劉葉 劉高平

1. 寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院/財(cái)富管理學(xué)院 浙江 寧波 315175；2. 浙江萬(wàn)里學(xué)院/EDA重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江 寧波 315100

引言

全國(guó)第七次人口普查結(jié)果表明，2000年至2020年我國(guó)60周歲及以上老年人口數(shù)從12997萬(wàn)增加到26402萬(wàn)，老年人口占總?cè)丝诒壤龔?0.4%上升到18.7%。年齡是慢性非傳染性疾病的危險(xiǎn)因素之一。我國(guó)因慢性病而死亡者占全國(guó)總死亡人數(shù)的85%，所導(dǎo)致的疾病負(fù)擔(dān)占全國(guó)總疾病負(fù)擔(dān)的70%，給社會(huì)養(yǎng)老、醫(yī)療保障及家庭經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大壓力[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”等信息技術(shù)的快速發(fā)展，智慧養(yǎng)老已經(jīng)成為改造傳統(tǒng)養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)養(yǎng)老服務(wù)向智能化方向發(fā)展的重要?jiǎng)恿2]。

在目前養(yǎng)老資源緊張、護(hù)理人員短缺的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，穿戴式電子設(shè)備不僅能幫助提供更多醫(yī)療支持，提升慢性病、殘疾人和老年人的生活質(zhì)量，還可減少住院，節(jié)省醫(yī)療開(kāi)支，預(yù)防疾病或者通過(guò)提供適當(dāng)幫助，有望成為現(xiàn)代醫(yī)療護(hù)理系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。通過(guò)根據(jù)老年人使用行為特點(diǎn)設(shè)計(jì)的醫(yī)療健康類(lèi)可穿戴設(shè)備，采用非侵入式的環(huán)境智能技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人的日常生活和身體狀況，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給監(jiān)護(hù)人、家庭醫(yī)生和社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心，定期為老年人推送健康報(bào)告和建議，有望成為智慧養(yǎng)老社區(qū)主要的管理措施，可用于滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的養(yǎng)老服務(wù)需求[3-4]。

1 穿戴式設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

目前市場(chǎng)上針對(duì)老年人身體數(shù)據(jù)檢測(cè)的穿戴式電子設(shè)備已有很多，在數(shù)據(jù)傳輸上主要采用低功耗藍(lán)牙（BLE）技術(shù)。相比其他短距離傳輸技術(shù)，BLE在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)[5]，它不僅功耗低，而且在信息傳輸方面速率大、安全性高、穩(wěn)定可靠、連接時(shí)間短，這也是目前可穿戴電子設(shè)備選擇低功耗藍(lán)牙技術(shù)的主要原因。

當(dāng)前市場(chǎng)上針對(duì)老年人的身體指標(biāo)檢測(cè)的可穿戴設(shè)備主要以基于BLE技術(shù)的電子手環(huán)為主，BLE雖然功耗很低，但是目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品也基本上在使用幾天、最多長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月就要對(duì)其進(jìn)行充電。由于老年人對(duì)電子產(chǎn)品使用大多不是很熟悉，而且對(duì)這些產(chǎn)品的低電量提醒不夠敏感，所以大多數(shù)時(shí)候老年人根本注意不到手環(huán)的缺電情況。出現(xiàn)這種情況就會(huì)造成數(shù)據(jù)信息采集的缺失，數(shù)據(jù)的缺失會(huì)影響監(jiān)護(hù)人在這一段時(shí)間內(nèi)獲取該老人身體狀況的準(zhǔn)確性，以致對(duì)老人身體病癥的治療不及時(shí)或者需要專(zhuān)門(mén)對(duì)老人的身體再次進(jìn)行檢查[6]。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，雖然已經(jīng)被普遍應(yīng)用在許多領(lǐng)域，但穿戴式電子設(shè)備基本上仍采用電池供電，其中大多數(shù)電池可以反復(fù)充電，為了提高電池續(xù)航能力，減少手環(huán)充電次數(shù)，近幾年來(lái)專(zhuān)業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在降低電子產(chǎn)品耗能方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但很多知名企業(yè)也難以突破電池供電續(xù)航性能的瓶頸，市場(chǎng)上售賣(mài)的智能手環(huán)，絕大多數(shù)的續(xù)航能力也只能維持幾天時(shí)間[7]。

為了從根本上解決電池續(xù)航時(shí)間短的問(wèn)題，能量收集技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)。在人們生活的環(huán)境中存在豐富的能源，如光能、熱能、振動(dòng)能和射頻能量，這些都是“取之不盡，用之不竭”的能量，并且是不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染的綠色能源[8]。

能量收集是俘獲和存儲(chǔ)外部環(huán)境中的微能量并且轉(zhuǎn)化成電能的過(guò)程，但是環(huán)境中微能源采集功率密度普遍較低，一直以來(lái)無(wú)法將這些能源轉(zhuǎn)換成電能為電子設(shè)備供電。隨著硅微電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的功耗越來(lái)越低，出現(xiàn)了微瓦級(jí)功耗的電子系統(tǒng)，使得系統(tǒng)從周?chē)h(huán)境中收集能量供自身持續(xù)工作成為可能[9]。

