一種新型老人定位與運動監護系統的設計

張斌，吳水才，邵明剛

北京工業大學 生命科學與生物工程學院，北京 100124

一種新型老人定位與運動監護系統的設計

張斌，吳水才，邵明剛

北京工業大學 生命科學與生物工程學院，北京 100124

目的 針對老年癡呆患者監護問題，設計一種基于STM32L152單片機和Android平臺的新型老人定位與運動監護系統，可實現對老人的遠程監護。方法 監護系統由定位儀、服務器和監護端手機軟件3部分組成。定位儀硬件主要由STM32L152主控芯片和GU620模塊組成，通過嵌入式軟件設計控制完成老人位置和運動數據的采集，并通過2G網絡上傳至服務器。服務器軟件基于PHP語言和MySQL數據庫設計，用于接收、存儲定位儀傳送的數據。監護端手機軟件在Android Studio集成環境下開發，可通過移動網絡訪問服務器獲取老人的實時數據并處理、顯示。結果 手機軟件可通過統計分析老人的位置和運動信息進行運動檢測，發現老人異常狀況，實現異常報警。結論 實驗結果表明，所設計的新型老人定位與運動監護系統運行穩定，具有良好的定位與運動監護功能，且定位儀能與監護終端進行即時通信。

癡呆患者；遠程監護；定位；運動檢測；異常報警

引言

我國是老年癡呆患者最多的國家[1]，占世界老年癡呆發病人數的25%。目前我國65歲以上老人老年性癡呆的患病率高達5%，即每20個老年人中就有一個老年性癡呆患者。老年癡呆患者需要全天候監護，給其照料者以及家庭、社會帶了巨大的壓力。眾多研究表明[2-4]，癡呆病人照料者比非癡呆病人照料者的心理健康水平低且照顧負擔重，癡呆照料者更傾向于采用消極應對方式。

當前，嵌入式技術和通信技術發展成熟，穿戴式遠程監護醫療發展迅速，能夠有效解決醫院和家庭的癡呆老人照顧問題。目前市場上已有多種遠程定位監護產品，但多數是針對大眾老人和兒童設計[5-8]，而針對老年癡呆患者的穿戴式定位監護系統還很少。本研究針對老年癡呆患者監護問題，在已有技術基礎上，設計并實現了一種新型老人定位與運動監護系統，對老人進行遠程監護。該系統除了具有實時定位、遠程通話、歷史軌跡等功能外，還能對老人的運動狀況進行監測，如夜間起床、活動異常、停留異常等，及時發現異常狀況，實現異常報警。

1 產品的設計

1.1 系統整體設計

新型老人定位監護系統由定位儀、監護服務器和手機監護軟件3部分組成，系統構架圖，見圖1。

圖1 系統整體框架

（1）定位儀通過GPS和基站雙重定位獲得老人的實時位置信息，并采用無縫定位和融合定位技術增加定位準確度[9-12]。通過重力加速度模塊獲得老人的運動信息，同時采用自適應計步算法進行計步[13]、計算步頻和移動距離。然后將位置和運動信息上傳至監護服務器。

（2）監護服務器以PC機作為載體接收、儲存和推送實時信息[14-16]。監護服務器接收到定位儀上傳的信息后，會對信息處理和儲存。

（3）監護端手機軟件可通過移動網絡訪問監護服務器，獲得老人的實時位置和運動狀況等信息，并在手機上顯示。手機軟件后臺Service會對獲取的信息進行分析，若有異常則啟動手機報警，提示監護人關注老人狀況。

此外手機可以與定位儀之間進行短信雙向通信。若手機無法通過監護服務器獲得老人實時信息，可通過軟件“緊急定位”功能向定位儀發送短信命令，定位儀收到命令后會將老人位置信息（經緯度值）以短信的形式發回到手機，手機軟件獲取和識別短信信息，提取位置和運動等信息并顯示。

1.2 定位儀設計

定位儀硬件采用意法半導體的低功耗單片機STM32L152作為主控芯片，拓展GU620、存儲、電源等模塊，結構框圖，見圖2。其中GU620模塊集成了2G、GPS、重力加速度等模塊，并自帶基站定位功能。

圖2 定位儀硬件結構圖

STM32L152單片機與GU620芯片之間通過串口通信。STM32L152單片機通過GU620芯片獲取GPS、基站、重力加速度等信息，將獲取的信息進行處理，計算距離、步數、步頻、運動時間等，并將信息數據打包，通過GU620芯片2G功能，使用AT命令連接服務器，將信息上傳。定位儀功能流程，見圖3。

圖3 定位儀軟件功能流程圖

1.2.1 STM32L152單片機

STM32L152單片機是意法半導體公司開發研制的一款低功耗、高效率的32位處理芯片，具有極高的性價比。該模塊內核為Cortex-M3，采用超低漏電流工藝、時鐘門控技術、降低運行功耗等技術，在Standy Mode下最低功耗為300 nA，更加適合低功耗的應用。在低功耗的同時還具有高速處理計算能力，非常適合解決一些實時性的問題。新型老人定位監護系統定位儀對數據的實時計算能力要求較高，該單片機非常適合本系統的應用。

