關(guān)天民，熊亮，馬宇飛

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.上海大學(xué) 法學(xué)院，上海 200444)*

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基于分布式壓力采集技術(shù)的養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

關(guān)天民1，熊亮1，馬宇飛2

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.上海大學(xué) 法學(xué)院，上海 200444)*

通過(guò)對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)監(jiān)護(hù)問(wèn)題需求分析，設(shè)計(jì)了一套基于分布式壓力采集技術(shù)的養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng).系統(tǒng)利用柔性薄膜網(wǎng)格傳感器采集老人活動(dòng)的壓力信息，通過(guò)單片機(jī)模塊分析處理，確認(rèn)老人的狀態(tài)，并通過(guò)RS- 485總線通信將老人的狀態(tài)信息傳送到監(jiān)護(hù)中心，供監(jiān)護(hù)中心人員分析和監(jiān)測(cè).

養(yǎng)老監(jiān)護(hù)；壓力分布；RS- 485通信總線；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0 引言

目前我國(guó)已經(jīng)步入老齡化社會(huì)，人口老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重.截至2012年底，我國(guó)老年人口總數(shù)達(dá)到了1.94億，占全國(guó)人口總數(shù)的14.3%，據(jù)預(yù)測(cè)可知，到2020年，我國(guó)65歲及以上的老年人口占全國(guó)人口總數(shù)的比重將達(dá)到11.92%[1].養(yǎng)老機(jī)構(gòu)在養(yǎng)老服務(wù)體系中占據(jù)著非常重要的地位.目前，我國(guó)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)在監(jiān)護(hù)方面主要還是采用人工監(jiān)護(hù)的方式，護(hù)理人員無(wú)法實(shí)時(shí)掌握老人的動(dòng)態(tài).針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多單位開(kāi)展了智能養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究[2- 6]，但這些系統(tǒng)存在著操作復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差、妨礙活動(dòng)、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，不符合我國(guó)養(yǎng)老監(jiān)護(hù)的需求.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于分布式壓力采集技術(shù)的養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng).該系統(tǒng)包括壓力信息采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、老人行為分析和異常狀態(tài)警報(bào)等功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、人性化、成本低等優(yōu)點(diǎn).

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)老人實(shí)時(shí)全面的監(jiān)護(hù)，系統(tǒng)主要由監(jiān)護(hù)終端、RS- 485總線通信、監(jiān)護(hù)中心三部分組成，其框圖如圖1所示.監(jiān)護(hù)終端是由傳感器、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及單片機(jī)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(hào)匯總并傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心；監(jiān)護(hù)中心主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括老人狀態(tài)判斷顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、異常狀態(tài)警報(bào)等.

圖1 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)由鋪設(shè)在床鋪、床鋪周?chē)靶l(wèi)生間門(mén)口的6片傳感器采集老人活動(dòng)的壓力相關(guān)信息信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送單片機(jī)模塊處理.傳感器采集的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)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(guò)RS- 485總線通信傳送給監(jiān)護(hù)中心.監(jiān)護(hù)中心接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、判斷和保存，若判斷老人狀態(tài)異常，則向護(hù)理人員發(fā)送警報(bào)信息.同時(shí)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)共享老人的狀態(tài)信息.

2 信號(hào)采集方案

系統(tǒng)采用柔性薄膜網(wǎng)格傳感器[7]進(jìn)行信號(hào)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(cè)得到壓力信號(hào)后，信號(hào)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(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再送入單片機(jī)模塊進(jìn)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(lái)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(cè)區(qū)，B區(qū)為軀干監(jiān)測(cè)區(qū)，C區(qū)為下肢監(jiān)測(cè)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(cè)區(qū).A、B、C三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)的傳感器可將躺在床上老人側(cè)身、腿動(dòng)等動(dòng)作轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理，傳至單片機(jī)模塊處理.D、E監(jiān)測(cè)區(qū)用于監(jiān)測(cè)老人是否正常離床.F監(jiān)測(cè)區(qū)用于監(jiān)測(cè)老人是否如廁及是否正常離開(kāi)衛(wèi)生間.六個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)共同協(xié)作使對(duì)老人的監(jiān)護(hù)更加可靠.六個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)采集的壓力信息匯總到單片機(jī)處理后，以數(shù)據(jù)串的形式通過(guò)RS- 485通信總線傳送到監(jiān)護(hù)中心.

