基于環境智能的老人健康照護系統設計*

喬子木， 邵 堃， 劉 超

(合肥工業大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009)

基于環境智能的老人健康照護系統設計*

喬子木， 邵 堃， 劉 超

(合肥工業大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009)

為了幫助緩解空巢老人的照護問題，結合傳感器技術為空巢老人設計并實現了一種基于環境智能的老人健康照護系統。系統由多種類非侵入式傳感器的數據采集模塊和老人健康照護的萬維網(WEB)模塊兩部分組成。數據采集模塊使用MODBUS協議進行數據采集，由GSM網絡進行數據發送，通過服務器進行數據存儲和解析。WEB模塊對老人的親屬、醫護人員和系統管理員提供了不同的系統功能，以便于為老人提供更好的照護服務。測試結果表明：利用傳感器數據能夠有效進行老人的行為狀態映射，系統運行穩定。

環境智能； 健康照護系統； 非侵入； 老人行為

0 引 言

隨著老齡化問題的加劇，老年人口的數量不斷增多[1]。由于子女工作和上學等原因，老人在家中得不到陪伴，使得許多老人成為了空巢老人[2]。兒女們在關心老人的身體狀況時希望通過直觀的方式了解老人的生活狀態，而醫護人員結合老人的日常生活信息能夠更好地對老人進行健康診斷和制定康復計劃。因此，構建一個能夠對老人生活環境信息進行收集和照護反饋的系統是很有必要的。

環境智能(ambient intelligence，AMI)旨在通過環境設備幫助居住者提供更加安全和舒適的生活環境[3]。AMI的出現為健康照護提供了更加統一的范式[4]，并結合物聯網技術取得了巨大的發展[5]。

盡管目前有許多智能系統可以進行老人健康檢測，包括視頻圖像類監測系統[6]和穿戴式設備類的檢測系統[7]，但是使用視頻很容易產生隱私泄露的問題，而穿戴式設備容易對老人的日常生活帶來影響。為了解決以上問題，本文結合AMI的設計理念為獨居老人構建了非侵入式的健康照護系統，結合老人的行為信息進行老人的健康照護。

1 系統總體設計

如圖1所示，系統總體可以劃分為數據采集層、服務解析層和用戶交互層。數據采集層使用多種類環境傳感器進行老人室內環境的檢測，包括溫度數據、紅外信號、門禁開關和水浸狀態等。傳感器獲取相應的數據后使用MODBUS協議進行發送，通過房間內的主站進行接收，主站連接DTU(data transfer unit)模塊并使用GSM網絡將數據發送至服務器。服務解析層的作用是將底層的傳感器數據信息進行解析，并采用一定的策略進行儲存，例如二進制類的數據無需全部保存，只需要結合時間信息保存變化的數據。

用戶交互層使用Django框架構建了一個多用戶的照護管理模塊，為老人的親屬和醫護人員提供了聯合照護老人的渠道。通過該模塊老人的親屬可以了解老人生活狀態，醫護人員可以對老人的健康信息進行評分，老人的親屬和醫護人員也可以互相進行交流。

圖1 系統架構

2 硬件設計

2.1 傳感器選取

目前使用的傳感器設備如表1所示。傳感器均采用非侵入的方式進行數據采集。溫度傳感器使用鉑熱電阻進行溫度測量，溫度的測量范圍為100～350 ℃。紅外傳感器可以通過火焰的紅外光判斷是否有火點燃。壓力傳感器測試受壓強度，通過橋式壓力電阻放大進行壓力感應。超聲波傳感器采用40 kHz超聲波反射計算人或物體的距離。微波傳感器采用多普勒效應，通過物體遠近移動感應電磁波的波長變化，用以判斷周圍環境的變化。聲音傳感器使用駐極電容式咪頭進行聲音判斷。多功能傳感器包括接收節點和發射節點兩部分。發射節點發送的數據包括二進制量和信號強度值。使用二進制量數據可以檢測門禁狀態和水浸狀態，使用信號強度值可以結合支持向量機(SVM)或K最近鄰(KNN)等分類方法進行姿態識別[8]和室內定位。

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Rutgers大學WINLAB實驗室研發。發射結點包含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。接收節點與發射節點的基本配置相同，接收節點增加了USB 接口用于供電和數據傳輸。在進行數據采集時使用樹莓派連接接收節點，解析后的數據由樹莓派進行轉發。本系統中使用的樹莓派采用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，在數據采集時需要進行傳感器數據采集的融合。

