分布式智能養(yǎng)老系統(tǒng)的開發(fā)與應用

李常迪, 邵一川*, 陳醉涵, 曹 勇

(1. 沈陽大學 信息工程學院, 遼寧 沈陽 110044; 2. 中國醫(yī)科大學 附屬盛京醫(yī)院, 遼寧 沈陽 110023)

隨著中青年人生活節(jié)奏的加快、跨地域職業(yè)流動的加速、生活方式的變化、獨生子女政策的推行及傳統(tǒng)的家庭結構趨向小型化,老人無人看護已成為突出的社會問題[1].由于沈陽市的人口老齡化超前于經濟社會的現(xiàn)代化,社會養(yǎng)老能力積累極為有限,雖然老齡化人口在不斷增加,但是養(yǎng)老監(jiān)護所需的基礎設施建設和相關服務的提供卻不能滿足社會需求[2].基于此,老年人的看護問題已逐漸成為老齡保障工作中一個亟待解決的嚴重問題[3],而退休老人的生活自理能力和經濟狀況普遍會隨著年齡的增大而降低,因此養(yǎng)老院成為了很多老人理想的養(yǎng)老場所.但目前沈陽市的養(yǎng)老院投入不足,服務質量不高,人員配備不足,管理人員往往不能對每位老人做到實時看護,傳統(tǒng)的養(yǎng)老服務設施也遠不能滿足看護老人的需要,老齡人口的增加和對老人高質量看護的要求給沈陽市傳統(tǒng)養(yǎng)老院的養(yǎng)老服務帶來很大的壓力[4].基于上述迫切需求,本文以老人信息的采集、集中處理和分散服務為主線,以聚集養(yǎng)老資源、提供養(yǎng)老看護服務為手段,以支撐沈陽市養(yǎng)老體系智能化、科技化發(fā)展戰(zhàn)略為目標,綜合運用物聯(lián)網RFID技術、分布式數據庫、面向服務的SOA、信息通信、短信服務、醫(yī)療云計算[5]等技術,建立起分布式智能養(yǎng)老系統(tǒng).

1 構成體系

系統(tǒng)依托物聯(lián)網RFID技術,以RFID腕帶標簽信息的采集、集中處理和分散服務為主線,打造RFID集成管理平臺、視頻監(jiān)控聯(lián)動、養(yǎng)老院SOA服務集成系統(tǒng)、醫(yī)療云計算平臺健康預警、短信服務平臺等五大平臺,聚集養(yǎng)老院管理信息資源,向分布式智能養(yǎng)老看護系統(tǒng)中的老人、管理者、老人家人、民政部門提供緊急呼叫、視頻聯(lián)動、人員定位、生理監(jiān)測、短信提醒、地區(qū)養(yǎng)老情況檔案等服務,實現(xiàn)養(yǎng)老看護、養(yǎng)老院管理、民政局監(jiān)督等各個環(huán)節(jié)信息的融會貫通和深度應用,為沈陽市養(yǎng)老體系的科技化改造提供全方位支撐,促進養(yǎng)老產業(yè)的轉型升級和創(chuàng)新發(fā)展.系統(tǒng)平臺架構如圖1所示.

圖1 分布式智能養(yǎng)老看護系統(tǒng)架構Fig.1 Distributed intelligent elderly care system architecture

1.1 RFID集成管理平臺

1.1.1 RFID定位系統(tǒng)

RFID定位系統(tǒng)包括數據通訊、數據處理、地理信息系統(tǒng)等多個模塊.利用該系統(tǒng)能夠完成檢測范圍內老人位置的實時定位.利用上層模型能夠對檢測范圍內的老人數量和位置分布情況進行統(tǒng)計和分析,可以在任意時間段完成對老人行動軌跡的查看跟蹤和位置查詢.RFID系統(tǒng)的人員定位模塊應具備較好的交互性,才能實現(xiàn)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動任務,以完成被監(jiān)測人員的跟蹤定位活動.當老人發(fā)生危險時,養(yǎng)老院工作人員可以調動該系統(tǒng)發(fā)揮指導作用,為老人身體健康提供保障.

