王宇飛，徐微微，李汭洋，魏萌萌，國宇

（吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，吉林長春，130052）

0 引言

近年來，中國老齡化社會(huì)問題日趨嚴(yán)峻，高齡化和空巢化的比重也逐年遞增，從數(shù)據(jù)分析占比來看現(xiàn)今發(fā)展趨勢是以家庭養(yǎng)老為主的養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，但老年人的突發(fā)疾病是極為不穩(wěn)定的，對老年人的生命安全有著很大的安全隱患。保障老年人的健康監(jiān)管和安全防護(hù)，可大幅度降低醫(yī)療成本和提高國民健康素質(zhì)，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，需要在老年人居家安全方面深入研究。

當(dāng)前健康養(yǎng)老領(lǐng)域大多為視頻監(jiān)控，存在監(jiān)管不到位等問題，無法達(dá)到預(yù)期效果，而監(jiān)護(hù)服方面的研究多集中在人體生理指標(biāo)信息采集方面，功能多，但衣物較笨重、成本較高，基于ARM、藍(lán)牙或云計(jì)算平臺等的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)相對成本較高，對居家環(huán)境有一定的要求。針對傳統(tǒng)可穿戴傳感器的弊端，目前最佳的解決方案是柔性電路打印技術(shù)。國內(nèi)清華大學(xué)劉靜博士在2011 年提出了液態(tài)金屬印刷電子技術(shù)，基于液態(tài)金屬的優(yōu)異電學(xué)性能，可以與紡織物、硅膠等柔性材料結(jié)合，解決了傳統(tǒng)傳感器設(shè)備體積過大、重量過重，受獲能方式的限制行動(dòng)不易攜帶等問題，處于國際領(lǐng)先水平。2018 年，國內(nèi)出現(xiàn)了首枚UHF RFID 無源測溫傳感器。甚高頻RFID 的通信技術(shù)解決了可穿戴傳感器的能耗問題，大大延長可穿戴設(shè)備的工作時(shí)間。RFID 技術(shù)與傳感器相結(jié)合形成的新型的RFID 傳感器具有重量輕、可打印、低成本、無公害等一系列優(yōu)勢，非常適用于服裝上傳感器制造[1～5]。

本文研究一種基于無線射頻RFID 的可穿戴智能感知的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，由無線化、集成化、智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測分析結(jié)果來協(xié)助監(jiān)測者根據(jù)監(jiān)測對象完成相應(yīng)的監(jiān)護(hù)目的，價(jià)格親民、易于穿著、性能穩(wěn)定、保養(yǎng)方便，可以廣泛應(yīng)用于我國的居家養(yǎng)老、社區(qū)監(jiān)護(hù)中，為提升我國居家養(yǎng)老的效率和質(zhì)量，有效解決個(gè)人、社區(qū)家庭等的養(yǎng)老問題，為國家提出的新的社會(huì)養(yǎng)老服務(wù)體系和“9073”養(yǎng)老服務(wù)格局提供支持。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究以健康物聯(lián)網(wǎng)為理論基礎(chǔ)，以柔性智能可穿戴RFID 技術(shù)在家庭中的健康養(yǎng)老為應(yīng)用領(lǐng)域，研究液態(tài)金屬智能居家養(yǎng)老服裝的信號傳輸及動(dòng)作判別問題。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用液態(tài)金屬打印技術(shù)設(shè)計(jì)可穿戴柔性無源傳感器，主要解決傳統(tǒng)的可穿戴傳感器的弊端如不舒適性，不能長時(shí)間監(jiān)測等弊端，制作出液態(tài)金屬標(biāo)簽后利用轉(zhuǎn)印技術(shù)設(shè)計(jì)以衣物為基材的柔性傳感器，然后通過傳感器的數(shù)量、位置分布等采集監(jiān)護(hù)對象的動(dòng)作參數(shù)，經(jīng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳遞給RFID 超高頻閱讀器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理；同時(shí)由STM32 控制器采集體溫、血氧、脈搏等相關(guān)生命信息；統(tǒng)計(jì)出的居家養(yǎng)老監(jiān)護(hù)對象人體動(dòng)作特征參數(shù)如RSSI 定位信息等送到PC 處理器，形成智能感知系統(tǒng)，實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測分析，當(dāng)體征信息異常時(shí)發(fā)出異常聲音報(bào)警，并進(jìn)行顯示，協(xié)助監(jiān)護(hù)人完成相應(yīng)的監(jiān)測，保障老年人的健康監(jiān)測和安全防護(hù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 采集體征數(shù)據(jù)模塊結(jié)構(gòu)

