家庭老幼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

彭榮華 羅志偉 盧忠亮 謝泓松 壽夢(mèng)藍(lán)

摘 要：針對(duì)生活中老人與小孩的監(jiān)護(hù)問題，設(shè)計(jì)一款家庭老幼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微信后臺(tái)開發(fā)技術(shù)、RFID射頻識(shí)別技術(shù)，可自動(dòng)在嬰幼兒觸及危險(xiǎn)區(qū)域以及老人跌倒時(shí)做出一定的安防措施并迅速報(bào)警及通知監(jiān)護(hù)人，能夠較大程度減少幼兒墜樓等事故，解決老人與幼兒的安全問題。系統(tǒng)設(shè)備開發(fā)成本低，使用便捷，具有較大的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);中遠(yuǎn)距離RFID;Cortex-M3+ESP8266;安防監(jiān)護(hù);跌倒識(shí)別算法;微信公眾號(hào)后臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）11-0-03

0 引 言

當(dāng)前我國人口不斷增長，但老齡化日益嚴(yán)重，中青一代在擔(dān)負(fù)重大工作壓力的同時(shí)，也因無暇顧及家中老人與幼兒安全問題更顯焦慮。嬰幼兒墜樓問題不斷發(fā)生，老人跌倒事件屢次出現(xiàn)，至今社會(huì)各界尚未提出一個(gè)完善的解決方案。

我國城市老年人空巢家庭（包括獨(dú)居）的比例已達(dá)49.7%。到2020年，中國老年人口將達(dá)到2.48億，老齡化比例將達(dá)17.17%。由于社區(qū)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)場地有限，許多老人只能采取居家的方式養(yǎng)老，給養(yǎng)老、醫(yī)療等社會(huì)保障和服務(wù)體系等帶來了巨大壓力。近年來，隨著社會(huì)節(jié)奏的不斷加快，防范意識(shí)不強(qiáng)的兒童由于缺乏有效看護(hù)，其正常生活甚至生命受到了嚴(yán)重威脅，因此兒童的安全問題已逐步成為社會(huì)關(guān)注的重要內(nèi)容之一。

目前，國內(nèi)在家庭老人及兒童遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)方面的研究還不多。2001年首都醫(yī)科大學(xué)實(shí)現(xiàn)了對(duì)老人及兒童行動(dòng)分析及異常報(bào)警系統(tǒng)，利用檢測(cè)到的信號(hào)，主動(dòng)判斷老人及兒童狀況。但由于采用的家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀、可控萬向云臺(tái)等設(shè)備成本較高，無法大面積推廣。2002年美國維吉尼亞大學(xué)開展了智能居所監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)采用低成本感應(yīng)器獲取家庭老人及兒童活動(dòng)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立老人及兒童活動(dòng)規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)不同老人及兒童的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，為家庭安防帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的老幼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以居家養(yǎng)老為基礎(chǔ)，社區(qū)養(yǎng)老為依托，通過云平臺(tái)系統(tǒng)、服務(wù)中心建設(shè)等信息化手段建立居家養(yǎng)老服務(wù)體系，惠及每個(gè)家庭中的老人，從而提升養(yǎng)老服務(wù)能力。

同時(shí)，項(xiàng)目吸取其他相關(guān)領(lǐng)域項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，采用低成本傳感器[1]、第三方定制的終端設(shè)備，在提高系統(tǒng)可用性的同時(shí)，降低用戶使用成本;采用統(tǒng)一的云平臺(tái)系統(tǒng)，不僅預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，可靠性高，還節(jié)約了人力成本，使工作更有效率。針對(duì)目前家庭用戶應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)并開發(fā)高效的遠(yuǎn)程家庭安防及老幼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能概述

1.1 總體架構(gòu)

本文基于智能云生態(tài)鏈、無線通信網(wǎng)、超低功耗SOC 芯片技術(shù)[2]，搭建家庭老幼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括若干位置節(jié)點(diǎn)和人體節(jié)點(diǎn)，位置節(jié)點(diǎn)包括中距離RFID讀寫器[3-4]、WiFi模塊及Cortex-M3處理器;人體節(jié)點(diǎn)主要是帶有中距離 RFID的射頻標(biāo)簽[5]、加速度傳感器及WiFi模塊。系統(tǒng)主要包括設(shè)備硬件電路設(shè)計(jì)與調(diào)試、距離感應(yīng)設(shè)計(jì)及調(diào)試、數(shù)據(jù)采集及上傳調(diào)試[6]、無線軟件協(xié)議設(shè)計(jì)及完整系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[7]?？傮w架構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 主要功能

系統(tǒng)處理主要分為接近危險(xiǎn)狀態(tài)檢測(cè)和跌倒檢測(cè)，其流程如圖3所示。

跌倒檢測(cè)主要依靠加速度傳感器檢測(cè)到的加速度信息和傾角信息以及心率傳感器檢測(cè)到的脈搏變化狀態(tài)[8]，共同判斷老人、兒童是否發(fā)生了跌倒。危險(xiǎn)狀態(tài)檢測(cè)利用人體紅外傳感器和遠(yuǎn)距離RFID，及時(shí)發(fā)現(xiàn)兒童靠近陽臺(tái)、門窗、插座等危險(xiǎn)行為，并發(fā)出現(xiàn)場和遠(yuǎn)程報(bào)警，避免家長因一時(shí)疏忽而使兒童發(fā)生危險(xiǎn)。