1.1.2 建立RFID中間件數據融合模型

用于支撐RFID系統(tǒng)運行的應用軟件有多種類型,不僅有在標簽和閱讀器上運行的軟件,還包括介于閱讀器和養(yǎng)老院管理系統(tǒng)之間的中間件,這些都是RFID系統(tǒng)的重要組成部分.其中中間件的主要任務是過濾閱讀器發(fā)出的與標簽相關的事件及數據,在完成過濾任務后進行匯集和計算任務.閱讀器和養(yǎng)老院管理系統(tǒng)之間的信息傳遞含有大量的原始數據,配備中間件能夠達到減少數據并提取有用信息的目的.因此中間件是RFID系統(tǒng)的神經中樞,是RFID應用框架中的重要環(huán)節(jié),它負責RFID硬件以及配套設備的信息交互與管理,同時作為一個軟硬件集成的橋梁,完成與上層復雜應用的信息交換.

1.1.3 面向服務請求的RFID數據容錯控制

由于RFID系統(tǒng)具有不穩(wěn)定性(如設備故障,讀寫錯誤,數據傳輸錯誤等),當上層應用系統(tǒng)向RFID系統(tǒng)請求服務(下行)或RFID系統(tǒng)向上層應用系統(tǒng)傳輸數據時(上行),有可能導致請求服務和數據傳輸失敗[6].為此,研究面向服務的RFID系統(tǒng)數據容錯控制技術,主要內容如下.

1) 基于服務請求的容錯模型的建立.為有效地建立容錯控制機制,實現(xiàn)對上行和下行服務請求的有效管理,同時簡化容錯控制實現(xiàn)的難度,需要對服務請求過程中的數據、事件和通訊機制進行研究.重點研究基于服務的系統(tǒng)層次模型,即將系統(tǒng)服務層次模型劃分為系統(tǒng)元過程服務層、過程控制服務層和應用服務層,并進一步分析各層次的容錯特征,定義其層次結構,根據各層次的服務部署算法組件,制定和描述各層服務的接口規(guī)范,以及制定不同層次和各層次不同服務間的通訊機制.

2) 容錯控制規(guī)則的定義與建立.為有效地實現(xiàn)對元過程服務層、過程控制服務層和應用服務層的控制,需要分別針對這三層建立基于業(yè)務規(guī)則集的容錯控制規(guī)則知識庫,并建立基于XML格式的規(guī)則定義與描述方法.在此基礎上建立容錯控制規(guī)則引擎,針對不同業(yè)務流程的容錯控制規(guī)則進行解釋和推導,并通過對規(guī)則引擎進行優(yōu)化處理以適應RFID系統(tǒng)的實時性和不穩(wěn)定性等特點.

3) 基于容錯控制規(guī)則的RFID數據錯誤發(fā)現(xiàn)、補充與校正算法.在容錯控制規(guī)則的基礎上開展RFID數據錯誤發(fā)現(xiàn)、補充和校正算法的研究.為降低整個系統(tǒng)容錯控制機制的復雜性及冗余性,分別建立各層的效驗算法,各層的容錯算法映射其相應的服務層,并只對其映射的服務負責,層與層之間通過相應的接口實現(xiàn).

4) RFID數據容錯技術與控制機制.在RFID系統(tǒng)應用過程中,由于各種原因會導致相關的數據信息丟失、錯誤等.為有效解決這一問題,需要進行虛擬標簽技術、分布式數據共享技術以及容錯控制機制的研究.其中,在虛擬標簽技術方面,主要研究虛擬標簽的構建以及數據緩存、數據鏡像的實現(xiàn)技術;在分布式數據共享技術方面,主要研究將同一業(yè)務數據全部或部分部署到多個標簽上,通過數據冗余性屏蔽數據的讀寫或傳輸錯誤;在容錯控制機制方面,主要研究處理流程、事務處理的回溯和重啟機制等.

