關天民，熊亮，馬宇飛

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028； 2.上海大學 法學院，上海 200444)*

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基于分布式壓力采集技術的養(yǎng)老監(jiān)護系統(tǒng)

關天民1，熊亮1，馬宇飛2

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028； 2.上海大學 法學院，上海 200444)*

通過對養(yǎng)老機構監(jiān)護問題需求分析，設計了一套基于分布式壓力采集技術的養(yǎng)老監(jiān)護系統(tǒng).系統(tǒng)利用柔性薄膜網(wǎng)格傳感器采集老人活動的壓力信息，通過單片機模塊分析處理，確認老人的狀態(tài)，并通過RS- 485總線通信將老人的狀態(tài)信息傳送到監(jiān)護中心，供監(jiān)護中心人員分析和監(jiān)測.

養(yǎng)老監(jiān)護；壓力分布；RS- 485通信總線；實時監(jiān)測

0 引言

目前我國已經(jīng)步入老齡化社會，人口老齡化現(xiàn)象嚴重.截至2012年底，我國老年人口總數(shù)達到了1.94億，占全國人口總數(shù)的14.3%，據(jù)預測可知，到2020年，我國65歲及以上的老年人口占全國人口總數(shù)的比重將達到11.92%[1].養(yǎng)老機構在養(yǎng)老服務體系中占據(jù)著非常重要的地位.目前，我國養(yǎng)老機構在監(jiān)護方面主要還是采用人工監(jiān)護的方式，護理人員無法實時掌握老人的動態(tài).針對這個問題，國內(nèi)外許多單位開展了智能養(yǎng)老監(jiān)護系統(tǒng)的研究[2- 6]，但這些系統(tǒng)存在著操作復雜、實時性差、妨礙活動、價格昂貴等問題，不符合我國養(yǎng)老監(jiān)護的需求.

針對上述問題，本文提出了一種基于分布式壓力采集技術的養(yǎng)老監(jiān)護系統(tǒng).該系統(tǒng)包括壓力信息采集、實時數(shù)據(jù)傳輸、老人行為分析和異常狀態(tài)警報等功能，具有結構簡單、操作方便、人性化、成本低等優(yōu)點.

1 系統(tǒng)架構設計

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對老人實時全面的監(jiān)護，系統(tǒng)主要由監(jiān)護終端、RS- 485總線通信、監(jiān)護中心三部分組成，其框圖如圖1所示.監(jiān)護終端是由傳感器、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及單片機模塊等組成，主要完成數(shù)據(jù)采集處理工作；RS- 485總線通信將各節(jié)的信號匯總并傳輸?shù)奖O(jiān)護中心；監(jiān)護中心主要對數(shù)據(jù)進行處理，包括老人狀態(tài)判斷顯示、數(shù)據(jù)存儲、異常狀態(tài)警報等.

圖1 監(jiān)護系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)由鋪設在床鋪、床鋪周圍及衛(wèi)生間門口的6片傳感器采集老人活動的壓力相關信息信號，經(jīng)調(diào)理電路處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送單片機模塊處理.傳感器采集的信號經(jīng)單片機模塊處理后，成為老人狀態(tài)數(shù)據(jù)串，將老人狀態(tài)數(shù)據(jù)串通過RS- 485總線通信傳送給監(jiān)護中心.監(jiān)護中心接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行解析、判斷和保存，若判斷老人狀態(tài)異常，則向護理人員發(fā)送警報信息.同時，可通過網(wǎng)絡平臺共享老人的狀態(tài)信息.

2 信號采集方案

系統(tǒng)采用柔性薄膜網(wǎng)格傳感器[7]進行信號采集，該傳感器由大量陣列分布的敏感單元組成，敏感單元感測得到壓力信號后，信號首先要經(jīng)調(diào)理電路處理，其中包括行列掃描電路和濾波放大電路，然后將處理后的信號送入A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送入單片機模塊進行匯總處理.圖2為壓力采集框圖.將所有壓敏單元采集的壓力信息集總起來則可以得到壓力分布狀態(tài)信息.

圖2 壓力采集框圖

如圖3為柔性薄膜網(wǎng)格傳感器安放位置，A區(qū)為頭頸部監(jiān)測區(qū)，B區(qū)為軀干監(jiān)測區(qū)，C區(qū)為下肢監(jiān)測區(qū)，D、E區(qū)為離床監(jiān)區(qū)，F(xiàn)區(qū)為衛(wèi)生間監(jiān)測區(qū).A、B、C三個監(jiān)測區(qū)的傳感器可將躺在床上老人側身、腿動等動作轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)信號調(diào)理，傳至單片機模塊處理.D、E監(jiān)測區(qū)用于監(jiān)測老人是否正常離床.F監(jiān)測區(qū)用于監(jiān)測老人是否如廁及是否正常離開衛(wèi)生間.六個監(jiān)測區(qū)共同協(xié)作使對老人的監(jiān)護更加可靠.六個監(jiān)測區(qū)采集的壓力信息匯總到單片機處理后，以數(shù)據(jù)串的形式通過RS- 485通信總線傳送到監(jiān)護中心.

