居家養(yǎng)老視角下老人過(guò)久離床監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李建軍

關(guān)鍵詞：居家養(yǎng)老；睡眠監(jiān)測(cè)；變異系數(shù)；過(guò)久離床；SOS；健康預(yù)警

0 引言

研究表明，我國(guó)現(xiàn)有60 歲以上的老年人已達(dá)2.4億人，占總?cè)丝诘?4.7%，顯示我國(guó)已進(jìn)入老齡化階段[1]。隨著人口老齡化的加劇，夜間離床現(xiàn)象已成為老年人生活中常見(jiàn)的問(wèn)題之一，70% 以上有獨(dú)居老人的家庭存在居家監(jiān)管難、意外處理不及時(shí)、離床后發(fā)病無(wú)人知曉等隱患[2]。特別對(duì)于子女遠(yuǎn)在異地的獨(dú)居空巢老人，夜間發(fā)生異常離床時(shí)，如何及時(shí)有效的通知到遠(yuǎn)程的子女，越來(lái)越得到社會(huì)的關(guān)注和重視。

已進(jìn)行了多項(xiàng)研究，其中一項(xiàng)研究提出了一種健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用智能手表監(jiān)測(cè)生命體征，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)提供警報(bào)[3]。也有研究提出了一種睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用壓力傳感器檢測(cè)床的壓力變化，并在發(fā)生任何異常行為時(shí)提供警報(bào)[4]。然而，這些系統(tǒng)沒(méi)有專門(mén)解決夜間長(zhǎng)時(shí)間離床的問(wèn)題以及沒(méi)有考慮老年人的正常離床睡眠習(xí)慣，可能會(huì)影響過(guò)久離床誤報(bào)或頻繁警報(bào)的情況發(fā)生。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的老年人夜間過(guò)久離床健康預(yù)警方案采用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)老年人的夜間離床情況進(jìn)行采集、分析和預(yù)警，主要設(shè)計(jì)有6 個(gè)模塊：分別是睡眠狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、主控MCU、電源模塊、flash 存儲(chǔ)模塊、Wi-Fi通訊模塊和SOS 報(bào)警模塊。具體來(lái)說(shuō)，我們?cè)诶夏耆舜矇|舒適層內(nèi)部靠近心臟區(qū)域位置安裝1 個(gè)睡眠狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，用于監(jiān)測(cè)老年人的離床狀態(tài)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)器連接。老年人發(fā)生夜間過(guò)久離床情況時(shí)，通過(guò)Wi-Fi 通訊模塊或SOS 報(bào)警模塊將過(guò)久離床消息傳入遠(yuǎn)程子女的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)提醒的功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1主控MCU

系統(tǒng)采用STM 公司的STM32F030C8 單片機(jī)作為主控MCU[5]，使用單片機(jī)自帶的多通道ADC、定時(shí)器、UART，GPIO 等資源，通過(guò)485 總線和睡眠狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊連接，查詢解析睡眠狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的監(jiān)測(cè)結(jié)果，同時(shí)在主控MCU 設(shè)備上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成，存儲(chǔ)；通過(guò)串口和Wi-Fi 模塊連接，把本地的睡眠狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議上傳到云端，實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)端App（Application，App）的同步顯示；通過(guò)串口和SOS 報(bào)警模塊連接，實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)端短信或手機(jī)撥號(hào)信號(hào)的提醒。

1.1.2 睡眠狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

睡眠狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊采用基于壓電薄膜技術(shù)的睡眠傳感帶[6]。壓電薄膜受到壓力的額作用時(shí)，其厚度發(fā)生變化，并隨之產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，這些電荷在薄膜的上下電極上積聚，從而產(chǎn)生與作用力大小相對(duì)應(yīng)的電荷。睡眠狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊安裝于床墊舒適層下方人體心臟區(qū)域位置，當(dāng)人體平躺在傳感帶上后，心臟跳動(dòng)的心沖擊信號(hào)和呼吸時(shí)的腹部活動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)變化到睡眠狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，通過(guò)算法得出當(dāng)前的用戶心率、呼吸等生命體征狀態(tài)，從而獲取用戶的在離床狀態(tài)信息。

1.1.3 Wi-Fi通訊模塊

Wi-Fi 技術(shù)是如今使用最廣泛的無(wú)線通信技術(shù)之一，具有低延時(shí)，連接穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，適合常在線穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。采用涂鴉智能WBR3 藍(lán)牙和Wi-Fi 二合一模塊，模塊兼容藍(lán)牙本地綁定連接設(shè)備和Wi-Fi 數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｍㄟ^(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)設(shè)備的本地Wi-Fi 綁定連接后，睡眠狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊采集老人的離床信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)主控MCU 進(jìn)行整合和對(duì)比，若出現(xiàn)過(guò)久離床情況，則會(huì)通過(guò)Wi-Fi 或SOS 報(bào)警模塊向手機(jī)發(fā)送遠(yuǎn)程消息提醒及時(shí)救助。