1.2 視頻監(jiān)控聯(lián)動平臺

在RFID系統(tǒng)與養(yǎng)老院管理系統(tǒng)集成中,在發(fā)生RFID數據整合困難的同時也可能存在RFID系統(tǒng)不能與視頻監(jiān)控平臺正常協(xié)同合作的情況.在發(fā)生突發(fā)狀況時,需要利用智能設備快速準確定位事故地點,利用RFID系統(tǒng)能夠激活視頻監(jiān)控系統(tǒng),并控制相應區(qū)域內的攝像頭切換到指定角度監(jiān)控現(xiàn)場畫面.由于基礎設施落后,目前大多養(yǎng)老院監(jiān)控系統(tǒng)并沒有接入RFID系統(tǒng),從而導致RFID系統(tǒng)與養(yǎng)老院監(jiān)控平臺無法達成信息的交流共享,RFID系統(tǒng)與視頻監(jiān)控平臺之間難以實現(xiàn)無縫集成和信息的高效利用與快速聯(lián)動[7].因此,RFID系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的兼并融合的實現(xiàn)變得尤為重要.

1.3 養(yǎng)老院SOA集成服務平臺

由于各個養(yǎng)老院的數據庫管理系統(tǒng)存在很大差別,老人的數據保存在分布的數據庫系統(tǒng)中,這些數據可以以各種不同的方式保存.必須對各養(yǎng)老院間不同結構的數據的集成工作進行研究,建立共享、一致的管理系統(tǒng).以確保不同系統(tǒng)、數據庫所提供數據的完整性、準確性.因此提出面向服務的集成系統(tǒng)來統(tǒng)一連接各個養(yǎng)老院數據庫.

1.4 醫(yī)療云平臺

設計資源松弛融合模型的醫(yī)療云平臺.提出面向流程定制的云服務中間件系統(tǒng),以物聯(lián)網和云計算的融合為方向,即兩化融合,以完成整合各種資源松弛融合模型為目的,重點研究分析了服務云的核心標準服務插件層的關鍵技術[8].基于生理特征數據采集腕帶標簽以及自適應小波變換的心率監(jiān)測信號優(yōu)化處理方法,構建醫(yī)療云網絡數據融合模型,從而有效地過濾讀寫器錯誤的監(jiān)測數據,并顯著提高監(jiān)測精度.采用模糊聚類分析方法設計醫(yī)療云數據融合模型,并結合自適應小波變換的心率監(jiān)測信號優(yōu)化處理方法,過濾讀寫器錯誤的監(jiān)測數據,評價和分析“分布式智能養(yǎng)老看護系統(tǒng)”的執(zhí)行效能與工作質量.醫(yī)療云計算平臺結構見圖2.

圖2 醫(yī)療云計算平臺結構Fig.2 Structure of medical cloud computing platform

醫(yī)療云計算健康預警支持是將建立醫(yī)療云計算模型形成私有云,所有的分布式養(yǎng)老院SOA服務集成系統(tǒng)中的老人都會共享該云計算環(huán)境所提供的健康預警,從而可以判斷養(yǎng)老院管理系統(tǒng)中每個老人的身體狀況,項目中建立的醫(yī)療云是以服務方式提供的,它先將健康預警系統(tǒng)虛擬化,然后服務化.

1.5 短信服務平臺

該平臺為系統(tǒng)與被看護者家屬進行連接的模塊,主要負責定期向老人的家屬發(fā)送老人身體健康各項數據,當監(jiān)測到老人身體出現(xiàn)異常情況會向老人家屬發(fā)送預警短信,以提醒家屬關注老人身體異常情況,及時發(fā)現(xiàn)健康問題并予以解決.同時,平臺也能接收老人家屬針對老人身體健康的詢問短信,平臺能夠自動根據系統(tǒng)檢測數據完成對老人健康情況的反饋任務.