圖3 監(jiān)測區(qū)分布示意圖

3 監(jiān)護系統(tǒng)設計

監(jiān)護系統(tǒng)軟件設計的主要功能是對整個監(jiān)護系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)與控制，實現(xiàn)監(jiān)護終端信息采集、處理、發(fā)送及監(jiān)護中心對數(shù)據(jù)的接收、處理、實時顯示與存儲，同時對老人出現(xiàn)異常狀況進行警報.系統(tǒng)的軟件設計主要包括監(jiān)護終端軟件設計和監(jiān)護中心軟件設計.

3.1 監(jiān)護終端軟件設計

監(jiān)護終端軟件設計主要由匯編語言和VB語言進行設計，用于完成壓力采集模塊的數(shù)據(jù)采集、單片機模塊的數(shù)據(jù)處理和串行口數(shù)據(jù)的發(fā)送等工作.壓力采集模塊數(shù)據(jù)采集程序主要是實現(xiàn)對六個監(jiān)測區(qū)進行順序采集及中斷等；單片機模塊的數(shù)據(jù)處理程序用于對六個監(jiān)測區(qū)采集的數(shù)據(jù)進行逐個分析，得出六個監(jiān)測區(qū)的壓力分布狀況，由六個監(jiān)測區(qū)的壓力分布狀況綜合分析，判斷出老人的狀態(tài)，并把老人的狀態(tài)信息以數(shù)據(jù)串發(fā)送.

系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)監(jiān)護終端的初始化，啟動六個監(jiān)測區(qū)的數(shù)據(jù)采集，采集完成后，將六個監(jiān)測區(qū)采集依次送入單片機模塊進行綜合處理，得出老人狀態(tài)數(shù)據(jù)，將老人狀態(tài)數(shù)據(jù)通過RS- 485通信總線發(fā)送到監(jiān)護中心計算機，數(shù)據(jù)發(fā)送完后，進行下一輪數(shù)據(jù)采集.監(jiān)護終端軟件流程如圖4所示.

圖4 監(jiān)護終端軟件流程圖

系統(tǒng)監(jiān)護終端在采集壓力分布信息的同時，對壓力分布信息進行分析，判斷出老人的狀態(tài)信息，主要是判斷覺醒狀態(tài)、睡姿狀態(tài)、離床狀態(tài)、異常滯留等老人狀態(tài)信息[8].圖5為監(jiān)護中心老人狀態(tài)查詢的軟件界面.

圖5 老人狀態(tài)查詢軟件界面

(1)覺醒狀態(tài)監(jiān)測

在床老人覺醒后坐起會導致A、B、C三個監(jiān)測區(qū)壓力分布發(fā)生變化.這種狀態(tài)下，A、C監(jiān)測區(qū)的壓力分布面積較小，壓力分布主要集中在B監(jiān)測區(qū)，通過軟件的分析對比，得出老人狀態(tài)為覺醒狀態(tài).

(2)睡姿狀態(tài)監(jiān)測

老人睡姿信息能夠通過對A、B、C三個監(jiān)測區(qū)壓力分布信息分析得出.A、B、C三個監(jiān)測區(qū)采集在床老人頭部、胸部、臀部和腿部等體壓信息，并將采集的體壓信息送入單片機模塊分析處理，根據(jù)在床老人人體與墊面接觸壓力的分布情況和接觸形狀，對照分析出老人的睡姿信息.同時，睡姿狀態(tài)的監(jiān)測為護理人員提供了一個判斷臥床老人是否需要幫助翻身以防褥瘡的參考.

(3)離床狀態(tài)監(jiān)測

離床狀態(tài)的監(jiān)測主要是通過D、E兩個監(jiān)測區(qū)來實現(xiàn)的.D、E監(jiān)測區(qū)分布在床左右兩側，老人離床必須經(jīng)過其中的一個監(jiān)測區(qū).正常離床情況下，老人是雙腳踩在監(jiān)測區(qū)，并離開監(jiān)測區(qū)；異常離床主要是老人落床、摔倒等狀況.連續(xù)的采集D、E監(jiān)測區(qū)的壓力分布信號，通過分析：壓力分布為雙腳形，面積較小，為老人正常離床；壓力分布面積較大且變化小，則為老人異常離床.

(4)異常滯留監(jiān)測

老人在衛(wèi)生間的滯留時間可作為老人狀態(tài)的一個參考，當老人在衛(wèi)生間的滯留時間超過限定滯留時間時，則為異常滯留.本系統(tǒng)采用F監(jiān)測區(qū)對滯留時間進行監(jiān)測，當老人進入衛(wèi)生間，F(xiàn)監(jiān)測區(qū)的傳感器采集到老人進入的信息并開始計時，當老人離開衛(wèi)生間，停止計時.計時過程中，若計時超過限定滯留時間，則判斷老人為異常滯留.