■2.1 血氧脈搏傳感器

采用MAX30102 集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測模塊，用于心率脈搏數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。此傳感器用高度集成化工藝，包括紅光LED、紅外光LED、光電檢測器及低噪聲電子電路?？赏ㄟ^軟件關(guān)斷模塊，待機(jī)電流為零，可運(yùn)用于低功耗產(chǎn)品中。它包括內(nèi)部發(fā)光二極管，光電探測器，光學(xué)元件，以及低噪音的電子設(shè)備。通過單片機(jī)接口對MAX30102 內(nèi)部的寄存器進(jìn)行讀寫，得到轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)度數(shù)值，從而計(jì)算出心率值和血氧飽和度[6～7]。

MAX30102 脈搏傳感器技術(shù)指標(biāo)：

LED 供電電壓：3.3～5V，LED 峰值波長器：660nm/880nm，通信接口電壓：1.9-3.3V-5V，檢測信號接口：I2C 接口，輸出低電平：小于0.2V，低功率心率監(jiān)測器(＜1mW)。

■2.2 體溫檢測傳感器

采用MAX30100 芯片體溫檢測模塊，具有體積較小，穩(wěn)定性可靠，可內(nèi)嵌到服裝或穿戴設(shè)備等特點(diǎn)，電壓極低保證了使用周期，該傳感器用來測溫的電路主體是橋式電路，其原理是根據(jù)內(nèi)部熱敏電阻阻值與輸出電壓變化判斷出使用者的體表溫度，其I2C 接口與外設(shè)的控制硬件進(jìn)行串口相連，對寄存器運(yùn)行參數(shù)和二極管的電流進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

3 感知定位模塊構(gòu)成

■3.1 定位組成

無線射頻識別有三部分：一是應(yīng)答器，可理解為標(biāo)簽，以編碼格式存儲(chǔ)信息，內(nèi)置天線和耦合元件及芯片；二是應(yīng)用軟件，運(yùn)用程序及算法對數(shù)據(jù)歸納處理；三是閱讀器，介于終端和標(biāo)簽之間，負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽進(jìn)行雙向通信，受終端操控且與之串口交互通信。當(dāng)閱讀器向標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)取與寫入，將調(diào)取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理發(fā)至系統(tǒng)終端，標(biāo)簽承載的能力越強(qiáng)，它的頻率決定系統(tǒng)頻段、功率決定射頻范圍，可按系統(tǒng)要求改變其讀寫方式。

本感知定位模塊由射頻標(biāo)簽、閱讀器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。識別到的數(shù)據(jù)存于標(biāo)簽，閱讀器經(jīng)過電磁場非接觸的向標(biāo)簽的信息讀取通信，通過無線通信傳送到計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和處理，完成使用者的數(shù)據(jù)采集[8]。

定位組成包括lmpinj 遠(yuǎn)場天線、Intel R1000 超高頻閱讀器、液態(tài)金屬RFID 無源標(biāo)簽等。

（1）lmpinj 遠(yuǎn)場天線，發(fā)射與接收獨(dú)立工作，射頻范圍為902～928MHz，中心頻率915MHz，與讀寫器通過同軸線纜直接連接，使用3 對天線，用于與R1000 的6 個(gè)端口連接進(jìn)行時(shí)分復(fù)用式收發(fā)工作。

（2）閱讀器主要負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽進(jìn)行雙向通信，在RFID 系統(tǒng)中起到非常重要的作用，主要功能是對應(yīng)答器內(nèi)相關(guān)信息進(jìn)行讀寫。Intel R1000 超高頻閱讀器是英特爾公司開發(fā)的一款開發(fā)平臺，其具有二次開發(fā)、小尺寸、功耗低、傳輸速率高等特點(diǎn)。它涵蓋了與標(biāo)簽相互數(shù)據(jù)通信的所有要求，以STM32 控制器作為與主機(jī)通信的控制單元，標(biāo)簽的工作頻率為860～960MHz。增加一個(gè)簡單的8 位單片機(jī)可構(gòu)建完整的RFID 讀卡器系統(tǒng)。包括一個(gè)集成的接收信號強(qiáng)度指示器（RSSI）指示I 和Q 信號，可測量傳入應(yīng)答機(jī)信號或外部射頻信號的功率。

