基于物聯(lián)網(wǎng)的空巢老人居家看護(hù)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

徐利謀　黃長(zhǎng)遠(yuǎn)

摘要：為解決老齡化社會(huì)帶來(lái)的空巢老人無(wú)法得到全方位看護(hù)的問(wèn)題，文章構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的空巢老人看護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人日常生活和突發(fā)狀況，為家庭和社會(huì)提供了便利。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；空巢老人；看護(hù)系統(tǒng)

隨著中國(guó)老齡化進(jìn)程的加速，養(yǎng)老問(wèn)題成為家庭和社會(huì)面臨的重大困難。子女因?yàn)楣ぷ?、學(xué)習(xí)等因素影響無(wú)法在老人身邊照顧其生活起居，空巢老人的數(shù)量不斷增加。目前國(guó)內(nèi)養(yǎng)老保障體制不健全，社會(huì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)服務(wù)不完善，不能滿(mǎn)足家庭和社會(huì)養(yǎng)老的需求?？粘怖先艘蛏砗托睦淼葐?wèn)題逐漸弱化，會(huì)有很多的意外情況發(fā)生，如何保障空巢老人的身體健康和生活質(zhì)量已經(jīng)成為家庭和社會(huì)的一個(gè)急需解決的問(wèn)題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展，在空巢老人養(yǎng)老服務(wù)中嵌入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為可能，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到空巢老人看護(hù)過(guò)程中有助于緩解家庭和社會(huì)面臨的照顧困難。在深入研究無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微控制器技術(shù)等相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的空巢老人看護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)可全方位檢測(cè)老人日常生活和突發(fā)狀況，并對(duì)不同狀況進(jìn)行傳輸和報(bào)警求助，使得監(jiān)護(hù)人或養(yǎng)老機(jī)構(gòu)第一時(shí)間獲取老人的危險(xiǎn)狀況，以便采取緊急措施以降低傷害，為家庭和社會(huì)提供了便利。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的空巢老人居家看護(hù)系統(tǒng)由無(wú)線(xiàn)終端、控制中心和監(jiān)管平臺(tái)三部分組成。無(wú)線(xiàn)終端和控制中心的數(shù)據(jù)通信通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，控制中心和監(jiān)管平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

無(wú)線(xiàn)終端是系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來(lái)源，通過(guò)無(wú)線(xiàn)跌倒監(jiān)測(cè)、活動(dòng)監(jiān)測(cè)、無(wú)線(xiàn)煤氣和火災(zāi)監(jiān)測(cè)等模塊傳感器獲取不同的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析和傳輸。

控制中心是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集分析、數(shù)據(jù)和命令的傳輸以及應(yīng)急處理等功能。

監(jiān)管平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)空巢老人突發(fā)狀況的應(yīng)急處理。監(jiān)管平臺(tái)在獲得無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)來(lái)的求助信號(hào)后，提醒社區(qū)工作人員和監(jiān)護(hù)人危險(xiǎn)情況，以便及時(shí)做出應(yīng)急反應(yīng)。

2 無(wú)線(xiàn)終端模塊設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線(xiàn)跌倒監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)跌倒監(jiān)測(cè)模塊主要由微處理器電路（STM32F103芯片）、加速度傳感器電路（MPU-6050芯片）、短距離無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路（CC2530F256）、集成電路和人機(jī)接口電路等部分組成。無(wú)線(xiàn)跌倒監(jiān)測(cè)模塊采用加速度傳感器獲取空巢老人活動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，由跌倒監(jiān)測(cè)算法判斷老人是否跌倒，判定結(jié)果通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

2.2 無(wú)線(xiàn)人體活動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

人體活動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊主要是圍繞CC2530芯片展開(kāi)，傳感器選擇具有全自動(dòng)感應(yīng)能力的HC-SR501芯片組。人體監(jiān)測(cè)模塊設(shè)定在空巢老人經(jīng)?；顒?dòng)的區(qū)域及時(shí)獲取不同位置老人的活動(dòng)數(shù)據(jù)。如果監(jiān)測(cè)到老人長(zhǎng)時(shí)間未活動(dòng)，系統(tǒng)將不同位置老人活動(dòng)數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)的方式傳輸?shù)娇刂浦行?，控制中心按照預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和應(yīng)急處理。

2.3 無(wú)線(xiàn)煤氣及火災(zāi)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

煤氣探測(cè)模塊主要由AT89C51單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、MQ-5型煙霧傳感器等部分組成?；馂?zāi)探測(cè)模塊主要由ATMega128芯片、DSl302芯片、MAX811芯片等部分組成。無(wú)線(xiàn)煤氣及火災(zāi)檢測(cè)模塊按照設(shè)定的閾值對(duì)煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞑杉降膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值范疇時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出30秒警報(bào)，當(dāng)警報(bào)未人工解除時(shí)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，由控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總、分析和進(jìn)一步的數(shù)據(jù)。無(wú)線(xiàn)煤氣檢測(cè)及火災(zāi)檢測(cè)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 控制中心設(shè)計(jì)

