喬子木， 邵 堃， 劉 超

(合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009)

基于環(huán)境智能的老人健康照護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

喬子木， 邵 堃， 劉 超

(合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009)

為了幫助緩解空巢老人的照護(hù)問(wèn)題，結(jié)合傳感器技術(shù)為空巢老人設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于環(huán)境智能的老人健康照護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)由多種類非侵入式傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊和老人健康照護(hù)的萬(wàn)維網(wǎng)(WEB)模塊兩部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊使用MODBUS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解析。WEB模塊對(duì)老人的親屬、醫(yī)護(hù)人員和系統(tǒng)管理員提供了不同的系統(tǒng)功能，以便于為老人提供更好的照護(hù)服務(wù)。測(cè)試結(jié)果表明：利用傳感器數(shù)據(jù)能夠有效進(jìn)行老人的行為狀態(tài)映射，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

環(huán)境智能； 健康照護(hù)系統(tǒng)； 非侵入； 老人行為

0 引 言

隨著老齡化問(wèn)題的加劇，老年人口的數(shù)量不斷增多[1]。由于子女工作和上學(xué)等原因，老人在家中得不到陪伴，使得許多老人成為了空巢老人[2]。兒女們?cè)陉P(guān)心老人的身體狀況時(shí)希望通過(guò)直觀的方式了解老人的生活狀態(tài)，而醫(yī)護(hù)人員結(jié)合老人的日常生活信息能夠更好地對(duì)老人進(jìn)行健康診斷和制定康復(fù)計(jì)劃。因此，構(gòu)建一個(gè)能夠?qū)先松瞽h(huán)境信息進(jìn)行收集和照護(hù)反饋的系統(tǒng)是很有必要的。

環(huán)境智能(ambient intelligence，AMI)旨在通過(guò)環(huán)境設(shè)備幫助居住者提供更加安全和舒適的生活環(huán)境[3]。AMI的出現(xiàn)為健康照護(hù)提供了更加統(tǒng)一的范式[4]，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得了巨大的發(fā)展[5]。

盡管目前有許多智能系統(tǒng)可以進(jìn)行老人健康檢測(cè)，包括視頻圖像類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]和穿戴式設(shè)備類的檢測(cè)系統(tǒng)[7]，但是使用視頻很容易產(chǎn)生隱私泄露的問(wèn)題，而穿戴式設(shè)備容易對(duì)老人的日常生活帶來(lái)影響。為了解決以上問(wèn)題，本文結(jié)合AMI的設(shè)計(jì)理念為獨(dú)居老人構(gòu)建了非侵入式的健康照護(hù)系統(tǒng)，結(jié)合老人的行為信息進(jìn)行老人的健康照護(hù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)總體可以劃分為數(shù)據(jù)采集層、服務(wù)解析層和用戶交互層。數(shù)據(jù)采集層使用多種類環(huán)境傳感器進(jìn)行老人室內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)，包括溫度數(shù)據(jù)、紅外信號(hào)、門(mén)禁開(kāi)關(guān)和水浸狀態(tài)等。傳感器獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)后使用MODBUS協(xié)議進(jìn)行發(fā)送，通過(guò)房間內(nèi)的主站進(jìn)行接收，主站連接DTU(data transfer unit)模塊并使用GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。服務(wù)解析層的作用是將底層的傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析，并采用一定的策略進(jìn)行儲(chǔ)存，例如二進(jìn)制類的數(shù)據(jù)無(wú)需全部保存，只需要結(jié)合時(shí)間信息保存變化的數(shù)據(jù)。

用戶交互層使用Django框架構(gòu)建了一個(gè)多用戶的照護(hù)管理模塊，為老人的親屬和醫(yī)護(hù)人員提供了聯(lián)合照護(hù)老人的渠道。通過(guò)該模塊老人的親屬可以了解老人生活狀態(tài)，醫(yī)護(hù)人員可以對(duì)老人的健康信息進(jìn)行評(píng)分，老人的親屬和醫(yī)護(hù)人員也可以互相進(jìn)行交流。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選取

