基于Android的老人遠(yuǎn)程定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

楊 剛 王 曼 屈勝年

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 陜西 710061）

1 引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)顯示，意外跌倒是老年人慢性致殘的第三大原因。全球每年大約30.3%的65歲以上老人、50%的80歲以上老人都發(fā)生過(guò)跌倒，造成了骨折、軟組織挫傷和腦部損害等意外傷害［1～2］。此外，我國(guó)目前高血壓患者約有1.6億且逐年增多［3］。高血壓是老年人最常見(jiàn)的心血管疾病，又是導(dǎo)致腦卒中、冠心病、糖尿病、慢性腎病及心腎功能衰竭，致殘、致死的主要危險(xiǎn)因素之一［4］。由此可見(jiàn)，跌倒及高血壓疾病嚴(yán)重影響老人的身心健康和生活質(zhì)量，而且增加了家庭的痛苦和負(fù)擔(dān)。如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常體征，定位救助跌倒老人在監(jiān)護(hù)設(shè)備中顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)設(shè)備采用B/S方式，利用固定的PC監(jiān)護(hù)，不能便捷及時(shí)監(jiān)護(hù)老人。近些年隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，市場(chǎng)上已有針對(duì)老人監(jiān)護(hù)問(wèn)題的解決方案。但并不適用于子女等監(jiān)護(hù)人遠(yuǎn)程便捷使用，且功能單一、易用性差，難以滿足老人的健康監(jiān)護(hù)及其對(duì)晚年生活質(zhì)量的更高要求。

本文擬設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于Android平臺(tái)的老人遠(yuǎn)程定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。通過(guò)無(wú)線GPRS技術(shù)自動(dòng)將前端設(shè)備所采集的信息上傳到云服務(wù)器，方便子女利用該系統(tǒng)通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)查看老人跌倒?fàn)顩r、血壓及位置，同時(shí)利用service組件進(jìn)行異常信息的預(yù)警，實(shí)現(xiàn)老人遠(yuǎn)程定位監(jiān)護(hù)功能。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

老人遠(yuǎn)程定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要分為下位模塊、云服務(wù)器、上位Android手機(jī)客戶端模塊。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。為了提高下位機(jī)采集模塊中各項(xiàng)指標(biāo)的準(zhǔn)確性，加速度傳感器采用三軸陀螺儀加速度傳感器，血壓傳感器選用光電脈搏波反射傳感器，定位選用sim公司的sim908。云服務(wù)器選擇樂(lè)聯(lián)網(wǎng)公共云平臺(tái)，其可以快速搭建實(shí)現(xiàn)，且操作簡(jiǎn)捷運(yùn)行穩(wěn)定，可有效地節(jié)約成本。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

下位機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，通過(guò)從傳感器獲得血壓、經(jīng)緯度以及加速度數(shù)據(jù)，完成對(duì)健康指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集和壓縮編碼的處理，最后通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)Internet傳送給云服務(wù)器，客戶端可以通過(guò)Internet訪問(wèn)服務(wù)器并獲得指標(biāo)數(shù)據(jù)。云服務(wù)器是下位機(jī)和客戶端之間的橋梁。

Android客戶端主要完成與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互以及對(duì)自身數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)護(hù)老人血壓、位置、跌倒等相應(yīng)信息的監(jiān)測(cè)及預(yù)警功能。

3 Android客戶端設(shè)計(jì)

3.1 客戶端架構(gòu)

Android是Google開(kāi)發(fā)的基于Linux平臺(tái)的開(kāi)源手機(jī)操作系統(tǒng)。它包括操作系統(tǒng)、用戶界面和應(yīng)用程序［5］。本系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，其中服務(wù)器采用公共的云平臺(tái)，客戶端部分采用Android JAVA開(kāi)發(fā)?？蛻舳死胹haredpreferences實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，結(jié)合SOCKET完成網(wǎng)絡(luò)通信，最終編譯之后打包生成APK文件［6］，可直接安裝在Android手機(jī)上。相比傳統(tǒng)模式的PC監(jiān)控系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)不受時(shí)間、地域、環(huán)境、距離等因素限制，利用Android平臺(tái)設(shè)計(jì)控制下位的應(yīng)用軟件，操作方便靈活，具體架構(gòu)圖如圖2。