為了能合理的存儲(chǔ)及使用采集到的能量，學(xué)者們也對(duì)自供電物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能量管理方案進(jìn)行了不懈的研究。能量管理方案負(fù)責(zé)從環(huán)境中獲取能量，并對(duì)此能量進(jìn)行管理，不僅能夠保證能量的充分采集，而且能使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正?？煽康毓ぷ?。對(duì)于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，通常采用動(dòng)態(tài)功率管理方式來(lái)降低設(shè)備的能耗，因此，自供能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備須在使用動(dòng)態(tài)功率管理方式的前提下，還需著重考慮如何最大限度地獲取能量以及“合理”地將這些能量進(jìn)行存儲(chǔ)和利用。

無(wú)線(xiàn)射頻能量采集有個(gè)明顯吸引人的地方，即收集的是完全“免費(fèi)的”能量。射頻能量收集系統(tǒng)可以將環(huán)境中的射頻能量轉(zhuǎn)換成可用的電能并存儲(chǔ)起來(lái)。能量采集技術(shù)可以用于便攜式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，但目前能量采集方法以太陽(yáng)能供電為主，采用射頻能量采集的研究較少，整體上仍處于較為初級(jí)的階段，很少能達(dá)到實(shí)用效果，在養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)的健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中幾乎是空白。

針對(duì)目前市場(chǎng)上這些產(chǎn)品的缺陷，本文面向社區(qū)智慧養(yǎng)老的穿戴式監(jiān)護(hù)設(shè)備，從一種自供能BLE電子手環(huán)入手，探討利用環(huán)境能源進(jìn)行供電的可行性，旨在解決目前市場(chǎng)上養(yǎng)老電子產(chǎn)品的電量問(wèn)題，以期電子手環(huán)在無(wú)電池情況下能達(dá)到正常使用的效果，迎合老人日常使用習(xí)慣與特點(diǎn)，構(gòu)建基于自供能電子手環(huán)的社區(qū)養(yǎng)老智能管理系統(tǒng)，為現(xiàn)代社區(qū)智慧養(yǎng)老智能管理打下基礎(chǔ)。

2 社區(qū)養(yǎng)老系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于自供能電子手環(huán)的社區(qū)養(yǎng)老智能管理系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)包括1個(gè)管理中心、k（k≥1）個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)基站Z1，Z2…Zk、m（m≥1）個(gè)無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射基站A1，A2…Am、n（n≥1）個(gè)自供能電子標(biāo)簽T1，T2…Tn。

圖1 基于自供能電子手環(huán)的社區(qū)養(yǎng)老智能管理系統(tǒng)示意圖

在養(yǎng)老社區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一個(gè)手環(huán)安置在一位老人身上，每個(gè)手環(huán)具有唯一性識(shí)別代碼；m個(gè)無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射基站分布在養(yǎng)老社區(qū)現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)工作時(shí)發(fā)射固定頻率的無(wú)線(xiàn)載波信號(hào)，激活覆蓋區(qū)域內(nèi)所有老人身上的電子手環(huán)，為手環(huán)模塊提供能量；k個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)基站負(fù)責(zé)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與覆蓋區(qū)域內(nèi)所有老人身上的電子手環(huán)進(jìn)行通信；管理中心通過(guò)中心基站Z0與所有匯聚節(jié)點(diǎn)基站連接，接收匯聚節(jié)點(diǎn)基站發(fā)送來(lái)的信息，以及通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)基站發(fā)送信息給電子手環(huán)。

當(dāng)系統(tǒng)需要工作時(shí)，開(kāi)啟無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射基站電源進(jìn)行發(fā)射，電子手環(huán)接收射頻信號(hào)獲取能量；當(dāng)然，如果社區(qū)內(nèi)已有一定強(qiáng)度的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，則可以利用現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)信號(hào)能量而無(wú)須開(kāi)啟無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射基站。能量收集到一定容量時(shí)，手環(huán)開(kāi)始工作并通過(guò)傳感器獲取老人的身體狀況參數(shù)（如溫度、心跳、步態(tài)等），然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與匯聚節(jié)點(diǎn)基站連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，匯聚節(jié)點(diǎn)基站將接收到的數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送到管理中心，在管理中心可以實(shí)時(shí)得出老人身體狀況以及所處位置情況。另外，管理中心還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)某個(gè)或多個(gè)電子手環(huán)或匯聚節(jié)點(diǎn)基站進(jìn)行設(shè)置，以便實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)老人的監(jiān)測(cè)（如溫度門(mén)限閾值、電子圍欄等）。

3 自供能電子手環(huán)方案

本文提出的自供能電子手環(huán)主要由射頻能量收集模塊與無(wú)線(xiàn)手環(huán)模塊兩部分組成，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中，無(wú)線(xiàn)手環(huán)模塊的功能與市售的普通電子手環(huán)相似，包括體溫與心跳等傳感器以及低功耗藍(lán)牙通信電路等。

