基于CLIPS的居家老年人監(jiān)護系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李亞鋒 何 呈 邵雪平

1 山東大學 青島 266000

2 江蘇科技大學 鎮(zhèn)江 212000

3 三維通信股份有限公司 杭州 310053

引言

隨著年齡增長和其他因素，老年人的生理機能和自理能力在不斷衰退，獨居老年人的日常生活存在著安全風險[1]。如何智能地監(jiān)護獨居老年人的生命健康，已逐漸演變成一個社會問題。結合利用現(xiàn)代科學技術，設計一套面向獨居老年人的智能化健康監(jiān)護系統(tǒng)，對于提高獨居老年人的安全性和生活質量，具有非常積極的意義。

研究發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)展階段、網(wǎng)絡設施和產(chǎn)品價格等因素影響，國內(nèi)老年人監(jiān)護系統(tǒng)的技術與國外相比仍存在較大差距。目前，國內(nèi)智能家居老年人監(jiān)護系統(tǒng)的水平，遠未實現(xiàn)標準化和市場化，系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全形成，用于照顧老年人的智能監(jiān)護系統(tǒng)的開發(fā)仍處于起步階段，科學設計和發(fā)展有很大空間[2]。現(xiàn)有的國內(nèi)外老年人監(jiān)護系統(tǒng)，主要面向特定人群和大型場所進行設計，開發(fā)周期長、生產(chǎn)成本高、可拓展性弱且后期維護復雜，無法滿足大多數(shù)人的消費需求和水平，不適用于居家環(huán)境，在一定程度上阻礙了相關產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和技術的提升[3]。

專家系統(tǒng)具有較好的數(shù)據(jù)判決和聯(lián)動控制能力，可以在一定程度上提升家居環(huán)境下老人監(jiān)護系統(tǒng)的性能。然而，已有的結合專家系統(tǒng)的監(jiān)護系統(tǒng)主要應用于社區(qū)醫(yī)院、重癥監(jiān)護室的場景下，利用專家系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的預處理，僅針對特殊的心血管疾病患者和重癥兒童進行智能化識別、存儲和遠程監(jiān)護[4-5]；此外，也有一些智能家居系統(tǒng)利用專家系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)判決和聯(lián)動控制，但其更多地針對安防、節(jié)能和提供舒適生活環(huán)境問題[6-7]。在上述系統(tǒng)中，專家系統(tǒng)的功能較為簡單，只是實現(xiàn)了數(shù)據(jù)格式的調整、數(shù)據(jù)閾值的判斷，再通過其他方式進行最終的處理，還無法滿足市場的需求。針對以上問題，我們將智能家居、監(jiān)護系統(tǒng)和專家系統(tǒng)相結合，對數(shù)據(jù)進行更加智能化的處理，進一步完善現(xiàn)有的方法和功能。

本文針對獨居老年人家庭生活中存在的安全隱患，結合智能家居和健康監(jiān)護技術，設計了一款安全實用的居家老年人監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)通信和計算機技術，利用智能傳感器對老年人健康信息進行檢測，通過ZigBee進行無線網(wǎng)絡通信，借助CLIPS(C Language Integrated Production System)專家系統(tǒng)對數(shù)據(jù)智能化處理。系統(tǒng)一旦檢測到數(shù)據(jù)異常，及時對相關人員進行通知和預警，實現(xiàn)老年人健康信息的實時檢測與異常處理，同時可與監(jiān)護者進行實時交互等功能。該系統(tǒng)集智能家居、智能傳感器、無線網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)技術于一體，利用一種遠程可視化數(shù)據(jù)交互的方法，實現(xiàn)智能家居環(huán)境下安全可靠的遠程管控與監(jiān)護；此外，其適用于小型場所的監(jiān)護和部署，實現(xiàn)老年人日常生活的健康監(jiān)護，提高獨居老年人的安全性和生活質量。

1 系統(tǒng)總體設計

圖1 系統(tǒng)整體框架

本文設計的居家老年人監(jiān)護系統(tǒng)，應用了智能傳感器、ZigBee和CLIPS專家系統(tǒng)技術。如圖1所示，整個系統(tǒng)可分三部分：智能傳感器網(wǎng)絡、ZigBee無線網(wǎng)絡和PC用戶端。其中，智能傳感網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡進行通信，完成健康與環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和智能家居的控制；無線網(wǎng)絡與PC用戶端進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；網(wǎng)絡攝像頭和PC用戶端進行通信，完成老年人生活行為的實時監(jiān)控；PC用戶端與專家系統(tǒng)進行交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化處理和異常反應。為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)模塊間的協(xié)同穩(wěn)定運行，我們將CLIPS專家系統(tǒng)嵌入到PC用戶端，通過無線網(wǎng)絡對傳感器采集的老人健康信息和智能家居的狀態(tài)信息進行高速傳輸并智能化處理，搭建智能家居和實時監(jiān)護的一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)家居的智能化檢測與控制，對老人生活進行健康監(jiān)測與遠程監(jiān)護。