圖2 Android客戶端架構(gòu)圖

3.2 客戶端主程序流程

Android手機(jī)客戶端系統(tǒng)測(cè)試采用紅米手機(jī)，Android4.4.4版本，內(nèi)核3.10.28。開(kāi)發(fā)環(huán)境為Android+ADT+SDK+JAVA+JDK1.8+Eclipse。云服務(wù)器可以同時(shí)與多個(gè)手機(jī)客戶端進(jìn)行通信，為每個(gè)客戶端分配1個(gè)端口號(hào)，用戶登錄進(jìn)入首先從shared-preferences中獲取默認(rèn)設(shè)備ID，然后隨著用戶切換頁(yè)面實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前頁(yè)面顯示的相應(yīng)數(shù)據(jù)，并且啟動(dòng)service，在service中的定時(shí)器每隔2min向云服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求實(shí)時(shí)獲取血壓、跌倒、位置信息的請(qǐng)求，然后根據(jù)用戶設(shè)置的閾值給出相應(yīng)的提示。老人遠(yuǎn)程定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 客戶端運(yùn)行流程圖

3.3 客戶端界面設(shè)計(jì)

Android系統(tǒng)采用腳本語(yǔ)言完成界面設(shè)計(jì)［7］。本系統(tǒng)主要包含體征監(jiān)測(cè)界面、位置監(jiān)測(cè)界面與設(shè)置主界面，并利用三個(gè)radiobutton組成的底部導(dǎo)航欄實(shí)現(xiàn)主界面的切換。

體征監(jiān)測(cè)界面主要包括兩部分，分別為血壓監(jiān)測(cè)與跌倒監(jiān)測(cè)。由于兩個(gè)監(jiān)測(cè)頁(yè)面所含部分UI元素相同，且便于以后拓展軟件監(jiān)測(cè)參數(shù)，因此采用Fragment結(jié)合viewpager實(shí)現(xiàn)血壓與跌倒兩個(gè)標(biāo)簽頁(yè)的標(biāo)簽點(diǎn)擊切換與滑動(dòng)切換功能。系統(tǒng)采用血壓進(jìn)度條的形式展示老人單詞血壓，利用血壓趨勢(shì)圖分析老人一周血壓數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合ListView以列表的形式展示老人一年的血壓測(cè)試數(shù)據(jù)。跌倒監(jiān)測(cè)界面運(yùn)用人形的跌倒及站立圖表示老人實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用曲線圖展示過(guò)去14min內(nèi)加速度值的變化。

位置監(jiān)測(cè)界面利用高德地圖繪制老人的位置。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算老人位置和子女設(shè)置的圍欄圓心之間距離與半徑做對(duì)比，從而進(jìn)行圍欄預(yù)警。此外，結(jié)合運(yùn)用grideView實(shí)現(xiàn)的日歷查詢某天老人的運(yùn)動(dòng)軌跡。

設(shè)置主界面主要分為兩部分，一部分為用戶個(gè)人信息設(shè)置，旨在管理用戶。另一部分為系統(tǒng)設(shè)置，主要包括圍欄半徑設(shè)置、圍欄進(jìn)入提醒、圍欄離開(kāi)提醒以及使用助手。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

客戶端涉及到大量的數(shù)據(jù)處理，但為節(jié)省手機(jī)內(nèi)存資源，其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)都采取實(shí)時(shí)獲取顯示，只有小部分?jǐn)?shù)據(jù)需存儲(chǔ)。由于數(shù)據(jù)量較小，采用SharedPreferences存儲(chǔ)方式，相比市場(chǎng)上采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的其它應(yīng)用，此方法避免了創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)建表，寫(xiě)SQL語(yǔ)句等諸多操作，相對(duì)而言更加方便簡(jiǎn)潔，更適合客戶端。SharedPreferences數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 在/data/data/＜packagename＞/shared_prefs目錄下。