目前使用的傳感器設(shè)備如表1所示。傳感器均采用非侵入的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。溫度傳感器使用鉑熱電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，溫度的測(cè)量范圍為100～350 ℃。紅外傳感器可以通過(guò)火焰的紅外光判斷是否有火點(diǎn)燃。壓力傳感器測(cè)試受壓強(qiáng)度，通過(guò)橋式壓力電阻放大進(jìn)行壓力感應(yīng)。超聲波傳感器采用40 kHz超聲波反射計(jì)算人或物體的距離。微波傳感器采用多普勒效應(yīng)，通過(guò)物體遠(yuǎn)近移動(dòng)感應(yīng)電磁波的波長(zhǎng)變化，用以判斷周圍環(huán)境的變化。聲音傳感器使用駐極電容式咪頭進(jìn)行聲音判斷。多功能傳感器包括接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)兩部分。發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包括二進(jìn)制量和信號(hào)強(qiáng)度值。使用二進(jìn)制量數(shù)據(jù)可以檢測(cè)門(mén)禁狀態(tài)和水浸狀態(tài)，使用信號(hào)強(qiáng)度值可以結(jié)合支持向量機(jī)(SVM)或K最近鄰(KNN)等分類方法進(jìn)行姿態(tài)識(shí)別[8]和室內(nèi)定位。

表1 傳感器配置

2.1.1 多功能傳感器

多功能傳感器由美國(guó)Rutgers大學(xué)WINLAB實(shí)驗(yàn)室研發(fā)。發(fā)射結(jié)點(diǎn)包含Chipcon CC1100射頻芯片和16位Silicone Laboratories C8051—F32微處理器，采用直徑20 mm的CR2032紐扣電池供電。接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)射節(jié)點(diǎn)的基本配置相同，接收節(jié)點(diǎn)增加了USB 接口用于供電和數(shù)據(jù)傳輸。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)使用樹(shù)莓派連接接收節(jié)點(diǎn)，解析后的數(shù)據(jù)由樹(shù)莓派進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。本系統(tǒng)中使用的樹(shù)莓派采用1代B型，包含ARM1176JZF-S處理器和Broadcom BCM2835主控芯片，采用Micro-USB接口進(jìn)行供電。由于多功能傳感器的射頻芯片與其他傳感器的不兼容，因此，在數(shù)據(jù)采集時(shí)需要進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集的融合。

2.1.2 主站接收器

主站接收器用于匯集各傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)。主站接收器對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求，各傳感器接收到請(qǐng)求幀后，使用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包的返回。主站接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)DTU設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)。

主站接收器如圖2所示，主站接收器包含MSP430F149微處理器和 SI4432無(wú)線射頻芯片，顯示屏采用LCD1406用于數(shù)據(jù)發(fā)送顯示，DTU的型號(hào)為DF—1005 DTU。數(shù)據(jù)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)端，以解決老人家中的網(wǎng)絡(luò)依賴問(wèn)題。

圖2 主站接收器和DTU

2.2 傳感器融合

為了能夠統(tǒng)一使用主站接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感器數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要進(jìn)行融合處理。融合后的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與融合

樹(shù)莓派連接多功能傳感器的接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的解析，將解析后的數(shù)據(jù)通過(guò)SI4432擴(kuò)展模塊進(jìn)行傳輸，保證了主站能夠接收到所有傳感器的數(shù)據(jù)。傳感器的融合主要解決了傳感器射頻芯片的不統(tǒng)一問(wèn)題，能夠讓主站接收器獲得所有的傳感器數(shù)據(jù)，在進(jìn)行服務(wù)層傳輸時(shí)保證了數(shù)據(jù)發(fā)送方式的統(tǒng)一性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

底層環(huán)境數(shù)據(jù)采集時(shí)使用MODBUS—RTU模式，按字節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，采用主從應(yīng)答的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主站接收器作為Master端進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求，各傳感器作為Slave端等待請(qǐng)求并進(jìn)行應(yīng)答。各傳感器在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)需要設(shè)置Slave地址，保證發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠正確地被Master端進(jìn)行解析。

3.1.1 數(shù)據(jù)包格式

Slave端的數(shù)據(jù)應(yīng)答幀需要符合標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS應(yīng)答格式，包括:1)Slave地址：標(biāo)識(shí)傳感器的類型和Master的請(qǐng)求對(duì)象；2)功能碼：表明Master端的操作方式，出錯(cuò)時(shí)會(huì)攜帶相應(yīng)的錯(cuò)誤碼；3)數(shù)據(jù)量：應(yīng)答幀的數(shù)據(jù)數(shù)量大??；4)數(shù)據(jù)值：實(shí)際攜帶的返回?cái)?shù)據(jù)；5)CRC：用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)包的完整性，進(jìn)行數(shù)據(jù)差錯(cuò)檢測(cè)。普通傳感器如溫度、紅外和超聲波等,均采用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)返回，而多功能傳感器的數(shù)據(jù)格式,則需要進(jìn)行應(yīng)答幀封裝，以保證數(shù)據(jù)能夠正確的進(jìn)行傳輸。

