基于液態(tài)金屬RFID 居家養(yǎng)老安全的智能穿戴感知設(shè)計

王宇飛，徐微微，李汭洋，魏萌萌，國宇

（吉林工程技術(shù)師范學院，吉林長春，130052）

0 引言

近年來，中國老齡化社會問題日趨嚴峻，高齡化和空巢化的比重也逐年遞增，從數(shù)據(jù)分析占比來看現(xiàn)今發(fā)展趨勢是以家庭養(yǎng)老為主的養(yǎng)老監(jiān)護系統(tǒng)，但老年人的突發(fā)疾病是極為不穩(wěn)定的，對老年人的生命安全有著很大的安全隱患。保障老年人的健康監(jiān)管和安全防護，可大幅度降低醫(yī)療成本和提高國民健康素質(zhì)，推動社會經(jīng)濟的發(fā)展。因此，需要在老年人居家安全方面深入研究。

當前健康養(yǎng)老領(lǐng)域大多為視頻監(jiān)控，存在監(jiān)管不到位等問題，無法達到預(yù)期效果，而監(jiān)護服方面的研究多集中在人體生理指標信息采集方面，功能多，但衣物較笨重、成本較高，基于ARM、藍牙或云計算平臺等的遠程監(jiān)護系統(tǒng)相對成本較高，對居家環(huán)境有一定的要求。針對傳統(tǒng)可穿戴傳感器的弊端，目前最佳的解決方案是柔性電路打印技術(shù)。國內(nèi)清華大學劉靜博士在2011 年提出了液態(tài)金屬印刷電子技術(shù)，基于液態(tài)金屬的優(yōu)異電學性能，可以與紡織物、硅膠等柔性材料結(jié)合，解決了傳統(tǒng)傳感器設(shè)備體積過大、重量過重，受獲能方式的限制行動不易攜帶等問題，處于國際領(lǐng)先水平。2018 年，國內(nèi)出現(xiàn)了首枚UHF RFID 無源測溫傳感器。甚高頻RFID 的通信技術(shù)解決了可穿戴傳感器的能耗問題，大大延長可穿戴設(shè)備的工作時間。RFID 技術(shù)與傳感器相結(jié)合形成的新型的RFID 傳感器具有重量輕、可打印、低成本、無公害等一系列優(yōu)勢，非常適用于服裝上傳感器制造[1～5]。

本文研究一種基于無線射頻RFID 的可穿戴智能感知的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，由無線化、集成化、智能化實時監(jiān)測分析結(jié)果來協(xié)助監(jiān)測者根據(jù)監(jiān)測對象完成相應(yīng)的監(jiān)護目的，價格親民、易于穿著、性能穩(wěn)定、保養(yǎng)方便，可以廣泛應(yīng)用于我國的居家養(yǎng)老、社區(qū)監(jiān)護中，為提升我國居家養(yǎng)老的效率和質(zhì)量，有效解決個人、社區(qū)家庭等的養(yǎng)老問題，為國家提出的新的社會養(yǎng)老服務(wù)體系和“9073”養(yǎng)老服務(wù)格局提供支持。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究以健康物聯(lián)網(wǎng)為理論基礎(chǔ)，以柔性智能可穿戴RFID 技術(shù)在家庭中的健康養(yǎng)老為應(yīng)用領(lǐng)域，研究液態(tài)金屬智能居家養(yǎng)老服裝的信號傳輸及動作判別問題。監(jiān)護系統(tǒng)采用液態(tài)金屬打印技術(shù)設(shè)計可穿戴柔性無源傳感器，主要解決傳統(tǒng)的可穿戴傳感器的弊端如不舒適性，不能長時間監(jiān)測等弊端，制作出液態(tài)金屬標簽后利用轉(zhuǎn)印技術(shù)設(shè)計以衣物為基材的柔性傳感器，然后通過傳感器的數(shù)量、位置分布等采集監(jiān)護對象的動作參數(shù)，經(jīng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳遞給RFID 超高頻閱讀器，進行數(shù)據(jù)采集及處理；同時由STM32 控制器采集體溫、血氧、脈搏等相關(guān)生命信息；統(tǒng)計出的居家養(yǎng)老監(jiān)護對象人體動作特征參數(shù)如RSSI 定位信息等送到PC 處理器，形成智能感知系統(tǒng)，實時進行監(jiān)測分析，當體征信息異常時發(fā)出異常聲音報警，并進行顯示，協(xié)助監(jiān)護人完成相應(yīng)的監(jiān)測，保障老年人的健康監(jiān)測和安全防護，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 采集體征數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)

