敬老院環境的網絡化智能監控系統設計

陳亮亮,滿慶豐

(北京航空航天大學 機械學院 機械電子工程系,北京100191)

陳亮亮(碩士研究生),主要研究方向為工業測控網絡技術;滿慶豐(教授),主要研究方向為工業測控網絡與現場總線、嵌入式系統應用等。

引 言

隨著我國老齡化程度的逐步加劇,空巢老人問題凸顯,并已成為老齡化問題的新焦點。據統計,目前在大城市中空巢家庭已接近30%,而京滬津三直轄市則高達33%以上[1]。空巢老人生活能力差以及經濟壓力大,敬老院無疑是他們晚年生活的理想選擇。將全面的網絡化監控理念引入敬老院,組建網絡化智能監控系統,可以提高助老助殘服務品質,變革傳統養老方式,主動面對未來養老領域的挑戰。

之前關于助老助殘技術的研究多針對一些特定功能的智能化設備而展開[2-5],并未引入全面的網絡化監控理念。近年來國內外諸多單位開展了將醫療、助老助殘全面網絡化的研究[6-7]。由臺灣大學電子工程系、臺北科技大學電子工程系聯合開發的“帶有預警機制的移動護理系統”中[8],用于測量老人生理參數的便攜式設備通過藍牙模塊發射信號,然后接入GSM手機,通過手機短信將信息匯總于監護中心。該方法雖經GSM擴大了通信范圍,但信號經手機中轉使系統結構復雜,增加了成本。此外GSM輻射較大,不宜長時間連續使用。歐美醫療機構多通過WLAN(IEEE 802.11)設備接入以太網(IEEE 802.3),較好地實現了對突發病例和緊急情況的預警和處理[9-10],值得借鑒。

隨著以太網、WLAN技術的不斷成熟,其傳輸速率、安全性和穩定性也不斷提高。本文采用WLAN便攜監測設備接入以太網,結合RFID、視頻監視、數據庫及人機界面開發等熱點技術完成了老人狀況和監護中心的無縫銜接。

1 系統總體結構

當前我國大型敬老院、福利院大多住宿條件良好,入住率高達100%,排隊入住的情況屢見不鮮。但這些機構中從事醫療監護工作的人員較少且助老助殘設施相對陳舊,技術水平落后,在很大程度上限制了對老人身體健康狀況的了解。

對老人的生命特征、護理情況、活動范圍等信息進行實時監測,不僅可以實時了解老人當前的健康狀況,還可預測老人未來的情況。敬老院網絡化智能監控系統的總體結構如圖1所示。老人通過便攜式無線監測設備(即圖1中老人身邊設備)不僅能定時獲取血壓、脈搏、體溫等生理參數,還可通過對有源RFID標簽信號進行識別確定位置,通過基站接入有線網絡將信息匯總于監護中心。監護中心可實時了解老人的各項信息并將其存儲,以便將來分析查看。如遇緊急狀況,監護中心可通過定位信息切換視頻監視器,結合生理參數派出相應救護人員到達確切事發地進行救治,實現了有限人力資源的優化整合,完成了信息和視頻聯動監控、監控和救護的協調統一。

2 網絡結構設計

監控系統網絡由數據監控網絡(灰)和視頻監控網絡(黑)兩部分組成,如圖1所示。

圖1 敬老院網絡化智能監控系統總體結構

2.1 數據監控網絡結構設計

數據監控網又分為有線網(以太網)和無線網(WLAN)兩部分。

(1)有線數據監控網絡

結合傳統工業控制領域中總線型網絡組網不便、實現成本高等問題,選用組網能力強、可靠性高、速度快、成本低、應用范圍廣的以太網作為有線數據監控網絡部分。該部分除了用于匯總無線網絡外,主要用于對老人室內的中大型、移動性差的終端設備進行監控,如公寓中的醫療護理床、空調和活動中心的各類娛樂、康復設備。

(2)無線數據監控網絡

WLAN所采用的CSMA/CA(載波監聽多路訪問/沖突避免)型介質訪問機制遵守以太網協議(CSMA/CD,載波監聽多路訪問/沖突檢測)并與主流網絡操作系統兼容[11],可通過無線AP完好地接入以太網而不需任何修改;WLAN的輻射遠遠低于普通GSM手機,更為綠色環保。此外,WLAN相對其他移動通信技術(如Bluetooth、Zig Bee)移動性好,擴展性強,傳輸速率高。

