劉 凱，王亞龍，強 威，張鈞杰，靳全峰，高宏峰

(河南科技大學信息工程學院，河南 洛陽 471023)

基于云服務(wù)器遠端管理的老人看護系統(tǒng)*

劉 凱，王亞龍，強 威，張鈞杰，靳全峰，高宏峰

(河南科技大學信息工程學院，河南 洛陽 471023)

針對老人突發(fā)疾病及摔倒等情況，設(shè)計了一款智能老人看護系統(tǒng)。系統(tǒng)基于規(guī)?？煽氐脑品?wù)器架構(gòu)，通過溫度、心率、加速度傳感器采集老人生理指標、生活起居信號以及運動數(shù)據(jù)，通過基于CC3200芯片設(shè)計的終端把數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器，云服務(wù)器對老人數(shù)據(jù)進行分析整理后存儲在數(shù)據(jù)庫中。用戶可以通過手機客戶端或網(wǎng)頁瀏覽器，登陸網(wǎng)站實時查看老人生活相關(guān)信息。當系統(tǒng)檢測到異常時，通過GSM模塊將報警信息發(fā)送到看護人員的手機上。系統(tǒng)具有實時性高、擴展方便、維護成本低的特點。

云服務(wù)器；老人看護系統(tǒng)；CC3200；跌倒檢測；MPU6050

從2015年以來，我國人口老齡化呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢[1]。近些年來在老年人群中高血壓，心臟病，心腦血管梗塞等疾病頻發(fā)。但是在老年人突發(fā)疾病或遇到緊急情況的時候，卻很難得到及時有效的治療。

目前市面上所見的老人看護系統(tǒng)或者具有看護功能的可穿戴設(shè)備，大多是通過運動傳感器測量監(jiān)控老人狀態(tài)，通過WIFI或GPS定位技術(shù)確定老人位置，在老人遇到突發(fā)情況時發(fā)送報警信息。鑒于以上類型的老人看護系統(tǒng)大都是單機獨立運作，功能單一、可維護性、擴展能力較差，本文設(shè)計一種以TI公司CC3200WIFI一體化微控制器作為主控的智能終端，并基于遠程云服務(wù)器管理的看護系統(tǒng)。

CC3200微控芯片是TI公司生產(chǎn)的集合WIFI處理單元和ARM cortex-M4核心的單片機，它不僅集成了網(wǎng)絡(luò)運輸層的TCP/UDP協(xié)議，并且支持多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議，如HTTP、FTP等[2]。系統(tǒng)采用CC3200芯片設(shè)計看護終端具有集成度高、低功耗、低成本等特點。系統(tǒng)各個終端獨立運作，由云服務(wù)器負責對各個終端進行協(xié)調(diào)管理工作，可滿足大量老人看護用戶的需求，降低了看護成本。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

老人智能看護系統(tǒng)的框圖如圖1所示，主要包括智能看護裝置、無線路由器、云服務(wù)器及手機客戶端。傳感器節(jié)點即智能看護裝置負責監(jiān)控老人的身體狀況，并通過CC3200芯片集成的HTTP通信協(xié)議向服務(wù)器發(fā)送POST表單提交數(shù)據(jù)。云服務(wù)器服務(wù)程序獲取POST表單中的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時為手機客戶端的訪問提供服務(wù)。

圖1 智能看護系統(tǒng)的總體框圖

系統(tǒng)總共分為三個層次：數(shù)據(jù)采集處理及傳輸、云服務(wù)器平臺、用戶終端訪問。數(shù)據(jù)采集處理及傳輸層包括分散運作的一個個傳感器節(jié)點。每個節(jié)點主要由溫度、心率、加速度傳感器，GPS、GSM模塊，CC3200主控芯片組成；云服務(wù)器平臺包括數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器程序；用戶終端單元包括系統(tǒng)配套的Android APP和網(wǎng)頁瀏覽器。云服務(wù)器負責接收各個傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，并同時為手機客戶端提供查詢服務(wù)。