■2.1 血氧脈搏傳感器

采用MAX30102 集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測模塊，用于心率脈搏數(shù)據(jù)的實時采集。此傳感器用高度集成化工藝，包括紅光LED、紅外光LED、光電檢測器及低噪聲電子電路?？赏ㄟ^軟件關(guān)斷模塊，待機電流為零，可運用于低功耗產(chǎn)品中。它包括內(nèi)部發(fā)光二極管，光電探測器，光學元件，以及低噪音的電子設(shè)備。通過單片機接口對MAX30102 內(nèi)部的寄存器進行讀寫，得到轉(zhuǎn)換后的光強度數(shù)值，從而計算出心率值和血氧飽和度[6～7]。

MAX30102 脈搏傳感器技術(shù)指標：

LED 供電電壓：3.3～5V，LED 峰值波長器：660nm/880nm，通信接口電壓：1.9-3.3V-5V，檢測信號接口：I2C 接口，輸出低電平：小于0.2V，低功率心率監(jiān)測器(＜1mW)。

■2.2 體溫檢測傳感器

采用MAX30100 芯片體溫檢測模塊，具有體積較小，穩(wěn)定性可靠，可內(nèi)嵌到服裝或穿戴設(shè)備等特點，電壓極低保證了使用周期，該傳感器用來測溫的電路主體是橋式電路，其原理是根據(jù)內(nèi)部熱敏電阻阻值與輸出電壓變化判斷出使用者的體表溫度，其I2C 接口與外設(shè)的控制硬件進行串口相連，對寄存器運行參數(shù)和二極管的電流進行控制和調(diào)節(jié)。

3 感知定位模塊構(gòu)成

■3.1 定位組成

無線射頻識別有三部分：一是應(yīng)答器，可理解為標簽，以編碼格式存儲信息，內(nèi)置天線和耦合元件及芯片；二是應(yīng)用軟件，運用程序及算法對數(shù)據(jù)歸納處理；三是閱讀器，介于終端和標簽之間，負責與電子標簽進行雙向通信，受終端操控且與之串口交互通信。當閱讀器向標簽進行數(shù)據(jù)的調(diào)取與寫入，將調(diào)取后的數(shù)據(jù)進行處理發(fā)至系統(tǒng)終端，標簽承載的能力越強，它的頻率決定系統(tǒng)頻段、功率決定射頻范圍，可按系統(tǒng)要求改變其讀寫方式。

本感知定位模塊由射頻標簽、閱讀器和計算機系統(tǒng)組成。識別到的數(shù)據(jù)存于標簽，閱讀器經(jīng)過電磁場非接觸的向標簽的信息讀取通信，通過無線通信傳送到計算機，并進行數(shù)據(jù)匯總和處理，完成使用者的數(shù)據(jù)采集[8]。

定位組成包括lmpinj 遠場天線、Intel R1000 超高頻閱讀器、液態(tài)金屬RFID 無源標簽等。

（1）lmpinj 遠場天線，發(fā)射與接收獨立工作，射頻范圍為902～928MHz，中心頻率915MHz，與讀寫器通過同軸線纜直接連接，使用3 對天線，用于與R1000 的6 個端口連接進行時分復(fù)用式收發(fā)工作。

