大數(shù)據(jù)背景下智慧養(yǎng)老平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

李常迪，邵一川，陳醉涵，曹 勇

（1.沈陽(yáng)大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110044；2.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院，遼寧 沈陽(yáng)110023）

截止到2020年，我國(guó)人口老齡化增速已位居全球第一，預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)65歲以上人口占比將超過全球人口老齡化最嚴(yán)重的日本。人口老齡化已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一道阻力，解決人口老齡化問題也同樣成為世界性難題。老齡人口的增長(zhǎng)使得年輕人的就業(yè)生活壓力大大增加，由于生活工作壓力的加大使得兒女無(wú)法全天候照看老人，因此養(yǎng)老院成為很多退休老人的養(yǎng)老選擇。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)養(yǎng)老院都是人工看護(hù)的形式，存在著管理人員不足、專業(yè)度不高、養(yǎng)老設(shè)施不完善、應(yīng)急措施不及時(shí)等問題，為促進(jìn)養(yǎng)老智能化發(fā)展，本文基于大數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)了智慧養(yǎng)老系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)由五個(gè)子系統(tǒng)組成，分別為RFID集成管理平臺(tái)、視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)模塊、養(yǎng)老院SOA集成服務(wù)平臺(tái)、醫(yī)療云計(jì)算平臺(tái)、短信服務(wù)平臺(tái)五大模塊。

1 智慧養(yǎng)老系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)作為依托，以RFID腕帶標(biāo)簽信息的采集、集中處理和分散服務(wù)為主線，打造RFID集成管理平臺(tái)、視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)模塊、養(yǎng)老院SOA集成服務(wù)平臺(tái)、醫(yī)療云計(jì)算平臺(tái)、短信服務(wù)平臺(tái)五大平臺(tái)。智慧養(yǎng)老系統(tǒng)各平臺(tái)間功能如圖1所示。

圖1 智慧養(yǎng)老系統(tǒng)功能圖

1.1 RFID集成管理平臺(tái)

系統(tǒng)利用RFID腕帶標(biāo)簽完成對(duì)養(yǎng)老院老人身體健康數(shù)據(jù)的采集，包括血壓、心率、體溫等指標(biāo)，RFID腕帶標(biāo)簽同樣記錄了每位老人的身份信息以及實(shí)時(shí)地理位置信息[2]。RFID集成管理平臺(tái)通過構(gòu)建RFID中間件數(shù)據(jù)融合模型、面向服務(wù)請(qǐng)求的RFID數(shù)據(jù)容錯(cuò)控制等模型完成各項(xiàng)信息傳遞任務(wù)。在該平臺(tái)中，利用RFID定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)老人地理位置的快速準(zhǔn)確定位，利用RFID中間件軟件能夠?qū)﹂喿x器和標(biāo)簽之間大量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理和精簡(jiǎn)操作，并完成系統(tǒng)軟硬件間信息交換和管理任務(wù)。

1.2 視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)模塊

在整個(gè)智慧養(yǎng)老系統(tǒng)管理過程中，需要RFID管理系統(tǒng)與視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同作用。當(dāng)老人發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，利用視頻監(jiān)控能夠控制攝像頭查看老人所在的具體位置和相應(yīng)區(qū)域情況。目前，由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和技術(shù)不足等因素多數(shù)養(yǎng)老院沒有將RFID系統(tǒng)接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)將兩個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)同作用，即老人通過控制RFID腕帶終端呼救功能能夠激活視頻聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行老人位置協(xié)同定位，以幫助養(yǎng)老院管理人員快速準(zhǔn)確地完成老人健康狀況查看和救助任務(wù)。

1.3 養(yǎng)老院SOA集成服務(wù)平臺(tái)