2 看護裝置設(shè)計

智能看護裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，微控制器CC3200通過I2C總線驅(qū)動MPU6050加速度傳感器與紅外溫度傳感器。裝置通過計算加速度信息的變化量，記錄老人走路步數(shù)以及判斷老人是否跌倒。當發(fā)生緊急情況時，微控制器使能片內(nèi)WiFi無線處理模塊,將相應(yīng)的報警信息通過GSM模塊發(fā)送給監(jiān)護人。心率傳感器與CC3200芯片的AD轉(zhuǎn)換端口連接，CC3200通過AD采樣后可計算出心率。另外GSM和GPS與CC3200的UART端口相連，前者用于發(fā)送報警短信，后者用于獲取老人位置。

圖2 看護裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

軟件主要包括溫度、心率傳感器處理、報警、跌倒檢測及計步子程序。

圖3為溫度、心率傳感器處理子程序流程圖，如果溫度、心率超過設(shè)定的閾值，就執(zhí)行報警程序。

圖4為報警子程序流程圖。如果檢測到指標超出閾值，就判斷是否出現(xiàn)誤警，若為誤警，則按取消鍵。否則使能GPS獲取坐標，將信號發(fā)送到云端。

圖3 溫度心率監(jiān)控服務(wù)程序 圖4 報警子程序

跌倒檢測算法如下：

通過計算9軸運動傳感器MPU6050實時測量得到的X，Y，Z三個方向的加速度和角度的動態(tài)變化范圍判斷是否跌倒。下面公式中ax表示人體前后方向上的加速度，ay表示人體左右方向上的加速度，az表示人體豎直方向上的加速度，SVM表示人體的合加速度[3]。

經(jīng)過分析實際測量得到的數(shù)據(jù)可知，每次人體摔倒都會出現(xiàn)一個SVM<3的時間段，同時人體摔倒在地后，人體在X軸或Y軸方向上的角度變化將會超過60度。所以每次看護裝置檢測到SVM<3時，間隔1s后讀取X軸，Y軸角度，如果某一個方向上的角度變化超過60度，判斷老人摔倒并啟動報警鈴聲，如果老人在20s內(nèi)不能取消報警，看護裝置立即發(fā)送報警短信。

計步算法：分析實際測量數(shù)據(jù)可知：人體在走路和跑步時合加速度會呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，接近正弦波形，通過計算波峰的個數(shù)即可得出人體運動的步數(shù)。

干擾問題：主要有兩種干擾影響計步，雜波干擾和高頻抖動干擾。經(jīng)過測試可知，人體走路的過程中合加速度值最小為12，所以只統(tǒng)計峰值超過12的波峰個數(shù)，排除雜波干擾。人體步行和跑步的頻率范圍在0.2～5Hz之間，步伐之間的最小時間間隔為0.2s[4]。所以看護裝置利用CC3200單片機的定時器中斷，記錄每次出現(xiàn)波峰的時間，如果相鄰的時間小于0.2s就不計步，排除高頻干擾。

3 云服務(wù)器設(shè)計

云服務(wù)器簡稱ECS，可以為中小企業(yè)用戶提供處理能力可彈性變化的計算服務(wù)[5]。本系統(tǒng)使用阿里云平臺的服務(wù)器，可以隨著用戶規(guī)模的變化擴大或減小服務(wù)器的處理核心數(shù)量、租用的帶寬和流量，具有成本可控、擴展性強的優(yōu)點。系統(tǒng)選用Linux作為后臺服務(wù)系統(tǒng)，使用阿里云平臺兼容的MySQL數(shù)據(jù)庫儲存數(shù)據(jù)。

圖5是云服務(wù)器的主要架構(gòu)。云服務(wù)器作為本系統(tǒng)的核心層，同時為Web端、手機客戶端和傳感器節(jié)點(即看護裝置)提供接口支持，主要負責處理存儲傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，以及為用戶訪問提供注冊與登錄，權(quán)限管理，老人信息查詢，設(shè)備管理，緊急情況報警等服務(wù)。