（2）閱讀器主要負責與電子標簽進行雙向通信，在RFID 系統(tǒng)中起到非常重要的作用，主要功能是對應(yīng)答器內(nèi)相關(guān)信息進行讀寫。Intel R1000 超高頻閱讀器是英特爾公司開發(fā)的一款開發(fā)平臺，其具有二次開發(fā)、小尺寸、功耗低、傳輸速率高等特點。它涵蓋了與標簽相互數(shù)據(jù)通信的所有要求，以STM32 控制器作為與主機通信的控制單元，標簽的工作頻率為860～960MHz。增加一個簡單的8 位單片機可構(gòu)建完整的RFID 讀卡器系統(tǒng)。包括一個集成的接收信號強度指示器（RSSI）指示I 和Q 信號，可測量傳入應(yīng)答機信號或外部射頻信號的功率。

（3）采用的RFID 標簽無源液態(tài)金屬標簽，其工作頻率為860MHz～960MHz（UHF 頻段），遵循ISO 18000-6C 標準，天線型號為AZ-9662，標簽采用H3 芯片，經(jīng)典的偶極子天線（Dipole Antenna），天 線 尺 寸17mm×70mm，含 盲 點讀取距離可達10m。

■3.2 RSSI 實現(xiàn)定位

射頻信號在傳播過程中，信號強度會隨著傳播距離的增大而減小。這種強度的衰減稱之為信號的路徑損耗，它與信號具體傳播環(huán)境有關(guān)。RSSI（Received signal strength indication）定位方式主要利用了無線射頻信號強度的空間衰減特性，而無線電傳播路徑損耗對RSSI 定位算法的定位精度有很大影響[9]?；赗FID 定位算法的實質(zhì)是通過將無線射頻信號的傳播距離與物理特征信號相關(guān)聯(lián)，得出實際傳播距離。

讀寫器天線發(fā)射的信號以球面波的形式傳播，因此常采用無線電傳播路徑損耗模型對信號進行分析即需要考慮空間介質(zhì)引起的路徑損耗以及噪聲影響，通常用的信號路徑損耗模型為：

其中，n 為代表路徑損耗隨距離增加的速率，即路徑損耗系數(shù)。d0為已知的遠處距離即參考距離，通常取1m，d表示信號發(fā)射端與接收端的距離，xσ為均值為0，方差為σ2的高斯隨機變量，一般取均值為0，方差為4～10。PL(d)表示天線發(fā)射的信號經(jīng)過距離d衰減之后的路徑損耗，則待測點的接收信號強度，即RSSI 值，單位是dB，如式(2)所示：

式中Pt為發(fā)送端的發(fā)射功率，當d0=1m時的RSSI0為：

未知標簽與閱讀器距離d即測距模型如式(4)所示：

RSSI為接收端接收信號強度的均值，單位是dB，在監(jiān)測者標簽所處區(qū)域中，設(shè)定明確標簽坐標作為參考值，當閱讀器與設(shè)備上的標簽和這些坐標標簽進行數(shù)據(jù)讀取時，判斷獲取到的場強值RSSI，處理后經(jīng)控制單元的數(shù)據(jù)處理，從而確定標簽坐標位置，實現(xiàn)定位。

軟件環(huán)境：操作系統(tǒng)選取Windows 11 系統(tǒng)，處理器為12th Gen Intel(R) Core(TM) i9-12900K 3.20 GHz，使用NVIDIA GeForce GTX 3090Ti 顯卡。

硬件環(huán)境：無線感知信道分析系統(tǒng)，頻率范圍為800MHz～1000MHz，實時帶寬為20 MHz，最大模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣率為200 MS/s；模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣精度為14 bits；z 識別信道為10 個。

整體工作流程如圖2 所示：首先由給各傳感器節(jié)點上電，進行傳感器數(shù)據(jù)的初始化，然后由各傳感器進行體征信息的采集，送到控制器進行存儲處理，接下來判斷接收端天線是否有射頻信號輸入，如果沒有信息輸入則跳回繼續(xù)采集，如果有信號輸入則讀取指令信號輸出數(shù)據(jù)，控制器接收交由計算機處理數(shù)據(jù)，當體征參數(shù)在健康范圍內(nèi)時，參數(shù)項白色填充，進行數(shù)據(jù)庫存儲，由顯示器進行參數(shù)顯示；當不在健康范圍內(nèi)時，參數(shù)項紅色填充，進行聲音報警處理，然后再存儲數(shù)據(jù)于數(shù)據(jù)庫中，由顯示器進行參數(shù)顯示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)檢測