2.1.2 主站接收器

主站接收器用于匯集各傳感器的環境數據。主站接收器對各個傳感器進行數據請求，各傳感器接收到請求幀后，使用標準的MODBUS協議進行數據包的返回。主站接收到數據后通過DTU設備進行網絡轉發。

主站接收器如圖2所示，主站接收器包含MSP430F149微處理器和 SI4432無線射頻芯片，顯示屏采用LCD1406用于數據發送顯示，DTU的型號為DF—1005 DTU。數據通過GSM網絡傳輸至服務端，以解決老人家中的網絡依賴問題。

圖2 主站接收器和DTU

2.2 傳感器融合

為了能夠統一使用主站接收器進行數據采集，傳感器數據傳輸時需要進行融合處理。融合后的數據傳輸流程如圖3所示。

圖3 數據采集與融合

樹莓派連接多功能傳感器的接收節點進行原始數據的解析，將解析后的數據通過SI4432擴展模塊進行傳輸，保證了主站能夠接收到所有傳感器的數據。傳感器的融合主要解決了傳感器射頻芯片的不統一問題，能夠讓主站接收器獲得所有的傳感器數據，在進行服務層傳輸時保證了數據發送方式的統一性。

3 系統軟件設計

3.1 數據采集設計

底層環境數據采集時使用MODBUS—RTU模式，按字節進行數據發送，采用主從應答的方式進行數據通信。主站接收器作為Master端進行數據請求，各傳感器作為Slave端等待請求并進行應答。各傳感器在進行數據發送時需要設置Slave地址，保證發送的數據能夠正確地被Master端進行解析。

3.1.1 數據包格式

Slave端的數據應答幀需要符合標準的MODBUS應答格式，包括:1)Slave地址：標識傳感器的類型和Master的請求對象；2)功能碼：表明Master端的操作方式，出錯時會攜帶相應的錯誤碼；3)數據量：應答幀的數據數量大小；4)數據值：實際攜帶的返回數據；5)CRC：用于校驗數據包的完整性，進行數據差錯檢測。普通傳感器如溫度、紅外和超聲波等,均采用標準應答幀格式進行數據返回，而多功能傳感器的數據格式,則需要進行應答幀封裝，以保證數據能夠正確的進行傳輸。

3.1.2 多功能傳感器數據采集

多功能傳感器的數據格式如表2所示，其中ex_length域表示extra域的具體長度，用以在進行數據傳輸時進行額外數據發送；rxid域表示數據接收結點的編號；time域表示數據時間戳；txid域表示數據發射結點的編號；parity域用于數據包的奇偶校驗；rssi域表示射頻發射信號強度大小。多功能傳感器傳輸數據前需要先進行數據封裝，保證數據能夠通過MODBUS協議進行統一處理。多功能傳感器的數據采集流程如圖4所示。

表2 多功能傳感器數據格式

圖4 多功能傳感器數據采集流程

在進行多功能傳感器數據采集時，首先通過USB接口進行數據讀取，因此,在進行多功能傳感器程序初始化時，需要對USB傳輸流程進行配置，包括初始化USB設備讀取環境和對USB總線設備進行枚舉，隨后采用VENDORID和PRODUCTID進行設備匹配，獲取接收結點的設備描述符，保存設備句柄信息。配置完接收結點設備的讀取環境后需要對MODBUS傳輸環境進行初始化，對遠程終端單元(remote terminal unit,RTU)傳輸模式進行串口參數設定，并對Master請求進行監聽。數據傳輸時Slave首先對Master的請求進行解析，隨后使用塊傳輸模式對接收節點設備進行數據請求，在進行設備數據解析時采用表2的數據格式，在進行數據返回時按標準應答幀的格式對解析到的多功能傳感器數據進行封裝并返回。

3.2 服務解析層設計

傳感器所收集的數據通過GSM網絡上傳至服務端進行數據解析，原始數據采用字節的方式進行儲存和發送，這樣可以減輕Master端的計算負載和減少數據傳輸時的流量大小。服務端的數據處理流程如圖5所示。

圖5 服務解析處理流程

服務解析層采用可擴展性網絡應用框架(multipurpose infrastructure for network applications,MINA)框架進行編寫，服務解析啟動時首先進行網絡連接參數的配置和數據庫連接參數的配置，對DTU進行監聽。當服務器收到DTU的連接請求后進行DTU注冊并開啟日志記錄進行數據傳輸。傳感器的數據類型包括融合后的多功能傳感器和普通的環境數據傳感器，服務端在進行數據解析時會通過MsgAddr字段進行數據解析判定，普通傳感器的數據長度為8字節，多功能傳感器的數據長度為15字節，服務端進行完有效性判定和CRC檢驗成功后，對環境傳感數據進行解析，解析成功的數據放入數據庫中進行保存。

