基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的養(yǎng)老院系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?jiān)? 陸建華 余仔涵

摘 要： 隨著我國(guó)社會(huì)人口步入老齡化，子女的養(yǎng)老責(zé)任日益艱巨。子女因忙于工作而無(wú)暇照顧家中老人，因而選擇讓老人入住養(yǎng)老院。當(dāng)前的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)多集中在業(yè)務(wù)管理層面，監(jiān)管人員不可能顧及每個(gè)角落里的每位老人，因此急需一套滿足養(yǎng)老院看護(hù)管理需求的智能化管理系統(tǒng)。本文基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套養(yǎng)老院管理系統(tǒng)。通過(guò)RFID、傳感器、ZigBee等信息傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)老院老人進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和監(jiān)控服務(wù)，在為老年人營(yíng)造高質(zhì)量養(yǎng)老環(huán)境的同時(shí)，也能夠有效提高養(yǎng)老院的監(jiān)護(hù)水平和員工的工作效率。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng);養(yǎng)老院;管理系統(tǒng);RFID ZigBee

1 需求分析

隨著我國(guó)社會(huì)老齡化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，子女常常忙于工作而無(wú)暇照顧家中的老人，因而選擇讓老人入住養(yǎng)老院。

大家普遍認(rèn)為傳統(tǒng)養(yǎng)老存在四大痛點(diǎn)：傳統(tǒng)化電器設(shè)計(jì)，對(duì)腿腳不方便的老人非常不友好;安防監(jiān)護(hù)缺失，老人失蹤事件頻繁;老人發(fā)生意外或突發(fā)疾病時(shí)無(wú)法及時(shí)采取措施;兒女無(wú)法直觀了解父母的動(dòng)態(tài)等。

針對(duì)以上痛點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種養(yǎng)老院管理系統(tǒng)，在保證老年人養(yǎng)老生活質(zhì)量的同時(shí)，也能夠降低人工成本，提高管理效率。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)分為硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩塊：硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)信息的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控與信息發(fā)送，軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)信息的存儲(chǔ)、處理與反饋;硬件系統(tǒng)分為腕帶和讀寫器，軟件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)庫(kù)和web終端，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將硬件與軟件融合在一起。

3 系統(tǒng)各組成部分需求分析

3.1 定位服務(wù)需求

雖然養(yǎng)老院內(nèi)安裝有攝像頭進(jìn)行監(jiān)控，但總會(huì)存在死角區(qū)域，無(wú)法及時(shí)找到每位老人;例如患有老年癡呆的老人，可能因?yàn)楣ぷ魅藛T的疏忽而離院出走，造成失蹤事件，因此定位服務(wù)是必不可少的。

3.2 生命體征監(jiān)控服務(wù)需求

生命體征包括了體溫、血壓、心率等參數(shù)，這些參數(shù)是人體狀態(tài)的反映。傳統(tǒng)人工生命體征監(jiān)測(cè)會(huì)有延遲性，對(duì)于生命體征異常的老人，錯(cuò)過(guò)了救治時(shí)間，就可能有生命危險(xiǎn)。因此需要實(shí)時(shí)生命體征監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)異常，則自動(dòng)撥打緊急電話，爭(zhēng)取治療時(shí)間。

3.3 自動(dòng)呼叫服務(wù)需求

發(fā)生突發(fā)危急情況時(shí)，老人無(wú)法自己尋求監(jiān)護(hù)人員的幫助，而造成悲劇的發(fā)生;因此需要自動(dòng)呼叫服務(wù)，及時(shí)通知監(jiān)護(hù)人員?；蛟谏w征監(jiān)控出現(xiàn)異常時(shí)，腕帶自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，呼叫緊急聯(lián)系人，采取及時(shí)措施。