由于涉及 WLAN的室外使用,選用TENDA的TWL5401A加裝TENDA 24 dB網狀型定向天線作為無線接入點。TWL5401A是戶外遠距離AP,采用高密封、防腐蝕、抗干擾鋁機殼和IEEE802.3af PoE以太網電源,覆蓋范圍廣(無障礙2 km),支持AP、點對多點、中繼和無線客戶端等模式,靈敏度高,配合看門狗和最新無線安全標準WPA2使得無線通信安全可靠。

無線終端集脈搏、血壓、溫度傳感器于一體。首先利用光電傳感器通過測試血液對光強的吸收能力間接測脈搏數,然后用壓力傳感器測血壓[12],最后通過溫度傳感器測體溫。老人定位屬精度較低的區域定位,故根據RFID信號采用質心定位算法[13]便可滿足要求。無線終端可采用TI公司的醫用低功耗芯片,如 OPT101光電傳感器和 FG47x系列MCU。RFID方面可選擇北京烽火聯拓或上海秀派公司的有源標簽和閱讀器。

2.2 視頻監控網絡結構設計

視頻監控網絡由各類監控攝像機(全景型、低照度型等)、監護中心大屏幕和視頻傳輸線路組成,該系統協同數據監控網絡實現影像定位的聯動監護,如圖1所示。在需要晝夜監視的區域可選SONY SSC-DC59xx系列攝像機,確保達到低照度監視要求。

3 網絡通信協議的分析與應用

Ethernet/IP在以太網的基礎上引入了TCP/IP,故通過使用Socket可簡化監控軟件的制作。此外,其抽象監控節點為對象模型,提供了一套完整的數據訪問規程,促進了產品的標準化。最后,通過商用以太網硬件便可支撐Ethernet/IP底層通信網絡,實現方便,性價比高。

3.1 通信協議結構和數據封裝

Ethernet/IP的協議層次結構如圖 2所示。其在TCP/IP之上定義了數據封裝、應用和傳輸層以及用戶層。應用和傳輸層中定義了數據訪問規程(顯式、I/O信息),用戶層可自定義應用對象及其對應設備行規。

圖2 監控系統通信協議層次結構

Ethernet/IP數據封裝在協議總體數據封裝(以太網幀)中的位置如下所示,有關Ethernet/IP的具體封裝格式請參看協議卷。

Ethernet/IP數據封裝以太網頭 IP頭 TCP頭封裝頭 命令相關數據協議尾

3.2 無線終端通信模塊

以無線終端的通信模塊為例,將其節點內部路徑化,建立對象模型如圖3所示。

圖3 無線終端的對象模型

數據訪問規程:Ethernet/IP的數據訪問基于應用連接,確保了數據的安全和可靠。若尚未建立顯式或I/O連接,需通過未連接報文管理器(UCMM)將報文送至報文路由器派發。通過UCMM信息經連接管理對象可建立顯式或I/O連接[14]。顯式連接用于不定期數據訪問(如血壓值),采用TCP問答的形式;I/O連接則通過UDP傳遞現場實時信息(如實時位置)。

應用對象及其設備行規:建立電子血壓儀、體溫計以及實時定位模塊的應用對象如圖4所示。集合對象對后兩者的測量值綁定形成設備行規2。設備行規定義了現場所測數據的通信組織形式,行規 1、2如圖4所示。

圖4 無線終端應用對象設備行規

以上述設備行規形式組織的數據首先被Ethernet/IP封裝在其命令相關數據域中,之后依次加上IP、TCP頭放入以太網幀中,從現場上傳到監護中心。

4 監護中心網絡化監控軟件設計

系統監控軟件綜合了網絡編程、人機界面開發和數據庫技術。在開發時涉及基于Socket的多線程網絡編程,鑒于VC++對多線程的有力支持及其代碼執行效率高等特點,選其為開發語言。考慮到數量眾多的實時數據及其處理效率問題,更為了確保數據的安全,選用SQLserver作為系統后臺數據庫。為了減少開發代碼量,提高軟件執行性能,選用ADO對數據庫進行操作。

監控軟件功能流程展示了監護中心對某一現場節點從建立連接到數據通信的整個過程。

流程圖和監控軟件關鍵功能的實現(網絡中監控節點數據的獲取過程及基于ADO的數據庫存儲操作)見本刊網站www.mesnet.com.cn。

結 語

將全面的網絡化監控理念運用到敬老院環境中,通過對以太網、WLAN、RFID和視頻監視等技術的綜合應用完成了系統組網,在真正意義上實現了對老人全方位、全天候的聯動監護。此外,在將Ethernet/IP協議引入助老助殘網絡的同時,給出了監控軟件開發流程,完整地提供了一套安全可行的敬老院網絡化智能監控方案,值得相關項目開發參考。

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