圖3 監(jiān)測(cè)區(qū)分布示意圖

3 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要功能是對(duì)整個(gè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)與控制，實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)終端信息采集、處理、發(fā)送及監(jiān)護(hù)中心對(duì)數(shù)據(jù)的接收、處理、實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)老人出現(xiàn)異常狀況進(jìn)行警報(bào).系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)護(hù)終端軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)護(hù)中心軟件設(shè)計(jì).

3.1 監(jiān)護(hù)終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)終端軟件設(shè)計(jì)主要由匯編語(yǔ)言和VB語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于完成壓力采集模塊的數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)六個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行順序采集及中斷等；單片機(jī)模塊的數(shù)據(jù)處理程序用于對(duì)六個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)分析，得出六個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)的壓力分布狀況，由六個(gè)監(jiān)測(cè)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(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)護(hù)終端的初始化，啟動(dòng)六個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)采集，采集完成后，將六個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)采集依次送入單片機(jī)模塊進(jìn)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(guò)RS- 485通信總線發(fā)送到監(jiān)護(hù)中心計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)發(fā)送完后，進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)采集.監(jiān)護(hù)終端軟件流程如圖4所示.

圖4 監(jiān)護(hù)終端軟件流程圖

系統(tǒng)監(jiān)護(hù)終端在采集壓力分布信息的同時(shí)，對(duì)壓力分布信息進(jìn)行分析，判斷出老人的狀態(tài)信息，主要是判斷覺(jué)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(hù)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(jué)醒狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在床老人覺(jué)醒后坐起會(huì)導(dǎo)致A、B、C三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)壓力分布發(fā)生變化.這種狀態(tài)下，A、C監(jiān)測(cè)區(qū)的壓力分布面積較小，壓力分布主要集中在B監(jiān)測(cè)區(qū)，通過(guò)軟件的分析對(duì)比，得出老人狀態(tài)為覺(jué)醒狀態(tài).

(2)睡姿狀態(tài)監(jiān)測(cè)

老人睡姿信息能夠通過(guò)對(duì)A、B、C三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)壓力分布信息分析得出.A、B、C三個(gè)監(jiān)測(cè)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(jī)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(duì)照分析出老人的睡姿信息.同時(shí)，睡姿狀態(tài)的監(jiān)測(cè)為護(hù)理人員提供了一個(gè)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(cè)

離床狀態(tài)的監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)D、E兩個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的.D、E監(jiān)測(cè)區(qū)分布在床左右兩側(cè)，老人離床必須經(jīng)過(guò)其中的一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū).正常離床情況下，老人是雙腳踩在監(jiān)測(cè)區(qū)，并離開(kāi)監(jiān)測(cè)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(cè)區(qū)的壓力分布信號(hào)，通過(guò)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(cè)

老人在衛(wèi)生間的滯留時(shí)間可作為老人狀態(tài)的一個(gè)參考，當(dāng)老人在衛(wèi)生間的滯留時(shí)間超過(guò)限定滯留時(shí)間時(shí)，則為異常滯留.本系統(tǒng)采用F監(jiān)測(cè)區(qū)對(duì)滯留時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)老人進(jìn)入衛(wèi)生間，F(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)的傳感器采集到老人進(jìn)入的信息并開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)老人離開(kāi)衛(wèi)生間，停止計(jì)時(shí).計(jì)時(shí)過(guò)程中，若計(jì)時(shí)超過(guò)限定滯留時(shí)間，則判斷老人為異常滯留.