該模塊是智慧養(yǎng)老系統(tǒng)完成各項(xiàng)服務(wù)所需信息數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。養(yǎng)老院系統(tǒng)包含著大量的信息數(shù)據(jù)，其中RFID系統(tǒng)實(shí)時(shí)將采集到的老人健康數(shù)據(jù)傳遞到SOA集成服務(wù)平臺(tái)，該平臺(tái)將信息傳遞給醫(yī)療云平臺(tái)，在信息通過醫(yī)療云平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算及分析后反饋到SOA集成平臺(tái)，當(dāng)老人健康出現(xiàn)異常情況時(shí)，平臺(tái)將以短信的形式向老人家屬發(fā)出預(yù)警，同時(shí)向養(yǎng)老院管理系統(tǒng)告警，以及時(shí)對(duì)老人可能發(fā)生的病情做出檢查治療。從圖1中能夠看出，SOA集成服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外部間跨平臺(tái)的信息整合。

1.4 醫(yī)療云計(jì)算平臺(tái)

通過匯總醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)構(gòu)建養(yǎng)老系統(tǒng)所屬的私有云計(jì)算平臺(tái)。通過養(yǎng)老院SOA集成服務(wù)平臺(tái)將老人健康數(shù)據(jù)上傳至醫(yī)療云計(jì)算平臺(tái)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析以對(duì)老人健康檢查預(yù)判服務(wù)。當(dāng)養(yǎng)老院老人身體感到不適時(shí)，該平臺(tái)能夠提供專家會(huì)診服務(wù)以幫助老人解決健康咨詢問題。醫(yī)療云平臺(tái)使智慧養(yǎng)老系統(tǒng)能夠提供的服務(wù)功能更加多樣化和完善化。

1.5 短信服務(wù)平臺(tái)

該模塊是養(yǎng)老院與老人家屬進(jìn)行溝通交流的平臺(tái)。當(dāng)老人健康出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)將通過該平臺(tái)通知家屬老人健康狀況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，該平臺(tái)可以被養(yǎng)老院開發(fā)的APP所代替，家屬通過APP能夠?qū)崟r(shí)查看老人健康數(shù)據(jù)的變化情況，更加方便家屬對(duì)老人健康進(jìn)行關(guān)注。

2 智慧養(yǎng)老系統(tǒng)的技術(shù)支撐

2.1 非接觸式生理特征數(shù)據(jù)采集腕帶

數(shù)據(jù)采集腕帶——智能手環(huán)，主要用于采集被測(cè)老人的生理特征指標(biāo)。手環(huán)采用反射式光路測(cè)量的方式，將兩個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)光二極管（630mn，940mn）和光敏器件（光電二級(jí)管）置于人體同一側(cè)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可穿戴反射式探頭[3]，反射式探頭能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體光電容積脈搏波（PPG）信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其低功耗、微型化的PPG信號(hào)采集檢測(cè)模塊輸出適合幅值的PPG信號(hào)直流基線和交流分量，系統(tǒng)采用的實(shí)時(shí)測(cè)量算法能夠從PPG信號(hào)中提取出動(dòng)脈血氧飽和度和實(shí)時(shí)心率信息。首先，該算法通過周期移動(dòng)平均濾波器完成對(duì)PPG信號(hào)預(yù)處理；血氧飽和度測(cè)量算法對(duì)雙波長(zhǎng)PPG信號(hào)移動(dòng)平均得到直流基線，采用差分算法計(jì)算信號(hào)交流分量。實(shí)時(shí)心率測(cè)量算法的優(yōu)點(diǎn)在于將自適應(yīng)窗函數(shù)和優(yōu)化后的微分閾值法進(jìn)行結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)心率的計(jì)算。反射式脈搏血氧動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)脈血氧飽和度和心率的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用于分布式養(yǎng)老看護(hù)平臺(tái)中。智能手環(huán)樣式和原理如圖2、圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)特征采集腕帶