1.2.2 GU620芯片

GU620是合方圓公司自主研發生產的一款集成度高、低功耗、低價位的工業級芯片，非常適合對尺寸、功耗要求較高的應用開發，芯片內部結構，見圖4。該模塊集成2G、GPS、基站定位、G-Sensor等功能，且靈敏度高。芯片2G模塊內嵌TCP/IP協議，支持多鏈接、語音和短信通信，支持GSM標準AT命令。芯片內置的GPS模塊是基于MTK公司的成熟芯片組設計開發，可進行高達66個PRN信道的衛星跟蹤，首次定位時間<28 s。老人定位監護產品要求具有通信功能，要求定位準確、定位時間短，本系統選用GU620芯片可滿足系統性能需要。

1.3 服務器軟件設計

服務器軟件設計基于PHP語言和MySQL數據庫，主要用來接收、儲存定位儀和手機監護軟件上傳的數據，以及響應請求并向手機端推送數據，其軟件結構，見圖5。

圖4 GU620模塊內部結構框圖

圖5 服務器軟件結構圖

定位儀將數據以數據幀的形式通過2G網絡發送給服務器，數據幀格式，見表1。其中“幀頭標識”用來區分不同設備。服務器通過解析該命令獲得各數據值，并按不同設備區分存儲到數據庫中。當手機端向服務器發送請求時，服務器根據相應請求，將數據打包發給手機。

表1 數據幀格式

1.4 手機監護軟件設計

手機監護軟件基于Android平臺設計，在Android Studio集成開發環境下實現，使用JAVA語言編程。軟件共有注冊登錄、實時定位、離線地圖、運動監護、夜間監護、一鍵通話、歷史軌跡、異常檢測等功能。手機軟件功能，見圖6。

圖6 手機軟件功能框圖

1.4.1 實時定位

癡呆老人記憶障礙，出門行走極易迷路，且老人認知功能受損，無法正常與人交流，因此癡呆老人的找回尤為困難。該功能模塊可獲取老人的實時位置并在手機上顯示，若老人走丟則可在最短的時間找回老人。軟件通過嵌入百度地圖完成實時位置的顯示。首先調用百度地圖API，在Activity中嵌入百度地圖MapView顯示地圖。進入該界面后，手機數據接收線程啟動，同時調用“LocationClient.start()”方法啟動監護人手機定位。軟件通過數據接收線程循環訪問服務器，使用POST方式獲取老人實時經緯度信息，然后解析數據為經緯度形式，使用百度地圖“addOverlay()”方法將位置在地圖上顯示。

該模塊可在百度地圖上同時顯示監護人、老人的位置，方便對比辨識，功能流程，見圖7。若由于手機無線網絡差等原因短時間無法獲取老人位置，可按“緊急定位”按鈕，手機將給定位儀發送定位命令短信，定位儀收到命令后將經緯度信息以短信的形式返回。手機收到定位短信，軟件后臺Service自動攔截并提取經緯度信息，在地圖上顯示老人位置。離開該界面時關閉數據獲取線程和定位功能，防止占用手機內存。

圖7 實時定位功能流程圖

1.4.2 運動監護

該模塊用來監護老人日常運動，顯示老人的走路步數、運動路程、體能消耗等信息，其功能流程，見圖8。該功能數據的獲取和處理在后臺Service中進行。Service每隔5 min訪問服務器獲取數據一次，然后解析出步數、步頻、路程等數據，同時獲取注冊時填寫的身高、體重等老人個人信息，并使用式(1)計算步行體能消耗[17]。

圖8 運動監護功能流程圖

將每次計算的體能數據存入手機本地數據庫，當前體能消耗計算如式(2)所示。

式中Wn為當前總的步行體能消耗值；Wi為當天第i次獲取運行數據所計算的體能消耗值。

體能消耗計算完成后，Service使用“Broadcast”廣播將步數、路程、步行體能消耗等數據發送到運動監護模塊，使用“TextView”控件在界面上顯示。

1.4.3 夜間監護

癡呆老人一旦處于認知障礙狀態，其行為表現異常，即使在夜間也可能會頻繁的活動，因此，夜間監護尤為重要。“夜間監護”功能用來檢測、記錄老人夜間起床活動狀況，還可以進行夜間監護功能開、關操作。該功能數據的獲取和處理在后臺Service中進行。Service每隔5 min訪問服務器獲取數據一次，得到老人的步數、步頻、路程等信息。夜間監護異常檢測主要是基于步頻、路程來進行的。軟件將每次獲取的步頻數據求取平均值，并且計算相鄰兩次獲取的路程之差。如果連續15 min檢測到步頻較高，則認為老人夜間起床，活動頻繁，啟動手機報警提示；若同時檢測到老人位移同時連續變化，則認為老人夜間起床且有長距離行走或者外出行為，啟動手機報警提示。功能流程，見圖9。