本設(shè)計目的是實現(xiàn)傳感器能夠?qū)θ梭w健康信息擁有多元化讀取數(shù)據(jù)和感知信息，為了減少運行功耗，可拆分成正常對人體、對設(shè)備周圍環(huán)境、對使用者移動中人體三部分進行感知，搭建的硬件系統(tǒng)平臺，各設(shè)備具體功能如下：（1）節(jié)點，完成各測試節(jié)點的相關(guān)功能；（2）IPEX 同軸線，測試天線輸出信號；（3）頻譜儀，測試信號頻譜；（4）USB 線，提供設(shè)備供電；（5）串口線，燒寫程序；（6）PC 電腦，程序編寫、編譯、下載和信號處理；（7）示波器，查看各節(jié)點相關(guān)波形。

首先確認每個硬件單元與主控單元連接穩(wěn)定，考慮時間成本以調(diào)試體溫采集模塊效果作為整個采集單元的參考值，在建立連接上電后感知電路與主控電路及芯片先發(fā)送命令，感知模塊接到命令開始運行。經(jīng)過對節(jié)點硬件系統(tǒng)的測試，包括節(jié)點感知功能測試、信號的測試、通信能力等測試，完成測試平臺的搭建。

通過對數(shù)據(jù)調(diào)用的處理運算可達到理想程度，快速建立通信網(wǎng)絡(luò)，調(diào)試之后檢查是否存在出錯點位。建立網(wǎng)絡(luò)后所有相應(yīng)的數(shù)據(jù)都能在終端界面管理和存儲，數(shù)據(jù)信息接收圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)信息接收圖

當進行環(huán)境感知功能時，利用溫濕度芯片進行溫濕度數(shù)據(jù)的感知；當進行體征感知功能時，利用血氧脈搏檢測傳感器芯片實現(xiàn)血氧脈搏的采集；當進行運動檢測功能，利用標簽定位感知，完成節(jié)點定位，對接收到的信息以坐標及經(jīng)緯度形式顯示和存儲，所有接收的數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫；在終端對各項數(shù)據(jù)的閾值進行設(shè)定，就能以此對異常身體數(shù)據(jù)預(yù)警，當身體某項數(shù)據(jù)大于閾值則這項數(shù)據(jù)會變成紅色，最終達到預(yù)警的效果，在系統(tǒng)上實現(xiàn)全部設(shè)計的功能。

5 結(jié)束語

在系統(tǒng)的設(shè)計中，考慮到我國養(yǎng)老建設(shè)體系匱乏與大多數(shù)老年人養(yǎng)老問題的巨大需求現(xiàn)狀，結(jié)合對國內(nèi)外無線監(jiān)護系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與技術(shù)成果，研究一種基于液態(tài)金屬RFID的可穿戴智能感知技術(shù)，主要從人體隨身攜帶的多個便攜式傳感器采集終端得到采集信息，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄芙K端，經(jīng)過實時分析和智能判斷監(jiān)測體征信息情況，當有異常數(shù)值時觸發(fā)閾值報警，最后將實時數(shù)據(jù)和報警信息傳輸?shù)奖O(jiān)護平臺，保障了對目標信息提取和傳輸?shù)耐暾?。?jīng)過綜合測試來看，其運行穩(wěn)定、系統(tǒng)集成度高、適配能力強、佩戴簡單行動方便，可以提高信息判斷的正確率，既能獲取較為準確的體征參數(shù)，也避免設(shè)備植入或體檢采樣給老人帶來的身心痛苦，對居家養(yǎng)老人群帶來許多便利，有很好的應(yīng)用市場前景。