控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，主要負(fù)責(zé)匯集來(lái)自無(wú)線(xiàn)終端的各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合控制流程和基本算法對(duì)老人跌倒?fàn)顟B(tài)、活動(dòng)情況或煤氣及火災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并完成不同狀況的內(nèi)容顯示、傳輸模式選擇和突發(fā)狀況應(yīng)急處理等功能的設(shè)置，當(dāng)老人居所發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)生警報(bào)并通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到監(jiān)管平臺(tái)中的工作人或監(jiān)護(hù)人，以提醒工作人員或監(jiān)護(hù)人盡快完成突發(fā)狀況的處理，盡可能地降低事故風(fēng)險(xiǎn)?？刂浦行闹饕晌⒖刂破?、GSM通信模塊、ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊、信息顯示、警報(bào)裝置等部分組成?？刂浦行挠布Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

4 監(jiān)管平臺(tái)設(shè)計(jì)

監(jiān)管平臺(tái)主要負(fù)責(zé)老人生活狀況的監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示空巢老人的生活狀況和室內(nèi)環(huán)境。監(jiān)控平臺(tái)的終端一方面可安裝在社區(qū)或居住小區(qū)的物業(yè)管理中心，通過(guò)電腦終端進(jìn)入監(jiān)控和管理平臺(tái)，監(jiān)控空巢老人的日常起居，當(dāng)系統(tǒng)控制中心向監(jiān)控平臺(tái)傳輸突發(fā)狀況警報(bào)時(shí)，監(jiān)控平臺(tái)自動(dòng)彈出警報(bào)界面并發(fā)出聲音警報(bào)；另一方面可以通過(guò)手機(jī)APP形式安裝在老人親屬手機(jī)，監(jiān)護(hù)人可以查看老人的生活狀態(tài)以及接收老人居所發(fā)出的警報(bào)信息，方便監(jiān)護(hù)人更好地看護(hù)空巢老人。

5 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)傳輸模塊中選用的ZigBee芯片是美國(guó)TI公司的CC2530。CC2530是基于2.4GHz IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE上的一個(gè)SOC解決方案。該芯片結(jié)合了具有良好的兼容性、代碼預(yù)取功能的低功耗8051CPU，256K可編程閃存、8kb SRAM以及許多其他模塊的強(qiáng)大功能，具備在各類(lèi)供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力，支持硬件調(diào)試功能。

系統(tǒng)中的GSM模塊選用的是SIM900A。SIM900A是緊湊型、高可靠性的無(wú)線(xiàn)模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿(mǎn)足低成本、緊湊尺寸的開(kāi)發(fā)要求。SIM900A能滿(mǎn)足M2M幾乎所有應(yīng)用要求，能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。其支撐的技術(shù)平臺(tái)能提供從產(chǎn)品定義到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的服務(wù)支持。

根據(jù)各個(gè)模塊中的ZigBee節(jié)點(diǎn)的主要特性，系統(tǒng)采用Star型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由1個(gè)協(xié)調(diào)器和5個(gè)終端設(shè)備來(lái)構(gòu)建一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。將控制中心作為無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)的核心（主協(xié)調(diào)器），搭建一個(gè)新的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行管理；無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)模塊作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，加入此無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)整體上的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。

6 系統(tǒng)測(cè)試

在完成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及各模塊設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)的搭建、無(wú)線(xiàn)終端設(shè)備的加入測(cè)試。使用CC2530和SIM900A芯片組搭建了小型局域無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)數(shù)據(jù)傳輸模式和數(shù)據(jù)收發(fā)方式的設(shè)定，最后對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了連通性和實(shí)用性測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)傳輸性能良好，能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量。此外，設(shè)定不同的情形對(duì)老人跌倒監(jiān)測(cè)、活動(dòng)監(jiān)測(cè)、煤氣機(jī)火災(zāi)監(jiān)測(cè)等模塊的功能以及警報(bào)裝置進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)空巢老人居家看護(hù)系統(tǒng)整體運(yùn)行兼容性進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，各項(xiàng)功能均達(dá)到預(yù)期，系統(tǒng)兼容性和穩(wěn)定性良好。

7 結(jié)語(yǔ)

生活節(jié)奏加快和人口流動(dòng)頻繁使得空巢老人數(shù)量激增，空巢老人的照顧和看護(hù)成為許多家庭面臨的困難。為全方位監(jiān)控空巢老人的跌倒?fàn)顩r、活動(dòng)狀況和煤氣使用狀況及時(shí)發(fā)現(xiàn)老人面臨的危險(xiǎn)并做出應(yīng)急處理，文章設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的空巢老人居家看護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)看護(hù)系統(tǒng)中的硬件及相關(guān)軟件來(lái)完成對(duì)老年人的看護(hù)功能，能夠監(jiān)測(cè)老人的一些突發(fā)狀況，能夠?qū)Σ煌瑺顩r信息進(jìn)行傳輸和報(bào)警求助。