具體實(shí)現(xiàn)如下：

//獲取變量（默認(rèn)設(shè)備ID）值

public static String getId（）｛

Return mPreferences.getString（mId，“”）；

｝

//存儲(chǔ)變量（默認(rèn)設(shè)備ID）值

public static void setId（String id）｛

SharedPreferences.Editor editor=mPreferences.edit（）；

editor.putString（mId，id）；

editor.commit（）；

｝

采用SharedPreferences存儲(chǔ)的變量有默認(rèn)監(jiān)控設(shè)備ID，默認(rèn)監(jiān)控設(shè)備名，歷史軌跡查詢?nèi)掌?，開(kāi)啟或關(guān)閉進(jìn)入圍欄提醒，開(kāi)啟或關(guān)閉離開(kāi)圍欄提醒。

上位機(jī)可監(jiān)護(hù)多個(gè)下位機(jī)監(jiān)護(hù)設(shè)備，但在同一時(shí)刻只可顯示默認(rèn)設(shè)備的健康信息，若需查看其它設(shè)備的信息，則需通過(guò)已知的設(shè)備ID綁定設(shè)備，并將其設(shè)置為默認(rèn)設(shè)備。

3.5 通信模塊設(shè)計(jì)

客戶端的通信模塊選用HTTP協(xié)議，HTTP協(xié)議是應(yīng)用層協(xié)議，屬于高層協(xié)議；傳輸層則使用TCP/IP協(xié)議。原理上利用Scoket編程實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議，Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是一組API接口［8］。然而實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議非常耗時(shí)，對(duì)Socket套接字以及HTTP協(xié)議細(xì)節(jié)都要非常熟悉，還需經(jīng)過(guò)大量測(cè)試和驗(yàn)證，才可正確實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。

Android平臺(tái)的開(kāi)發(fā)環(huán)境中，已經(jīng)集成apache的相關(guān)組件：HttpClient。因此不必寫(xiě)Socket來(lái)實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議，只需調(diào)用HttpClient來(lái)完成與服務(wù)器對(duì)接的REST API接口即可，大大減輕API接口實(shí)現(xiàn)。然而由于API接口眾多，接口實(shí)現(xiàn)中采用工廠模式以保證系統(tǒng)的高效率，如圖4。

圖4 通信模塊工廠設(shè)計(jì)模式UML圖

3.6 推送報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

基于C/S模式，從建立鏈路的角度可將推送方式分為兩類：一類為服務(wù)器主動(dòng)發(fā)送信息，客戶端顯示數(shù)據(jù)，與此同時(shí)保證與服務(wù)器的長(zhǎng)鏈接，當(dāng)服務(wù)器需要再次發(fā)送一批數(shù)據(jù)時(shí)，客戶端顯示數(shù)據(jù)并保持連接，以此類推［9］。另一類為客戶端周期性發(fā)起鏈接詢問(wèn)，并建立短鏈接，接收完信息則釋放鏈路。相比較兩種方式，前者推送效率較高，因?yàn)椴槐亟⑿碌逆溄?，但由于?dāng)沒(méi)有消息推送時(shí)也必須保持此鏈接，因此會(huì)造成很多資源的浪費(fèi)。在目前網(wǎng)絡(luò)流量消費(fèi)普遍的時(shí)代，為避免搭建服務(wù)器，可以利用現(xiàn)有的云平臺(tái)。本系統(tǒng)就是采用后者實(shí)現(xiàn)推送。