3.1.2 多功能傳感器數(shù)據(jù)采集

多功能傳感器的數(shù)據(jù)格式如表2所示，其中ex_length域表示extra域的具體長(zhǎng)度，用以在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)進(jìn)行額外數(shù)據(jù)發(fā)送；rxid域表示數(shù)據(jù)接收結(jié)點(diǎn)的編號(hào)；time域表示數(shù)據(jù)時(shí)間戳；txid域表示數(shù)據(jù)發(fā)射結(jié)點(diǎn)的編號(hào)；parity域用于數(shù)據(jù)包的奇偶校驗(yàn)；rssi域表示射頻發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度大小。多功能傳感器傳輸數(shù)據(jù)前需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，保證數(shù)據(jù)能夠通過(guò)MODBUS協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一處理。多功能傳感器的數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

表2 多功能傳感器數(shù)據(jù)格式

圖4 多功能傳感器數(shù)據(jù)采集流程

在進(jìn)行多功能傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先通過(guò)USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，因此,在進(jìn)行多功能傳感器程序初始化時(shí)，需要對(duì)USB傳輸流程進(jìn)行配置，包括初始化USB設(shè)備讀取環(huán)境和對(duì)USB總線設(shè)備進(jìn)行枚舉，隨后采用VENDORID和PRODUCTID進(jìn)行設(shè)備匹配，獲取接收結(jié)點(diǎn)的設(shè)備描述符，保存設(shè)備句柄信息。配置完接收結(jié)點(diǎn)設(shè)備的讀取環(huán)境后需要對(duì)MODBUS傳輸環(huán)境進(jìn)行初始化，對(duì)遠(yuǎn)程終端單元(remote terminal unit,RTU)傳輸模式進(jìn)行串口參數(shù)設(shè)定，并對(duì)Master請(qǐng)求進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)Slave首先對(duì)Master的請(qǐng)求進(jìn)行解析，隨后使用塊傳輸模式對(duì)接收節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求，在進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)解析時(shí)采用表2的數(shù)據(jù)格式，在進(jìn)行數(shù)據(jù)返回時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答幀的格式對(duì)解析到的多功能傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并返回。

3.2 服務(wù)解析層設(shè)計(jì)

傳感器所收集的數(shù)據(jù)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，原始數(shù)據(jù)采用字節(jié)的方式進(jìn)行儲(chǔ)存和發(fā)送，這樣可以減輕Master端的計(jì)算負(fù)載和減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的流量大小。服務(wù)端的數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 服務(wù)解析處理流程

服務(wù)解析層采用可擴(kuò)展性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架(multipurpose infrastructure for network applications,MINA)框架進(jìn)行編寫(xiě)，服務(wù)解析啟動(dòng)時(shí)首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)庫(kù)連接參數(shù)的配置，對(duì)DTU進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。當(dāng)服務(wù)器收到DTU的連接請(qǐng)求后進(jìn)行DTU注冊(cè)并開(kāi)啟日志記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳感器的數(shù)據(jù)類型包括融合后的多功能傳感器和普通的環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器，服務(wù)端在進(jìn)行數(shù)據(jù)解析時(shí)會(huì)通過(guò)MsgAddr字段進(jìn)行數(shù)據(jù)解析判定，普通傳感器的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8字節(jié)，多功能傳感器的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為15字節(jié)，服務(wù)端進(jìn)行完有效性判定和CRC檢驗(yàn)成功后，對(duì)環(huán)境傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析成功的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存。

3.3 用戶交互層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用B/S的方式進(jìn)行交互，采用多用戶模塊的設(shè)計(jì)方法。登錄系統(tǒng)后，通過(guò)賬戶自動(dòng)完成角色的判定，給予相應(yīng)的系統(tǒng)權(quán)限。面向的用戶主要有三類：

1)老人及其親屬:此類用戶不需要對(duì)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，只需要為其提供老人的生活環(huán)境信息。具體的功能包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示：用于對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)；歷史數(shù)據(jù)記錄：用于查看老人近期的活動(dòng)情況；個(gè)人信息管理：用于幫助更新老人的個(gè)人信息，包括住址，生病情況和聯(lián)系方式等；醫(yī)療囑咐：了解醫(yī)護(hù)人員的醫(yī)療建議，與醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行交流；設(shè)備查詢：了解室內(nèi)傳感器設(shè)備的部署情況和工作情況。