3.4 改善體感舒適度服務(wù)需求

為改善體感舒適度，老人需要合適的室內(nèi)溫度和濕度。例如冬天，老人需要較高的室內(nèi)溫度的同時(shí)，也要保證室內(nèi)不會(huì)過(guò)于干燥;而夏天，則需要較涼爽的室內(nèi)溫度，以及較低的濕度，從而保證老人生活質(zhì)量。

4 各組成部分詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 客戶端 腕帶設(shè)計(jì)

4.1.1 老人定位設(shè)計(jì)

可用的技術(shù)為GPS定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)和Wi-Fi定位技術(shù)，接下來(lái)詳細(xì)分析對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，采取更優(yōu)設(shè)計(jì)于老人定位。

（1）GPS定位技術(shù)。GPS是一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?yàn)榈厍虮砻娴目蛻籼峁?shí)時(shí)準(zhǔn)確的位置服務(wù)。它的系統(tǒng)包括24顆均勻分布在6個(gè)軌道上的衛(wèi)星。用戶設(shè)備利用自身內(nèi)嵌計(jì)算機(jī)對(duì)捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算，從而獲取用戶所需的地理位置信息。GPS定位系統(tǒng)具有全球全天候定位、定位精度高等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于定位服務(wù)。

（2）REID定位技術(shù)。RFID定位的基本原理是，通過(guò)一組固定的讀寫器讀取目標(biāo)RFID標(biāo)簽的特征信息，采用接收信號(hào)強(qiáng)度法確定標(biāo)簽所在位置。這種技術(shù)作用距離短，一般最長(zhǎng)為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級(jí)精度信息，且傳輸范圍大，成本較低。由于其非接觸和非視距等優(yōu)點(diǎn)，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。

（3）Wi-Fi定位技術(shù)。Wi-Fi定位采用“近鄰法”，最靠近哪個(gè)基站，即認(rèn)為處在什么位置，如附近有多個(gè)信源，則可以通過(guò)交叉定位，提高定位精度。由于Wi-Fi已普及，因此不需要鋪設(shè)專門的設(shè)備用于定位。用戶在使用智能手機(jī)時(shí)開(kāi)啟Wi-Fi、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，就可能成為數(shù)據(jù)源。該技術(shù)具有便于擴(kuò)展、可自動(dòng)更新數(shù)據(jù)、成本低的優(yōu)勢(shì)。

（4）定位設(shè)計(jì)方案。綜合考慮所述三種定位技術(shù)對(duì)比分析：

定位范圍方面：GPS覆蓋全球，定位范圍較廣，適合于室外定位;而RFID和Wi-Fi定位技術(shù)定位范圍較小，一般在幾十米之內(nèi)有效，適合于室內(nèi)定位。

精準(zhǔn)度方面：GPS 衛(wèi)星信號(hào)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的位置，但由于室內(nèi)墻壁的遮擋，GPS 模塊接收衛(wèi)星訊號(hào)困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確定位;RFID可以在幾毫秒內(nèi)得到高精度信息;Wi-Fi熱點(diǎn)受到周圍環(huán)境的影響比較大，精度較低。

成本方面：GPS定位系統(tǒng)在幾萬(wàn)上下不等;RFID標(biāo)識(shí)的體積較小，造價(jià)較低;由于Wi-Fi已普及，因此不需要鋪設(shè)專門的設(shè)備用于定位，具有成本低的優(yōu)勢(shì)。

據(jù)此，本設(shè)計(jì)采用了室外 GPS 定位和室內(nèi) RFID 定位相結(jié)合的定位設(shè)計(jì)方案。老人的腕帶內(nèi)集成GPS定位模塊和RFID電子標(biāo)簽，并設(shè)置室外和室內(nèi)模式。

置為室外模式時(shí)，GPS模塊激活，通過(guò)GSM模塊提供的 GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能將老人所在的經(jīng)緯度信息發(fā)送回終端，實(shí)現(xiàn)室外定位功能;置為室內(nèi)模式時(shí)，RFID電子標(biāo)簽與養(yǎng)老院內(nèi)的讀寫器進(jìn)行強(qiáng)度信息傳輸，讀寫器將定位數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送到監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位功能。