3.3 用戶交互層設計

系統采用B/S的方式進行交互，采用多用戶模塊的設計方法。登錄系統后，通過賬戶自動完成角色的判定，給予相應的系統權限。面向的用戶主要有三類：

1)老人及其親屬:此類用戶不需要對采集的環境數據進行操作，只需要為其提供老人的生活環境信息。具體的功能包括：實時數據顯示：用于對室內環境進行檢測；歷史數據記錄：用于查看老人近期的活動情況；個人信息管理：用于幫助更新老人的個人信息，包括住址，生病情況和聯系方式等；醫療囑咐：了解醫護人員的醫療建議，與醫護人員進行交流；設備查詢：了解室內傳感器設備的部署情況和工作情況。

2)醫護人員:此類用戶將通過健康照護系統對老人進行健康照護，需要結合老人的生活狀態信息對老人進行健康評價。具體的功能包括：老人信息管理：用于幫助醫護人員記錄老人的個人信息；狀態照護：幫助老人親屬了解老人的目前生活狀態；健康評價：對老人的健康狀態進行反饋，幫助親屬及時得知老人的健康問題。

3)平臺管理人員:此類用戶要對平臺的數據進行大量的操作，需要賦予較高的權限。具體的功能包括：醫護信息管理：幫助管理醫護人員的個人信息；老人信息管理：幫助管理老人的個人信息；硬件設備管理：幫助管理老人家中的硬件設備信息。

4 系統測試

如圖6所示，在進行環境數據采集測試時進行了實地的硬件部署。包括廚房、臥室和衛生間三個場景，對超聲波距離、溫度、壓力和門禁等數據采集進行了數據采集測試，其中超聲波傳感器的反應靈敏，可以進行小范圍內的距離判定，通過放置在廚房過道中可以感知到人員進出移動。壓力傳感器主要放置在床榻、椅子和沙發底下用于感知所受壓力的大小，在測試過程中將壓力傳感器放在床下能夠得到睡覺時壓力數據的變化。溫度傳感器能夠標識屋內的溫度變化。水浸和門禁的數據均采用二進制量進行表示，在開關門和用水時都可以正常發送開關狀態。紅外傳感器放置在廚房，能夠正確感應到用火狀態。

圖6 系統部署

如表3所示，為了能夠通過環境數據進行老人日常生活的分析，在進行數據采集時結合傳感器的部署場景對老人動作行為進行了映射。

5 結 論

通過實際住所的部署與測試結果可以得出系統的數據

采集功能穩定，能夠有效地標識出老人室內活動的原子行為，測試結果表明：本系統在進行老人行為動作的判定時能夠發揮很好的作用，保證了通過環境傳感數據進行老人行為檢測的效果。

表3 傳感器—行為映射

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

[2] 趙 芳,許 蕓.城市空巢老人生活狀況和社會支持體系分析[J].南京師大學報:社會科學版,2003(3):61-67.

[3] Aarts E,Wichert R.Ambient intelligence[M].Berlin Heidelberg:Springer,2009.

[4] Acampora G,Cook D J,Rashidi P,et al.A survey on ambient intelligence in healthcare [C]∥Proceedings of the IEEE,2013:2470-2494.

[5] Rashidi P,Mihailidis A.A survey on ambient-assisted living tools for older adults[J].IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics,2013,17(3):579-590.

[6] Jalal A,Kamal S,Kim D.A depth video sensor-based life-logging human activity recognition system for elderly care in smart indoor environments[J].Sensors,2014,14(7):11735-11759.

[7] López G,Custodio V,Moreno J I.LOBIN:E-textile and wireless-sensor-network-based platform for healthcare monitoring in future hospital environments[J].IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine,2010,14(6):1446-1458.

[8] 谷敏敏,劉進軍,安 寧.基于人體多姿態識別的被動入侵檢測模型研究[J].傳感器與微系統,2015,34(6):17-20.

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

國家國際科技合作專項(2015DFA11450);國家高等學校學科創新引智計劃(“111”計劃)項目(B14025)

TP 212.9

A

1000—9787(2017)03—0097—04

喬子木(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為物聯網和移動健康技術。