1.4 芯片選型

網(wǎng)關(guān)和從站監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備由一片Cortex-M3+ESP8266無線模塊組成，通過ESP826無線通信模塊在網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)無線通信。節(jié)點(diǎn)采用MAX30100心率模塊、MPU6050重力傳感器模塊，搭載可將跌倒姿態(tài)檢測(cè)信息傳到云平臺(tái)的ESP8266 WiFi模塊，以及裝有RFID射頻標(biāo)簽的手環(huán)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)備

2.1 識(shí)別控制裝置

識(shí)別控制裝置采用中距離（0～10 m）有源RFID識(shí)別模塊和ESP8266電機(jī)，利用簡單的兩圓相交定位模型進(jìn)行定位和距離計(jì)算。識(shí)別控制裝置如圖4所示。定位計(jì)算如圖5所示。

將得到的位置信息及信號(hào)強(qiáng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，對(duì)位置信息與信號(hào)關(guān)系進(jìn)行距離評(píng)估，如圖6所示。

圖6中：D為根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換得到的距離（單位：cm）;RSSI為信號(hào)強(qiáng)度（單位：dBm），使用其絕對(duì)值進(jìn)行計(jì)算;L是與天線相關(guān)的參數(shù)。

在線性處理轉(zhuǎn)換中，主要針對(duì)以下四種情況的信號(hào)強(qiáng)度值進(jìn)行區(qū)分計(jì)算：

（1）當(dāng)-22 dBm≤RSSI時(shí)，令D=0參與計(jì)算處理;

（2）當(dāng)-41 dBm≤RSSI<-22 dBm時(shí)，按照拋物線D=100（L0-RSSI）（L0-L）進(jìn)行計(jì)算;

（3）當(dāng)-50 dBm≤RSSI<-41 dBm時(shí)，按照拋物線D=100+0.6（RSSI+36）2-15進(jìn)行計(jì)算;

（4）其他情況按照拋物線D=1.6（RSSI+34.5）2-180.7進(jìn)行計(jì)算。

依據(jù)上述計(jì)算方式得到標(biāo)簽?zāi)K與墻壁的距離：

式中：p=（L1+L2+L3）/2;L1，L2分別為兩個(gè)標(biāo)簽與量設(shè)備之間的距離;L3為兩設(shè)備之間的距離;L0=-22 dBm;RSSI為信號(hào)強(qiáng)度。

2.2 穿戴設(shè)備

硬件采用市場主流的STM32f103C8T6作為主控，WiFi模塊采用ESP8266、三引腳的心率傳感器以及六軸的精確陀螺儀MPU6050。

利用六軸陀螺儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，6個(gè)原始數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)三個(gè)方向上的角速度與角加速度，陀螺儀輸出信號(hào)如圖7所示。

關(guān)于數(shù)據(jù)形式的說明如下：

AccX，AccY，AccZ分別指代X，Y，Z三個(gè)方向上的加速度;

GyroX，GyroY，GyroZ分別指代X，Y，Z三個(gè)方向上的角加速度。

2.3 各種模塊的參數(shù)

窗臺(tái)插座等危險(xiǎn)區(qū)域的設(shè)定值約為0.8 m（可調(diào)整），提醒和報(bào)警的時(shí)間均為即時(shí)發(fā)送，并利用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警。各模塊選型見表1所列。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化的跌倒檢測(cè)算法

在以往的跌倒識(shí)別算法中主要有兩大困難：一是數(shù)據(jù)采集以及讀取的復(fù)雜性;二是平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)采樣頻率為

3 Hz，在數(shù)據(jù)分析的精度和閾值上均無法滿足要求。

本文將設(shè)備佩戴在人體腰部，采集正常人體行走、奔跑、上樓、下樓、摔倒等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率達(dá)到20次/s，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算后即時(shí)發(fā)送結(jié)果至服務(wù)器及OneNET。

跌倒算法流程如圖8所示。其中，處理的數(shù)據(jù)為提取的合速度與合角加速度。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

3.2 服務(wù)器配置

將系統(tǒng)服務(wù)器搭建于中國移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)OneNET上，通過專用APP實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制，平臺(tái)支持TCP，UDP，MQTT以及自主開發(fā)的EDP傳輸協(xié)議，還包括多種字符串格式的數(shù)據(jù)報(bào)文體結(jié)構(gòu)。通過建立數(shù)據(jù)流與指令開關(guān)[9]，協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)文體鍵值對(duì)在鍵值與數(shù)據(jù)流名稱對(duì)應(yīng)的情況下，將數(shù)值長久保留在平臺(tái)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流中。通過此平臺(tái)，將處理后的設(shè)備狀態(tài)以及檢測(cè)后得到的信息發(fā)送至用戶，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果。

3.3 微信公眾號(hào)后臺(tái)

系統(tǒng)采用微信公眾號(hào)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)：一方面利用微信龐大的用戶基數(shù)，使用戶體驗(yàn)更優(yōu)越，接收消息更及時(shí);另一方面，微信公眾號(hào)平臺(tái)開發(fā)可塑性大，靈活性高，解決了用戶安裝各種特定軟件的困擾。

4 結(jié) 語

本文主要基于中遠(yuǎn)距RFID，Cortex-M3處理器和ESP8266 無線模塊以及優(yōu)化的跌倒識(shí)別算法構(gòu)建了一個(gè)能夠減少老人及兒童家庭意外事故的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)定位識(shí)別準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，使用方便，是一種值得推廣的物聯(lián)網(wǎng)形勢(shì)下的新應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

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