圖3 非接觸式生理特征數(shù)據(jù)采集原理

2.2 自適應(yīng)尋峰小波閾值去噪算法的心率監(jiān)測(cè)信號(hào)處理方法

心率監(jiān)測(cè)中對(duì)各類信號(hào)的處理方法有很多種，如小波去噪、信號(hào)尋峰、周期的計(jì)算等。有研究者對(duì)各種信號(hào)處理方法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并對(duì)小波閾值去噪方法做了較為詳盡的研究。評(píng)估了各參數(shù)變化（如小波函數(shù)、閾值函數(shù)及閾值）對(duì)心率監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度影響，創(chuàng)新地提出了一種自適應(yīng)小波變換去噪算法，利用該算法能夠提高心率監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。

本文提出的自適應(yīng)尋峰利用了有效點(diǎn)集中分布的特點(diǎn)，通常情況下，噪音點(diǎn)的分布較為零散，且局部信號(hào)差異性小，該算法能夠通過設(shè)定局部模板大小LSIZE計(jì)算出符合約束條件的有效信號(hào)點(diǎn)。在遍歷完全部有效候選點(diǎn)后，通過簡(jiǎn)單尋峰算法判斷心率信號(hào)中每個(gè)時(shí)間段內(nèi)波峰的數(shù)量，該數(shù)值即為在該時(shí)間段內(nèi)被測(cè)者心跳的次數(shù)，最后確定時(shí)間周期T。

2.3 基于Kinect數(shù)據(jù)特征收集巡診機(jī)器人

系統(tǒng)采用非接觸式腕帶收集老人身體健康數(shù)據(jù)后，還需要對(duì)老人的姿態(tài)信息進(jìn)行識(shí)別。因此，系統(tǒng)選用基于Kinect的巡診機(jī)器人完成人體姿態(tài)識(shí)別任務(wù)，該機(jī)器人還能實(shí)現(xiàn)老人的尋找和跟蹤任務(wù)?；贙inect數(shù)據(jù)特征收集的巡診機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于其有較高的抗干擾能力，因此在漆黑環(huán)境下該機(jī)器人同樣能夠正常完成各項(xiàng)任務(wù)。且其反應(yīng)速度快，能夠快速完成姿態(tài)識(shí)別任務(wù)并完成實(shí)時(shí)上傳，當(dāng)檢測(cè)到老人出現(xiàn)跌倒等意外狀況時(shí)會(huì)啟動(dòng)系統(tǒng)預(yù)警裝置。為了提高老人狀態(tài)識(shí)別能力對(duì)巡診機(jī)器人中的深度傳感器增加了面部識(shí)別功能，使機(jī)器人能夠?qū)先说谋砬闋顟B(tài)進(jìn)行識(shí)別。其中巡診機(jī)器人面部識(shí)別類型包括高興、痛苦、悲傷、驚訝等狀態(tài)[4]，行為狀態(tài)識(shí)別類型包括站立、行走、臥躺、平坐、跌倒等狀態(tài)，系統(tǒng)通過綜合面部和行為狀態(tài)準(zhǔn)確地對(duì)老人狀況作出檢測(cè)，為老人的健康安全提供了更高的保障。特征收集巡診機(jī)器人如圖4所示。

圖4 特征收集巡診機(jī)器人

3 結(jié)束語(yǔ)

本文為解決人口老齡化帶來(lái)的社會(huì)養(yǎng)老難問題，設(shè)計(jì)了由RFID集成管理平臺(tái)、視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)模塊、養(yǎng)老院SOA集成服務(wù)平臺(tái)、醫(yī)療云計(jì)算平臺(tái)、短信服務(wù)平臺(tái)五大模塊組成的智慧養(yǎng)老平臺(tái)。系統(tǒng)包含的醫(yī)療云平臺(tái)為實(shí)時(shí)檢測(cè)老人健康提供了保障，養(yǎng)老院SOA集成服務(wù)實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)間老人健康信息的交互服務(wù)。利用該平臺(tái)能夠促進(jìn)養(yǎng)老服務(wù)更加智能化、科學(xué)化、創(chuàng)新化發(fā)展。