（3）采用的RFID 標(biāo)簽無源液態(tài)金屬標(biāo)簽，其工作頻率為860MHz～960MHz（UHF 頻段），遵循ISO 18000-6C 標(biāo)準(zhǔn)，天線型號為AZ-9662，標(biāo)簽采用H3 芯片，經(jīng)典的偶極子天線（Dipole Antenna），天 線 尺 寸17mm×70mm，含 盲 點(diǎn)讀取距離可達(dá)10m。

■3.2 RSSI 實(shí)現(xiàn)定位

射頻信號在傳播過程中，信號強(qiáng)度會(huì)隨著傳播距離的增大而減小。這種強(qiáng)度的衰減稱之為信號的路徑損耗，它與信號具體傳播環(huán)境有關(guān)。RSSI（Received signal strength indication）定位方式主要利用了無線射頻信號強(qiáng)度的空間衰減特性，而無線電傳播路徑損耗對RSSI 定位算法的定位精度有很大影響[9]?；赗FID 定位算法的實(shí)質(zhì)是通過將無線射頻信號的傳播距離與物理特征信號相關(guān)聯(lián)，得出實(shí)際傳播距離。

讀寫器天線發(fā)射的信號以球面波的形式傳播，因此常采用無線電傳播路徑損耗模型對信號進(jìn)行分析即需要考慮空間介質(zhì)引起的路徑損耗以及噪聲影響，通常用的信號路徑損耗模型為：

其中，n 為代表路徑損耗隨距離增加的速率，即路徑損耗系數(shù)。d0為已知的遠(yuǎn)處距離即參考距離，通常取1m，d表示信號發(fā)射端與接收端的距離，xσ為均值為0，方差為σ2的高斯隨機(jī)變量，一般取均值為0，方差為4～10。PL(d)表示天線發(fā)射的信號經(jīng)過距離d衰減之后的路徑損耗，則待測點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度，即RSSI 值，單位是dB，如式(2)所示：

式中Pt為發(fā)送端的發(fā)射功率，當(dāng)d0=1m時(shí)的RSSI0為：

未知標(biāo)簽與閱讀器距離d即測距模型如式(4)所示：

RSSI為接收端接收信號強(qiáng)度的均值，單位是dB，在監(jiān)測者標(biāo)簽所處區(qū)域中，設(shè)定明確標(biāo)簽坐標(biāo)作為參考值，當(dāng)閱讀器與設(shè)備上的標(biāo)簽和這些坐標(biāo)標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時(shí)，判斷獲取到的場強(qiáng)值RSSI，處理后經(jīng)控制單元的數(shù)據(jù)處理，從而確定標(biāo)簽坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)定位。

軟件環(huán)境：操作系統(tǒng)選取Windows 11 系統(tǒng)，處理器為12th Gen Intel(R) Core(TM) i9-12900K 3.20 GHz，使用NVIDIA GeForce GTX 3090Ti 顯卡。

硬件環(huán)境：無線感知信道分析系統(tǒng)，頻率范圍為800MHz～1000MHz，實(shí)時(shí)帶寬為20 MHz，最大模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣率為200 MS/s；模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣精度為14 bits；z 識別信道為10 個(gè)。

整體工作流程如圖2 所示：首先由給各傳感器節(jié)點(diǎn)上電，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的初始化，然后由各傳感器進(jìn)行體征信息的采集，送到控制器進(jìn)行存儲(chǔ)處理，接下來判斷接收端天線是否有射頻信號輸入，如果沒有信息輸入則跳回繼續(xù)采集，如果有信號輸入則讀取指令信號輸出數(shù)據(jù)，控制器接收交由計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，當(dāng)體征參數(shù)在健康范圍內(nèi)時(shí)，參數(shù)項(xiàng)白色填充，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，由顯示器進(jìn)行參數(shù)顯示；當(dāng)不在健康范圍內(nèi)時(shí)，參數(shù)項(xiàng)紅色填充，進(jìn)行聲音報(bào)警處理，然后再存儲(chǔ)數(shù)據(jù)于數(shù)據(jù)庫中，由顯示器進(jìn)行參數(shù)顯示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)檢測