2 技術支撐

2.1 非接觸式生理特征數據采集腕帶

數據采集腕帶----智能手環(huán),主要用于采集被測老人的生理特征指標.手環(huán)采用反射式光路測量的方式,將2個不同波長的發(fā)光二極管(630 nm,940 nm)和光敏器件(光電二級管)置于人體同一側,設計實現(xiàn)可穿戴反射式探頭[9],反射式探頭能夠實現(xiàn)對人體的光電容積脈搏波(PPG)信號的實時監(jiān)測,其低功耗、微型化的PPG信號采集檢測模塊輸出適合幅值的PPG信號直流基線和交流分量,系統(tǒng)采用的實時測量算法能夠從PPG信號中提取出動脈血氧飽和度和實時心率信息.首先該算法通過周期移動平均濾波器完成對PPG信號的預處理;血氧飽和度測量算法通過雙波長PPG信號移動平均得到直流基線,采用差分算法計算信號交流分量.實時心率測量算法的優(yōu)點在于將自適應窗函數和優(yōu)化后的微分閾值法進行結合來實現(xiàn)心率的計算.反射式脈搏血氧動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),目標是實現(xiàn)對動脈血氧飽和度和心率的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測,應用于分布式養(yǎng)老看護平臺中.智能手環(huán)樣式和原理分別如圖3、圖4所示.

(a) 腕帶正面(b) 腕帶背面

圖4 非接觸式生理特征數據采集原理Fig.4 Principle of non-contact physiological characteristics data acquisition

2.2 自適應尋峰小波閾值去噪算法的心率監(jiān)測信號處理方法

有研究者通過對比心率監(jiān)測中所涉及到的各種信號處理方法,如采樣與灰度值計算、小波去噪、信號尋峰、周期計算等.其中尤為細致地比較研究了小波閾值去噪算法在心率監(jiān)測軟件中的應用,并評估了各參數變化(如小波函數、閾值函數及閾值)對心率監(jiān)測的準確度影響,創(chuàng)新地提出了一種自適應小波變換去噪算法,將該算法應用到心率監(jiān)測任務中能夠大幅度提高測量準確度.

本文提出的自適應尋峰利用了有效點集中分布的特點.通常情況下,噪點的分布較為零散,且局部信號差異性小,該算法能夠通過設定局部模板大小LSIZE計算出符合約束條件的有效信號點.在遍歷完全部有效候選點后,通過簡單尋峰算法判斷心率信號中每個時間段內波峰的數量,該數值即為在該時間段內被測者心跳的次數,最后確定時間周期T.

2.3 基于Kinect數據特征收集巡診機器人

系統(tǒng)采用Kinect深度傳感器收集老人姿態(tài)信息,Kinect能夠很好地實現(xiàn)人體的識別和追蹤功能,具有較好的抗干擾能力,即使是在漆黑的夜晚一樣可以正常運行,見圖5.它具有較高的反應速度,可以及時獲得老年人當前運動的信息,在跌倒的第一時間報警.系統(tǒng)還設計了面部識別功能,面部識別可以清楚地識別出監(jiān)控范圍中人體當前的表情是高興、悲傷、痛苦或是驚訝,極大增加了老年人的安全保障,并且可以提醒監(jiān)護人.

圖5 特征收集巡診機器人Fig.5 Feature collection and inspection robot

3 應用場景

智能養(yǎng)老系統(tǒng)打造智慧養(yǎng)老應用主要涵蓋安全防護類、照護服務類、健康服務類和情感關愛類4個類別.這些場景有些是亟待解決的,比如認知癥老人防走失、老年人臥床護理等場景;分布式智能養(yǎng)老看護系統(tǒng)可以讓更多人知道“老人需要什么”,系統(tǒng)為老年人提供實時、快捷、高效、低成本,同時具備物聯(lián)化、互聯(lián)化、智能化特征的養(yǎng)老服務[10].此外,智慧養(yǎng)老產品和服務要以幫助老年人“賦能”為前提,不能簡單替代他們尚存的生活能力,而是增強老年人自理能力,提升他們的生活品質.

場景1 面向認知障礙老人的防走失場景

非接觸式生理特征數據采集腕帶方便易用、老人接受度高、成本低、定位準確、后臺支持成本低的防走失解決方案.

場景2 老年人臥床護理場景

非接觸式生理特征數據采集腕帶可以實時采集老人的生理數據,監(jiān)測睡眠質量、翻身檢測、呼吸心跳檢測,甚至離床檢測等功能.