1.1.4 SOS報(bào)警模塊

當(dāng)出現(xiàn)過(guò)久離床達(dá)到一定情況時(shí)，通過(guò)SOS（SaveOur Souls，SOS）報(bào)警模塊[7] 實(shí)現(xiàn)主動(dòng)報(bào)警與異常狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警。SOS 報(bào)警器通過(guò)內(nèi)置的聯(lián)網(wǎng)模塊，快速接入涂鴉體系，將警報(bào)信息上傳云端，可遠(yuǎn)程通知相關(guān)人員，也可以通過(guò)聲音、光線向周?chē)l(fā)出報(bào)警，起到威懾、警示的作用。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1）獲取老年人最近正常夜間離床時(shí)間情況，確定正常離床時(shí)間離散變異性系數(shù)[8]。通過(guò)床墊傳感器獲取老年人最近的夜間離床時(shí)間情況。這些數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在云端數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后續(xù)分析和處理。為了確定較合適的過(guò)久離床數(shù)據(jù)離散變異性系數(shù)閾值，我們需要對(duì)老年人的正常離床時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。具體方法如下：

計(jì)算老年人最近每晚離床時(shí)間的離散變異性系數(shù)，作為過(guò)久離床時(shí)間數(shù)據(jù)離散變異性系數(shù)， 計(jì)算公式如下：變異系數(shù)C·V = （ 標(biāo)準(zhǔn)偏差SD/ 平均值Mean）×100%

2）對(duì)正常離床時(shí)間變異性系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，確定一組較合適的離散變異性系數(shù)閾值。過(guò)久離床離散變異性系數(shù)閾值的確定需要考慮老年人的個(gè)體差異、生理狀況等因素。一般來(lái)說(shuō)，離散變異性系數(shù)閾值可以根據(jù)老年人的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合老年人的生理狀況和行為習(xí)慣進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

3）根據(jù)過(guò)久離床的時(shí)間情況，通過(guò)遠(yuǎn)程消息或SOS 報(bào)警的方式通知異地的子女，從而達(dá)到不同情況下遠(yuǎn)程健康預(yù)警的目的。

4）調(diào)整優(yōu)化正常離床時(shí)間數(shù)據(jù)集

通過(guò)對(duì)老年人的離床時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，將過(guò)久離床時(shí)間段從正常離床時(shí)間數(shù)據(jù)集中刪除，將正常離床時(shí)間數(shù)據(jù)集進(jìn)行重新統(tǒng)計(jì)和分析，調(diào)整優(yōu)化正常離床時(shí)間數(shù)據(jù)集，以便更加準(zhǔn)確地判斷老年人的夜間離床情況。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖2 所示。

2 分析與討論

為了驗(yàn)證本文提出的老年人夜間過(guò)久離床健康預(yù)警方案的有效性，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)?zāi)M。實(shí)驗(yàn)采用睡眠傳感器作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過(guò)對(duì)5 名用戶的正常離床時(shí)間數(shù)據(jù)變異系數(shù)進(jìn)行分析，分別按4 倍和6 倍正常離床時(shí)間數(shù)據(jù)變異系數(shù)，得到過(guò)久離床消息提醒預(yù)測(cè)時(shí)間和過(guò)久離床SOS 報(bào)警預(yù)測(cè)時(shí)間，得到了以下結(jié)果：

1）不同用戶由于生活習(xí)慣或其他因素的影響，正常離床時(shí)間是不一樣，過(guò)久離床預(yù)測(cè)時(shí)間也不一樣，可以解決不同用戶對(duì)過(guò)久離床時(shí)間方案的個(gè)性化需求；

2）通過(guò)基于對(duì)正常離床時(shí)間數(shù)據(jù)變異系數(shù)倍數(shù)的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)久離床靈敏度效果的優(yōu)化；

3）根據(jù)用戶夜間過(guò)久離床的時(shí)間情況程度，通過(guò)消息或SOS 報(bào)警的方式通知遠(yuǎn)程終端，可以提醒用戶的離床健康狀況。具體測(cè)試數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)果如表1 所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的一種老年人夜間過(guò)久離床健康預(yù)警方案，可以實(shí)現(xiàn)家居場(chǎng)景對(duì)不同老年人夜間離床情況進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，對(duì)于保障老年人的身體健康具有重要的意義。未來(lái)，該方案的技術(shù)細(xì)節(jié)、預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性還可以得到進(jìn)一步的提高和優(yōu)化，如結(jié)合老年人的其他生理指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷，在閾值優(yōu)化等場(chǎng)景采取靈活的調(diào)整策略，又如基于深度學(xué)習(xí)的夜間離床預(yù)測(cè)模型等，以進(jìn)一步提高老年人夜間離床的監(jiān)測(cè)和預(yù)警效果。