4.1.2 生命體征監(jiān)控設(shè)計(jì)

在腕帶中集成測(cè)量體溫、血壓、心率傳感器模塊，采集生命體征數(shù)據(jù)，信息傳遞可采用ZigBee或者GSM通信模塊。

GPRS網(wǎng)絡(luò)屬于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商，用戶需要支付使用費(fèi)，而Zigbee網(wǎng)絡(luò)是用戶自建網(wǎng)絡(luò)，不需要支付任何費(fèi)用;GPRS移動(dòng)網(wǎng)基站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，Zigbee 網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單方便，且每一個(gè)主節(jié)點(diǎn)自身就可以當(dāng)作為網(wǎng)絡(luò)終端使用。

因?yàn)榘l(fā)送腕帶所采集的數(shù)據(jù)需要固定發(fā)送周期時(shí)間，且發(fā)送距離較近，數(shù)據(jù)量較少，因此從傳輸效果和經(jīng)濟(jì)成本來(lái)看，ZigBee會(huì)是更佳的選擇。它時(shí)延短，網(wǎng)絡(luò)速度快，可以使終端實(shí)時(shí)的監(jiān)控老人生命體征的變化;網(wǎng)絡(luò)容量更大，發(fā)射功率低，自然將對(duì)老人的輻射危害降到最低，安全、可靠。

4.1.3 自動(dòng)呼叫設(shè)計(jì)

在腕帶中集成 GSM 通信模塊，利用其語(yǔ)音通話功能提供一鍵呼叫功能。在生命體征監(jiān)控中，出現(xiàn)異常時(shí)，腕帶自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提醒緊急聯(lián)系人，采取緊急措施;或者在老人有特殊需求或在緊急情況下，一鍵呼叫院方。

4.1.4 改善體感舒適度設(shè)計(jì)

在腕帶中集成紅外線模塊，與老人所在寢室的加/抽濕器、空調(diào)固定識(shí)別匹配，一方面老人可以通過(guò)腕帶界面自主地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度與濕度，另一方面可以終端可以通過(guò)得到的室內(nèi)反饋智能調(diào)節(jié)溫度和濕度。

4.2 終端設(shè)計(jì)

4.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

終端需要數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)記錄老人的個(gè)人ID、身體健康狀況等信息。本文采用MySQL，根據(jù)基本的需求圖建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2.2 數(shù)據(jù)提取分析

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的一定時(shí)間段內(nèi)的生命體征數(shù)據(jù)，輸入到健康分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，判斷老人近期的健康情況如何。根據(jù)輸出結(jié)果生成相應(yīng)的健康說(shuō)明書供院方參考。

4.2.3 Web前端設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，利用HTML等Web技術(shù)進(jìn)行前端開(kāi)發(fā)，顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、老人方位、室內(nèi)舒適度等情況。

5 總結(jié)

隨著我國(guó)人口60歲及以上數(shù)量達(dá)到2.41億，占總?cè)丝?7.3%，越來(lái)越多的老年人將選擇養(yǎng)老院。因此完善養(yǎng)老院的管理問(wèn)題成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。在這樣的背景下，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到養(yǎng)老院中來(lái)，設(shè)計(jì)了一套養(yǎng)老院管理系統(tǒng)，在保證老人生活質(zhì)量的同時(shí)，也降低了人工看護(hù)成本。

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)，是由客戶端腕帶、監(jiān)控終端兩大部分組成。腕帶通過(guò)集成GSM通信模塊、GPS模塊、紅外線模塊、傳感器模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)老人的安全定位、信息采集等功能;終端通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和Web前端實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)科學(xué)分析、顯示等功能。

本文設(shè)計(jì)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)仍存在不足，目前更多是從物質(zhì)方面去保證老人的生活安全與質(zhì)量，但無(wú)法滿足老人的心理與情感需求。

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