場景3 老年人緊急救援場景

非接觸式生理特征數據采集腕帶可以提前預警老人身體狀況,并且在自主救援場景中,提供緊急按鈕,老人使用方便、操作簡單、服務精準.老人發(fā)生緊急情況能及時被監(jiān)測到,發(fā)出報警信息并通知到監(jiān)護人或其他指定人員,便于第一時間發(fā)現(xiàn)并實施救助.

場景4 機構出入管控場景

大型養(yǎng)老機構人員進出管控的解決方案.綜合特征收集巡診機器人、非接觸式生理特征數據采集腕帶、醫(yī)療云平臺等方便聚集性老人的管理.

本系統(tǒng)通過細化需求點,制定養(yǎng)老系統(tǒng)規(guī)范、監(jiān)督產品質量.本系統(tǒng)已經在多家養(yǎng)老機構部署并實施,而且與多個養(yǎng)老院簽署了合作協(xié)議,隨著更多養(yǎng)老機構的加入,分布式智能養(yǎng)老系統(tǒng)正在構建養(yǎng)老統(tǒng)一化管理體系,打造先進的智能化養(yǎng)老服務示范平臺,并實現(xiàn)養(yǎng)老體系各個環(huán)節(jié)信息的融會貫通和深度應用,為《沈陽市老齡事業(yè)發(fā)展十一五規(guī)劃》目標提供全方位支撐,系統(tǒng)有力推動“政府指導、多方協(xié)同、擇優(yōu)部署、試點推廣、應用牽引、 深度融合、技術創(chuàng)新、多方共贏”的模式,促進了我市養(yǎng)老體系的智能化轉型和創(chuàng)新發(fā)展.

4 系統(tǒng)創(chuàng)新

“分布式智能養(yǎng)老看護系統(tǒng)”可以拓寬到為社區(qū)居民提供實時動態(tài)健康管理及醫(yī)護服務的智慧社區(qū)健康云平臺.系統(tǒng)開設云端健康賬號,老人通過手機可以在“云端”實時查看自己的血糖值和血壓值.系統(tǒng)可以更有效地進行居家養(yǎng)老服務和社區(qū)健康服務.社區(qū)居民在家就能進行健康指標的日常檢測,檢測結果由系統(tǒng)自動獲取,自動遠程傳輸,云計算平臺自動分析數據并實時自動反饋到社區(qū)衛(wèi)生中心、居家養(yǎng)老服務站、社區(qū)居民本人或家屬.從而實現(xiàn)智能交互的健康信息管理和廣泛物聯(lián)的社區(qū)智能醫(yī)護服務[11].

可穿戴物聯(lián)網的推動是實現(xiàn)人與社會和諧發(fā)展的重要技術手段,通過可穿戴設備物聯(lián)網新技術的推廣,可提高養(yǎng)老、醫(yī)療及其相關產業(yè)的發(fā)展,可培養(yǎng)一大批可穿戴設備物聯(lián)網專業(yè)的工程技術人員,推進可穿戴設備進入養(yǎng)老領域,實現(xiàn)環(huán)境與人、經濟乃至整個社會的和諧發(fā)展.建立分布式智能養(yǎng)老看護系統(tǒng),可吸引各界對于社會化養(yǎng)老的重視、關注和積極探索,同時通過示范,在全社會樹立起良好的尊老敬老的風尚.

5 結 語

分布式智能養(yǎng)老看護系統(tǒng)通過將物聯(lián)網技術、RFID技術、醫(yī)療云平臺技術相結合,打造智慧養(yǎng)老示范.系統(tǒng)通過給老人佩戴非接觸式生理特征采集腕帶,完成老人健康數據的采集,通過設計特征收集機器人完成養(yǎng)老機構中對老人健康數據的實時收集,再將收集到的數據上傳至醫(yī)療云平臺進行儲存和分析.當老人身體出現(xiàn)異常情況時系統(tǒng)將發(fā)出預警,同時以短信的形式向老人的親屬發(fā)送身體異常提醒.該系統(tǒng)已在多個養(yǎng)老機構進行部署運行,結果表明,利用該系統(tǒng)能夠替代部分人工看護工作,且能更高效、準確地實現(xiàn)老人健康的實時監(jiān)測任務.