圖9 夜間監護功能流程圖

1.4.4 異常檢測

該功能主要針對老人日常活動進行監護，若有活動異常、停留異常，則提醒監護人關注老人狀況。活動異常是指老人的活動頻率持續高于日常平均活動水平，停留異常是指老人在某一地點停留時間過長。數據的獲取和異常檢測是在后臺Service中進行的，Service同樣是每隔5 min訪問服務器一次，獲取老人的步頻、位置數據。活動異常的檢測是基于步頻和位置變化來進行的，首先要選取一個步頻閾值，若步頻高于閾值持續30 min，則認為老人活動過于頻繁，為異常狀態，開啟手機報警提示監護人關注老人狀況。如果步頻為零或者接近于零，且位移數據沒有變化，持續一定時間（時間數值由監護人設定），則認為老人在某地停留時間過長，開啟手機報警提示監護人關注老人狀況。功能流程，見圖10。

圖10 異常檢測功能流程圖

步頻閾值的選取，首先計算每次訪問服務器獲取步頻的平均值，然后在每天的不為零步頻平均值中，選取中值作為當天閾值，用來動態更新實際閾值。在一周每天選取的當天閾值中選取中值作為實際閾值，用來作為活動異常檢測的步頻閾值，依次每天更新，保持閾值動態調節。實際閾值的計算如式(3)所示。

式中Me為實際閾值，作為檢測運動異常的依據；M為每天選取的當天閾值。

當天閾值的計算如式(4)所示。

式中M表示每天的當天閾值；Xn表示閾值計算當天，步頻均值中的第n個不為零的步頻均值。

1.4.5 其他功能實現

初次使用軟件會進入注冊登錄界面，用戶可以在此界面使用手機號碼作為用戶名注冊，同時完善個人信息，如姓名、年齡、體重等。點擊“保存”后，軟件會在手機SD卡“HealthCare”文件夾下建立以用戶名命名的后綴為“.txt”的文件，來保存用戶信息。登錄完成后軟件會自動跳轉到功能菜單界面。

離線地圖功能是通過調用百度地圖API，獲取離線地圖資源，然后下載管理，以增加定位速度。

歷史軌跡功能，是以天為單位，通過選定具體日期來查詢、下載服務器存儲的位置數據，然后解析下載的數據，在百度地圖上的依次顯示、播放。

一鍵通話功能是通過調用Intent方法來完成定位儀呼叫的。點擊“一鍵通話”按鈕后，軟件會調用手機撥號功能呼叫預設的定位儀SIM號碼。定位儀接到呼叫，自動完成接聽，完成和老人的通話。

2 系統測試

定位儀依靠鋰電池供電，可固定在老人胸部或者腰間，開機即可采集位置和運動信息并上傳。監護端手機軟件可運行在任何不低于Android 4.0.0版本的智能手機或終端設備上。本系統使用小米智能手機進行測試。系統功能展示，見圖11。

圖11 系統功能展示圖

3 總結

本研究針對老年癡呆患者監護問題，設計了一種基于STM32L152單片機和Android平臺的新型老人定位和運動監護系統，并對該系統的各部分功能及設計方法進行了詳細介紹。該系統可通過定位儀獲取老人的實時位置和運動狀況等信息，并上傳服務器儲存和處理，同時通過手機可監測老人狀況異常并報警提示，實現對癡呆老人的遠程監護。實驗結果表明，該系統功能正常，運行穩定。后續將繼續完善定位監護系統功能，在服務器中增加數據的處理和分析功能，增加對老人的運動分析。

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本文編輯 袁雋玲

Design of a New Positioning and Physical Activity Monitoring System for the Elderly

ZHANG Bin, WU Shui-cai, SHAO Ming-gang
College of Life Science and Bio-engi neer ing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

Objective In order to solve the problem of caring for patients with dementia, we designed a new type for old man positioning and movement monitoring system based on STM32L152 single chip microcomputer and Android platform, so as to realize the remote monitoring for the old man. Methods The monitoring system was composed of 3 parts, including a positioning device, a server, and a monitoring-terminal mobile phone software. The positioning device was composed of the master chip and GU620, which could collect the position and physical activity data of elderly and uploaded the data to the server by 2G network. The server software, which was designed based on the PHP language and MySQL, was used to receive and store the data that uploaded by the positioning device. The monitoringterminal mobile phone software, which was developed under the integration environment of Android Studio, was used to get, process and display the data of the server through the mobile network. Results This system could realize abnormal alarm when the abnormal situation was found. And this process was accomplished through the statistical analysis of elderly’s location and movement information. Conclusion The experimental results showed that the designed system was stable, and the positioning and activity monitoring functions was satisfactory. In addition, the instant messaging between the positioning device and the monitoring terminal could be realized.

dementia patients; tele-monitoring; positioning; physical activity monitoring; abnormal alarm

TP391.4

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.06.007

1674-1633(2017)06-0023-05

2017-01-05

2017-02-10

國家自然科學基金（71661167001）；北京工業大學大科研計劃項目（015000514316006）。

吳水才，教授，主要研究方向為生物醫學信號與圖像處理、生物醫學電子與醫療儀器。

通訊作者郵箱：wushuicai@bjut.edu.cn