圖5 云服務(wù)器架構(gòu)

手機客戶端訪問：用戶可通過Android客戶端完成注冊賬號，添加和刪除設(shè)備，查詢老人信息，設(shè)置報警聯(lián)系電話等操作。

Web瀏覽器訪問：Web端除了提供上述功能外，為系統(tǒng)管理機構(gòu)提供了權(quán)限管理，系統(tǒng)使用多級管理模式，每個系統(tǒng)管理員擁有各自的管理權(quán)限，不得越權(quán)管理。

4 手機客戶端設(shè)計

Android APP采用MVC分層開發(fā)模式，有效降低了各個模塊程序的耦合度，便于后期維護工作。圖6是APP的架構(gòu)圖。

圖6 Android客戶端架構(gòu)

界面層負責人機交互，由3個Activity界面分別負責不同的功能，使操作更加方便。業(yè)務(wù)層負責處理來自界面層數(shù)據(jù)，并在需要時從數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)傳送到界面層顯示。數(shù)據(jù)層負責使用網(wǎng)絡(luò)連接云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)然后存儲到Android系統(tǒng)中的SQLite數(shù)據(jù)庫中，在接到業(yè)務(wù)層請求時從數(shù)據(jù)庫

中查詢數(shù)據(jù)并發(fā)送到業(yè)務(wù)層處理。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種可獨立運作又能遠程統(tǒng)一管理的老人看護系統(tǒng)。系統(tǒng)以CC3200為核心芯片，支持多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議，采用分層架構(gòu)增強了系統(tǒng)的擴展性。系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控并記錄老人的健康狀況及運動狀況，并且可在老人發(fā)生緊急情況時及時報警。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實時性高、擴展方便、建設(shè)和維護成本低的特點。

[1] 穆光宗，張團.我國人口老齡化的發(fā)展趨勢及其戰(zhàn)略應(yīng)對[J].華中師范大學學報(人文社會科學版),2011(5)：29-36.

[2] 沈建華.CC3200WI-FI微控制器原理及實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社,2015.11.

[3] 卓從彬，楊龍頻，周林，等.基于MPU6050加速度傳感器的跌倒檢測與報警系統(tǒng)設(shè)計[J].電子器件,2015,38(4):821-825.

[4] 劉程，陽洪.自適應(yīng)計步檢測算法研究[J].壓電與聲光,2015,37(2):258-270.

[5] 楊智宇.PHPS+MySQL動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)指南[M].北京：科學出版社,2008.6.

Elderly Nursing System Based on Cloud Server’s Remote Management

Liu Kai, Wang Yalong, Qiang Wei, Zhang Junjie, Jin Quanfeng, Gao Hongfeng

(CollegeofInformationEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,LuoyangHenan471023,China)

This paper designs an intelligent elderly nursing system to solve the problem of accident illness and falling of the elders. The system is based on cloud server architecture whose size can be managed. The system collects physical signs, living signal and exercise data of elderly by temperature sensor, heart rate sensor and acceleration sensor. The data is sent to cloud server by the terminal that is designed with CC3200 chip. The cloud server analyzes, organizes and stores data in database. User can login in website to browse the elderly information by mobile phone client or web browser. When abnormal behavior is detected, the system sends alarm messages to mobile by GSM module. Experiment shows that the system has characters of high real-time, easy to extend, low costs of maintenance.

cloud server; elderly nursing system; CC3200; fall detecting; MPU6050

2016-11-11

2016年度河南科技大學大學生研究訓練計劃資助(2016036)；2015年河南科技大學教學改革項目(2015YBZD-004)；2016年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(201610464020)

劉 凱(1996- )，男，河南駐馬店人，本科生，主要研究方向為嵌入式開發(fā)。

1674- 4578(2017)01- 0026- 03

TP 277

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