監(jiān)護終端監(jiān)測的上述狀態(tài)都以狀態(tài)數(shù)據(jù)串的形式傳送到監(jiān)護中心，供監(jiān)護中心實時監(jiān)控.

3.2 監(jiān)護中心軟件設計

監(jiān)護中心軟件主要由VB語言開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL sever 2000構成，分為監(jiān)護中心界面設計和監(jiān)護中心功能應用程序設計.

3.2.1 監(jiān)護中心界面設計

監(jiān)護中心界面是提供給監(jiān)護中心監(jiān)護人員使用的軟件界面，利用賬號密碼進行登錄，監(jiān)護人員可以對管理的所有老人的基本信息進行查看，修改，添加等管理.監(jiān)護人員通過監(jiān)護中心界面獲知老人的基本信息及老人實時狀態(tài)等相關信息.在界面設計時要充分根據(jù)老人狀態(tài)實時顯示、老人基本信息獲知、老人異常狀態(tài)提示等系統(tǒng)功能進行設計.

圖6為系統(tǒng)的主頁界面，其包含了系統(tǒng)的界面模塊.界面設計主要有以下幾個部分：登陸界面、注冊界面、信息管理界面、老人狀態(tài)顯示界面、狀態(tài)警報界面、監(jiān)護日志界面.

圖6 主頁軟件界面

3.2.2 監(jiān)護中心功能應用程序

監(jiān)護中心功能應用程序用于完成數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)分析、異常報警、老人狀態(tài)動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲等.監(jiān)護中心數(shù)據(jù)通信模塊一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待監(jiān)護終端數(shù)據(jù)傳送請求的到來，當有傳送請求到來，響應并接收數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫模塊中.數(shù)據(jù)處理模塊對監(jiān)護終端傳送來的數(shù)據(jù)進行分析，并將分析的結果顯示在計算機的屏幕上.當有老人異常狀態(tài)信息出現(xiàn)時，則在計算機上進行提示顯示，同時向相關護理人員進行短信警報.數(shù)據(jù)庫模塊記錄了監(jiān)護人員信息、老人基本信息和老人狀態(tài)信息，方便查詢，通過網(wǎng)絡平臺信息共享，可供遠程查詢.圖7是監(jiān)護中心功能程序流程圖.圖8是監(jiān)護中心實時監(jiān)護界面.

圖7 監(jiān)護中心功能程序流程

圖8 實時監(jiān)護軟件界面

4 結論

本文設計了一種基于分布式壓力采集技術的養(yǎng)老監(jiān)護系統(tǒng).系統(tǒng)的監(jiān)測是無捆綁、無粘貼的，減輕了老人的心理負擔.系統(tǒng)具有老人睡姿監(jiān)測、覺醒監(jiān)測、離床警告、異常滯留警告等功能.利用

該系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€養(yǎng)老院范圍內(nèi)的老人進行實時監(jiān)護，對老人出現(xiàn)的異常狀態(tài)進行短信警告，防止意外事故發(fā)生，提高對老人的監(jiān)護質(zhì)量，同時也減輕了護理人員的工作負擔.

系統(tǒng)對老人的基本監(jiān)護功能已實現(xiàn)，還存在很大的研究和改進空間.該系統(tǒng)將來可從以下幾個方面進行研究和改進：

(1)增加更多的生理參數(shù)采集，如老人的心率、血氧等.這樣可使對老人的監(jiān)護更加全面可靠;

(2)建立安全可靠的無線網(wǎng)絡.提高數(shù)據(jù)的傳輸速度和穩(wěn)定性;

(3)優(yōu)化監(jiān)護系統(tǒng)的人性化設計.

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Study of Elder Monitoring System based Distributed Pressure Collecting Technology

GUAN Tianmin1，XIONG Liang1，MA Yufei2

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China； 2.Law School，Shanghai University，Shanghai 200444,China)

Based on the requirement analysis of nursing institutions，a set of elder monitoring system is designed based on distributed pressure collecting technology.This system collects the pressure information of elder activities by using pressure sensor arrays.After processing the singlechip module，the situation of elders will be deermined,and the data of elders situation is transmited by RS- 485 bus to the community-monitoring-center where the community nurses check the signals.

elder monitoring；pressure distribution；RS- 485 bus；real-time monitoring

1673- 9590(2017)01- 0099- 04

2016- 01- 07

大連市科技計劃資助項目(2014A11GX043)

關天民(1963-),男，教授,博士，主要從事先進運動機構與康復機構理論與技術方面的研究

E-mail:gtm@djtu.edu.cn.

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