監(jiān)護(hù)終端監(jiān)測(cè)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(hù)中心，供監(jiān)護(hù)中心實(shí)時(shí)監(jiān)控.

3.2 監(jiān)護(hù)中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)中心軟件主要由VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL sever 2000構(gòu)成，分為監(jiān)護(hù)中心界面設(shè)計(jì)和監(jiān)護(hù)中心功能應(yīng)用程序設(shè)計(jì).

3.2.1 監(jiān)護(hù)中心界面設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)中心界面是提供給監(jiān)護(hù)中心監(jiān)護(hù)人員使用的軟件界面，利用賬號(hào)密碼進(jìn)行登錄，監(jiān)護(hù)人員可以對(duì)管理的所有老人的基本信息進(jìn)行查看，修改，添加等管理.監(jiān)護(hù)人員通過(guò)監(jiān)護(hù)中心界面獲知老人的基本信息及老人實(shí)時(shí)狀態(tài)等相關(guān)信息.在界面設(shè)計(jì)時(shí)要充分根據(jù)老人狀態(tài)實(shí)時(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì).

圖6為系統(tǒng)的主頁(yè)界面，其包含了系統(tǒng)的界面模塊.界面設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)部分：登陸界面、注冊(cè)界面、信息管理界面、老人狀態(tài)顯示界面、狀態(tài)警報(bào)界面、監(jiān)護(hù)日志界面.

圖6 主頁(yè)軟件界面

3.2.2 監(jiān)護(hù)中心功能應(yīng)用程序

監(jiān)護(hù)中心功能應(yīng)用程序用于完成數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)分析、異常報(bào)警、老人狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等.監(jiān)護(hù)中心數(shù)據(jù)通信模塊一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，等待監(jiān)護(hù)終端數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求的到來(lái)，當(dāng)有傳送請(qǐng)求到來(lái)，響應(yīng)并接收數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中.數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)監(jiān)護(hù)終端傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將分析的結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上.當(dāng)有老人異常狀態(tài)信息出現(xiàn)時(shí)，則在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行提示顯示，同時(shí)向相關(guān)護(hù)理人員進(jìn)行短信警報(bào).數(shù)據(jù)庫(kù)模塊記錄了監(jiān)護(hù)人員信息、老人基本信息和老人狀態(tài)信息，方便查詢，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)信息共享，可供遠(yuǎn)程查詢.圖7是監(jiān)護(hù)中心功能程序流程圖.圖8是監(jiān)護(hù)中心實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)界面.

圖7 監(jiān)護(hù)中心功能程序流程

圖8 實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)軟件界面

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于分布式壓力采集技術(shù)的養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng).系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)是無(wú)捆綁、無(wú)粘貼的，減輕了老人的心理負(fù)擔(dān).系統(tǒng)具有老人睡姿監(jiān)測(cè)、覺(jué)醒監(jiān)測(cè)、離床警告、異常滯留警告等功能.利用

該系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€(gè)養(yǎng)老院范圍內(nèi)的老人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，對(duì)老人出現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行短信警告，防止意外事故發(fā)生，提高對(duì)老人的監(jiān)護(hù)質(zhì)量，同時(shí)也減輕了護(hù)理人員的工作負(fù)擔(dān).

系統(tǒng)對(duì)老人的基本監(jiān)護(hù)功能已實(shí)現(xiàn)，還存在很大的研究和改進(jìn)空間.該系統(tǒng)將來(lái)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究和改進(jìn)：

(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(duì)老人的監(jiān)護(hù)更加全面可靠;

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

(3)優(yōu)化監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的人性化設(shè)計(jì).

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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(jì)劃資助項(xiàng)目(2014A11GX043)

關(guān)天民(1963-),男，教授,博士，主要從事先進(jìn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與康復(fù)機(jī)構(gòu)理論與技術(shù)方面的研究

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

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