圖2 一個(gè)自供能電子手環(huán)的結(jié)構(gòu)示意框圖

射頻能量收集模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，包括收集天線(xiàn)、RF-DC轉(zhuǎn)換器、倍壓整流器、電子開(kāi)關(guān)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、儲(chǔ)能電容與電壓監(jiān)控器。其中，K為電子開(kāi)關(guān)、C為儲(chǔ)能電容；Vcap為倍壓整流器輸出電壓，即電容C的充電電壓值。電子開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)，Vcap向DC-DC變換器輸出電流，Vout為能量收集模塊輸出電源；反之，K斷開(kāi)時(shí)，DC-DC變換器無(wú)電流輸入，Vout無(wú)電源輸出。

圖3 射頻能量收集模塊的結(jié)構(gòu)框圖

在圖2中，射頻能量收集模塊與無(wú)線(xiàn)手環(huán)模塊通過(guò)三根引線(xiàn)相連，分別是Vout、En、Int，其中：①Vout－射頻能量收集模塊的輸出引線(xiàn)，為無(wú)線(xiàn)手環(huán)模塊提供電源。②En－無(wú)線(xiàn)手環(huán)模塊發(fā)送至能量收集模塊的狀態(tài)信號(hào)。當(dāng)En置為高電平時(shí)，表示手環(huán)模塊處于工作狀態(tài)；當(dāng)En置為低電平時(shí)，表示手環(huán)模塊處于非工作狀態(tài)，非工作狀態(tài)又分兩種情況：如果Vcap大于門(mén)限值Vmin，表示手環(huán)模塊處于休眠狀態(tài)；如果電容放電致使Vcap降至Vmin以下時(shí)，表示電壓監(jiān)控器斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K，停止輸出Vout，En端被電阻下拉為低電平，即手環(huán)模塊處于斷電狀態(tài)。這里所提及的門(mén)限值Vmin為DC-DC變換器能正常工作所需要的最低輸入電壓值。③Int－能量收集模塊發(fā)送至無(wú)線(xiàn)手環(huán)模塊的能量收集狀態(tài)。當(dāng)充電使得Vcap升至一定電壓值（記為VH）時(shí)，Int置為高電平，通知手環(huán)模塊開(kāi)啟工作；反之，當(dāng)電能消耗使得Vcap降至一定電壓值（記為VL）時(shí)，Int置為低電平，強(qiáng)制手環(huán)模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待電壓Vcap升至VH時(shí)再開(kāi)啟工作。設(shè)置VL的目的是當(dāng)電容電能降低過(guò)多時(shí)，讓手環(huán)模塊進(jìn)入休眠而減少耗能，避免電容放電過(guò)快而致使Vcap降至Vmin，故要求VL>Vmin。一旦Vcap降至Vmin以下，手環(huán)模塊將無(wú)電供應(yīng)，下一次工作得需要采集到較多的能量才能開(kāi)啟。

其中，電壓值VH、VL為根據(jù)要求預(yù)設(shè)的兩個(gè)電壓值，且VH>VL，其作用是向無(wú)線(xiàn)手環(huán)模塊通知能量收集的狀態(tài)情況，啟動(dòng)或關(guān)閉手環(huán)模塊的工作進(jìn)程；信號(hào)線(xiàn)Int、En與開(kāi)關(guān)K，是能量采集與手環(huán)模塊協(xié)同工作的關(guān)鍵，其目的主要是根據(jù)能量采集情況與手環(huán)模塊工作狀態(tài)，使得手環(huán)模塊在“工作—休眠—斷電”狀態(tài)之間自適應(yīng)切換。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前社區(qū)養(yǎng)老的智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中老人的標(biāo)識(shí)與狀態(tài)采集大多數(shù)采用電池供電的電子設(shè)備，因電池能量有限，須頻繁更換電池或充電。對(duì)于社區(qū)養(yǎng)老的老人來(lái)說(shuō)，逐一更換電池非常繁瑣，或者定期對(duì)便攜式設(shè)備充電也會(huì)經(jīng)常遺忘，而且廢舊電池對(duì)環(huán)境也是一個(gè)影響。本文創(chuàng)新性地提出了一種應(yīng)用于社區(qū)養(yǎng)老的自供能電子手環(huán)方案，在無(wú)電池供電的情況下達(dá)到電池供電時(shí)的工作效果，并提出了一種基于自供能電子手環(huán)的社區(qū)養(yǎng)老智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

本文方案的應(yīng)用有助于解決老年人不熟悉電子產(chǎn)品而導(dǎo)致的產(chǎn)品掉電問(wèn)題，能夠及時(shí)有效地將老人的身體健康數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而幫助社區(qū)醫(yī)生或監(jiān)護(hù)人能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)老人所處位置以及身體狀況，有助于解決了醫(yī)療資源短缺，減輕國(guó)家和個(gè)人醫(yī)療負(fù)擔(dān)，對(duì)社區(qū)智慧養(yǎng)老具有一定的促進(jìn)作用。