推送主要采用service實(shí)現(xiàn)。service是Android四大組件之一，是一個(gè)沒(méi)有用戶界面的后臺(tái)執(zhí)行耗時(shí)操作的應(yīng)用組件［10］。其他應(yīng)用組件都可以啟動(dòng)service，并且當(dāng)用戶切換到另外的用戶場(chǎng)景時(shí)，service將持續(xù)在后臺(tái)運(yùn)行。當(dāng)應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)，在程序入口Activity中啟動(dòng)service，為保證系統(tǒng)的高效率，在子線程中設(shè)置定時(shí)器，每2分鐘向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求位置、血壓與是否跌倒信息，當(dāng)請(qǐng)求成功時(shí)可將信息通過(guò)公有類共享給其它需要展示數(shù)據(jù)的界面組件，同時(shí)與用戶預(yù)設(shè)閾值比較。在老人離開(kāi)或進(jìn)入預(yù)設(shè)地理圍欄，老人跌倒，老人血壓非正常時(shí)推送相應(yīng)的報(bào)警信息及時(shí)提醒監(jiān)護(hù)人老人可能發(fā)生意外，監(jiān)護(hù)人可結(jié)合系統(tǒng)提供的老人位置信息及時(shí)施救，從而避免救助不及時(shí)所引發(fā)的身體傷害。此外，每2min的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求也可滿足推送消息的及時(shí)性要求。

4 云服務(wù)器

樂(lè)聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)可以迅速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的公共云平臺(tái)。該云臺(tái)不需要繁瑣編程就可以將傳感器與樂(lè)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接，并實(shí)現(xiàn)在該平臺(tái)上存儲(chǔ)、查詢和測(cè)量數(shù)據(jù)的分析。該平臺(tái)還提供了網(wǎng)絡(luò)連接功能模塊，可以讓所有測(cè)量設(shè)備都具備聯(lián)網(wǎng)功能，利于集中監(jiān)控和設(shè)備的管理［11］。該平臺(tái)同時(shí)提供了數(shù)據(jù)查詢、分析、對(duì)比等基本功能。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

該系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時(shí)獲取老人位置、血壓及是否跌倒信息，并將獲取的信息展示在客戶端顯示屏上；另外，可以在老人進(jìn)入與離開(kāi)用戶設(shè)置的地理圍欄、血壓超出用戶預(yù)設(shè)范圍以及老人跌倒時(shí)給予及時(shí)的數(shù)據(jù)信息推送。

測(cè)試時(shí)，首先確保下位機(jī)電量充足，并邀請(qǐng)2位同學(xué)模擬老人一周的生活狀態(tài)，并令其在某時(shí)刻模擬老人跌倒。在本系統(tǒng)的監(jiān)控下，對(duì)這兩名同學(xué)進(jìn)行一周不間斷的監(jiān)護(hù)測(cè)試，部分?jǐn)?shù)據(jù)如下列圖所示。

圖5為其中一位同學(xué)一周的血壓信息記錄以及最近一次的血壓狀況分析。圖6為某時(shí)候超出正常血壓范圍所收到的即時(shí)警告信息。

圖5 血壓一周記錄

圖6 老人血壓超出閾值

圖7 為其中一名同學(xué)模擬老人跌倒，記錄跌倒前后十四分鐘內(nèi)加速度值。其中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示加速度值。圖8表示加速度值超過(guò)預(yù)警值時(shí)的警告信息，說(shuō)明老人已跌倒。

圖7 老人加速度值記錄

圖8 老人跌倒的警告消息

圖9陰影區(qū)域?yàn)殚_(kāi)啟圍欄功能，同時(shí)用戶設(shè)置地圖上某一位置為圍欄中心，500m為半徑的圍欄區(qū)域。圖10為老人離開(kāi)圍欄區(qū)域的警告信息。

圖9 開(kāi)啟地理圍欄

圖10 老人離開(kāi)圍欄區(qū)域

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于Android的老人遠(yuǎn)程定位監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，在1臺(tái)Android手機(jī)上可以同時(shí)對(duì)多個(gè)老人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程定位監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)不僅能時(shí)刻監(jiān)測(cè)老人血壓、心率、跌倒?fàn)顩r和位置，并可在特殊情況下及時(shí)給予推送提示。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上述功能，監(jiān)護(hù)人可通過(guò)該系統(tǒng)更好地了解老人身體狀況，并進(jìn)行及時(shí)救助。

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