2)醫(yī)護(hù)人員:此類用戶將通過(guò)健康照護(hù)系統(tǒng)對(duì)老人進(jìn)行健康照護(hù)，需要結(jié)合老人的生活狀態(tài)信息對(duì)老人進(jìn)行健康評(píng)價(jià)。具體的功能包括：老人信息管理：用于幫助醫(yī)護(hù)人員記錄老人的個(gè)人信息；狀態(tài)照護(hù)：幫助老人親屬了解老人的目前生活狀態(tài)；健康評(píng)價(jià)：對(duì)老人的健康狀態(tài)進(jìn)行反饋，幫助親屬及時(shí)得知老人的健康問(wèn)題。

3)平臺(tái)管理人員:此類用戶要對(duì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的操作，需要賦予較高的權(quán)限。具體的功能包括：醫(yī)護(hù)信息管理：幫助管理醫(yī)護(hù)人員的個(gè)人信息；老人信息管理：幫助管理老人的個(gè)人信息；硬件設(shè)備管理：幫助管理老人家中的硬件設(shè)備信息。

4 系統(tǒng)測(cè)試

如圖6所示，在進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集測(cè)試時(shí)進(jìn)行了實(shí)地的硬件部署。包括廚房、臥室和衛(wèi)生間三個(gè)場(chǎng)景，對(duì)超聲波距離、溫度、壓力和門(mén)禁等數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集測(cè)試，其中超聲波傳感器的反應(yīng)靈敏，可以進(jìn)行小范圍內(nèi)的距離判定，通過(guò)放置在廚房過(guò)道中可以感知到人員進(jìn)出移動(dòng)。壓力傳感器主要放置在床榻、椅子和沙發(fā)底下用于感知所受壓力的大小，在測(cè)試過(guò)程中將壓力傳感器放在床下能夠得到睡覺(jué)時(shí)壓力數(shù)據(jù)的變化。溫度傳感器能夠標(biāo)識(shí)屋內(nèi)的溫度變化。水浸和門(mén)禁的數(shù)據(jù)均采用二進(jìn)制量進(jìn)行表示，在開(kāi)關(guān)門(mén)和用水時(shí)都可以正常發(fā)送開(kāi)關(guān)狀態(tài)。紅外傳感器放置在廚房，能夠正確感應(yīng)到用火狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)部署

如表3所示，為了能夠通過(guò)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行老人日常生活的分析，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)結(jié)合傳感器的部署場(chǎng)景對(duì)老人動(dòng)作行為進(jìn)行了映射。

5 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)際住所的部署與測(cè)試結(jié)果可以得出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

采集功能穩(wěn)定，能夠有效地標(biāo)識(shí)出老人室內(nèi)活動(dòng)的原子行為，測(cè)試結(jié)果表明：本系統(tǒng)在進(jìn)行老人行為動(dòng)作的判定時(shí)能夠發(fā)揮很好的作用，保證了通過(guò)環(huán)境傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行老人行為檢測(cè)的效果。

表3 傳感器—行為映射

[1] 黃 毅,佟曉光.中國(guó)人口老齡化現(xiàn)狀分析[J].中國(guó)老年學(xué)雜志,2012,32(21):4853-4855.

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Design of elderly health care system based on ambient intelligence*

QIAO Zi-mu, SHAO Kun, LIU Chao

(School of Computer and Information,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

In order to alleviate the problem of empty-nester home care, combined with sensor technology,design and implement an elderly healthcare system based on ambient intelligence.The system is composed of two parts,which are data acquisition module with many types of non-invasive sensor and WEB module of healthcare for the elderly.Data acquisition module uses MODBUS protocol for data collection and data transmission by GSM network,and data storage and analysis are carried out through server.WEB module offer different system function modules to relatives,medical personnel and system administrators to help them provide better care services for the elderly.The test results show that the sensor data can be used to map the behavior of elderly and operation of system is stable.

ambient intelligence; healthcare system; non-invasive; behavior of elderly

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0097—04

2016—06—21

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)(2015DFA11450);國(guó)家高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(“111”計(jì)劃)項(xiàng)目(B14025)

TP 212.9

A

1000—9787(2017)03—0097—04

喬子木(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)和移動(dòng)健康技術(shù)。