本設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)傳感器能夠?qū)θ梭w健康信息擁有多元化讀取數(shù)據(jù)和感知信息，為了減少運(yùn)行功耗，可拆分成正常對人體、對設(shè)備周圍環(huán)境、對使用者移動(dòng)中人體三部分進(jìn)行感知，搭建的硬件系統(tǒng)平臺，各設(shè)備具體功能如下：（1）節(jié)點(diǎn)，完成各測試節(jié)點(diǎn)的相關(guān)功能；（2）IPEX 同軸線，測試天線輸出信號；（3）頻譜儀，測試信號頻譜；（4）USB 線，提供設(shè)備供電；（5）串口線，燒寫程序；（6）PC 電腦，程序編寫、編譯、下載和信號處理；（7）示波器，查看各節(jié)點(diǎn)相關(guān)波形。

首先確認(rèn)每個(gè)硬件單元與主控單元連接穩(wěn)定，考慮時(shí)間成本以調(diào)試體溫采集模塊效果作為整個(gè)采集單元的參考值，在建立連接上電后感知電路與主控電路及芯片先發(fā)送命令，感知模塊接到命令開始運(yùn)行。經(jīng)過對節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)的測試，包括節(jié)點(diǎn)感知功能測試、信號的測試、通信能力等測試，完成測試平臺的搭建。

通過對數(shù)據(jù)調(diào)用的處理運(yùn)算可達(dá)到理想程度，快速建立通信網(wǎng)絡(luò)，調(diào)試之后檢查是否存在出錯(cuò)點(diǎn)位。建立網(wǎng)絡(luò)后所有相應(yīng)的數(shù)據(jù)都能在終端界面管理和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)信息接收圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)信息接收圖

當(dāng)進(jìn)行環(huán)境感知功能時(shí)，利用溫濕度芯片進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的感知；當(dāng)進(jìn)行體征感知功能時(shí)，利用血氧脈搏檢測傳感器芯片實(shí)現(xiàn)血氧脈搏的采集；當(dāng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測功能，利用標(biāo)簽定位感知，完成節(jié)點(diǎn)定位，對接收到的信息以坐標(biāo)及經(jīng)緯度形式顯示和存儲(chǔ)，所有接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫；在終端對各項(xiàng)數(shù)據(jù)的閾值進(jìn)行設(shè)定，就能以此對異常身體數(shù)據(jù)預(yù)警，當(dāng)身體某項(xiàng)數(shù)據(jù)大于閾值則這項(xiàng)數(shù)據(jù)會(huì)變成紅色，最終達(dá)到預(yù)警的效果，在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)全部設(shè)計(jì)的功能。

5 結(jié)束語

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，考慮到我國養(yǎng)老建設(shè)體系匱乏與大多數(shù)老年人養(yǎng)老問題的巨大需求現(xiàn)狀，結(jié)合對國內(nèi)外無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與技術(shù)成果，研究一種基于液態(tài)金屬RFID的可穿戴智能感知技術(shù)，主要從人體隨身攜帶的多個(gè)便攜式傳感器采集終端得到采集信息，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄芙K端，經(jīng)過實(shí)時(shí)分析和智能判斷監(jiān)測體征信息情況，當(dāng)有異常數(shù)值時(shí)觸發(fā)閾值報(bào)警，最后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)平臺，保障了對目標(biāo)信息提取和傳輸?shù)耐暾?。?jīng)過綜合測試來看，其運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)集成度高、適配能力強(qiáng)、佩戴簡單行動(dòng)方便，可以提高信息判斷的正確率，既能獲取較為準(zhǔn)確的體征參數(shù)，也避免設(shè)備植入或體檢采樣給老人帶來的身心痛苦，對居家養(yǎng)老人群帶來許多便利，有很好的應(yīng)用市場前景。