速上升和下降脈沖，脈沖覆蓋的頻譜可從Hz級到GHz級，不需常規(guī)窄帶調(diào)制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發(fā)射。脈沖峰峰時間間隔為10～100 ps。頻譜形狀可通過甚窄持續(xù)單脈沖形狀和天線負(fù)載特征來調(diào)整。

UWB的測距采用雙程測距法(two way ranging，TWR)。雙程測距是指在節(jié)點間沒有公共時鐘的情況下，可以利用收發(fā)節(jié)點間的往返時間來估計這兩個節(jié)點間的距離。如節(jié)點A在T0時刻發(fā)送含有時間標(biāo)記的信息包給節(jié)點B，等節(jié)點B和此時間標(biāo)記的信息做好同步后，便會回送一個信號給節(jié)點A，以表示同步完成，節(jié)點A根據(jù)收到的信號來決定傳播時間。

超寬頻UWB技術(shù)采用3個基站就可以完成三維定位，可實現(xiàn)100m×100m范圍內(nèi)的定位。其采用的硬件包括定位標(biāo)簽、定位錨點、通訊基站、網(wǎng)絡(luò)交換及計算引擎、圖形呈現(xiàn)服務(wù)器等。圖5為相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)布局圖。

在本文的老年公寓安防與看護(hù)系統(tǒng)中，采用了基于UWB的室內(nèi)定位技術(shù)，精準(zhǔn)地實現(xiàn)了老人在室內(nèi)的定位，方便在緊急情況下第一時刻找到老人，并提供看護(hù)服務(wù)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)布局圖

5 結(jié)束語

入住智能化老年公寓是未來老年人養(yǎng)老的必然發(fā)展趨勢，本文提出的基于現(xiàn)有老年公寓改造的嵌入式無線智能安防與看護(hù)系統(tǒng)，涵蓋了實時視頻看護(hù)、緊急報警、意外跌倒報警、健康數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸?shù)榷喾轿坏陌踩c健康保障功能，為現(xiàn)代老年人提供了更舒適和更智能的生活方式。系統(tǒng)兼容性較高，可實施性強，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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