傳感器技術是獲取信息的重要手段，已成為世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標志和推動力。ZigBee是一種抗干擾能力強、成本功耗低的無線技術，具有強大的自組網(wǎng)和自我恢復能力，適合應用于工業(yè)自動控制和智能家居領域[8]。專家系統(tǒng)利用人工智能和計算機技術模擬人類對問題進行推理判斷和過程建模，是人工智能領域研究中最重要和活躍的部分。為滿足大數(shù)據(jù)對智能處理的迫切需求，以模型為主、規(guī)則為輔是專家系統(tǒng)未來的發(fā)展方向[9]。

2 系統(tǒng)詳細設計與實現(xiàn)

2.1 ZigBee無線網(wǎng)絡的設計

本文選用CC2530模塊，是TI公司的SoC解決方案，內(nèi)部集成了Z-Stack協(xié)議棧。利用ZigBee協(xié)調器組建無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡的初始化、信道的掃描和網(wǎng)絡的維護和配置。

2.1.1 協(xié)調器節(jié)點

協(xié)調器節(jié)點是無線網(wǎng)絡的核心模塊，實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡建立、地址分配、信息管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鱗10-11]。本文設計的協(xié)調器節(jié)點與PC用戶端進行串口通信，作為網(wǎng)關模塊，進行無線網(wǎng)絡終端和PC用戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee協(xié)調器的工作流程如圖2所示。

利用ZigBee協(xié)調器組建無線網(wǎng)絡，終端節(jié)點主動掃描周圍的可選網(wǎng)絡并向合適的協(xié)調器發(fā)送連接請求，等待響應。協(xié)調器給請求連接的終端節(jié)點提供短地址，并發(fā)送具有成功連接和網(wǎng)絡通訊地址的響應命令，之后終端可正常與協(xié)調器進行通信。

圖2 ZigBee協(xié)調器的工作原理

2.1.2 終端節(jié)點

對于終端節(jié)點處理模塊，選用功能強大的STM32F103系列芯片作為微控制器，芯片基于ARM內(nèi)核且設計用于高性能和低成本功耗的嵌入式應用[12]。ZigBee終端的工作流程如圖3所示。

圖3 ZigBee終端的工作原理

本文設計的終端節(jié)點分為傳感終端與控制終端。在與協(xié)調器連接成功后，根據(jù)指令進行數(shù)據(jù)處理和相關操作。其中，傳感終端用于檢測人體健康和家庭環(huán)境信息，控制終端用于家電的狀態(tài)檢測和智能控制。

2.2 傳感器網(wǎng)絡的設計

2.2.1 人體體溫節(jié)點

選用MLX90614紅外測溫模塊，進行人體體溫測量。該模塊選用熱電元件作為紅外感應部分，具有測量精度高、響應速度快和抗干擾能力強的優(yōu)點[13]。物體測量溫度與模塊自身溫度共同作用產(chǎn)生輸出信號，所選用模塊在理想情況下的輸出電壓為：

其中單位為攝氏度，是靈敏度常數(shù)。利用標準I2C協(xié)議進行模塊通信，從模塊內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)由高8位(DataH)和低8位(DataL)雙字節(jié)組成，代入下式轉換為標準溫度數(shù)據(jù)：

2.2.2 人體心跳血氧節(jié)點

選用MAX30102心率血氧模塊，進行人體心率和血氧濃度的精準測量。動脈搏動的過程隨心跳周期性發(fā)生變化，因此模塊輸出電信號的變化周期等于脈搏頻率[14]。讀取內(nèi)存中的氧合血紅蛋白濃度和血紅蛋白，血氧飽和度可通過下式計算：

利用標準I2C協(xié)議讀取模塊轉換后的光強度數(shù)值，通過應用軟件編寫轉換算法可以獲得模塊所測實際數(shù)據(jù)值，從而計算人體心率和血氧。

2.2.3 環(huán)境溫濕度節(jié)點

選用HTU21D溫濕度傳感器，部署于老年人的居住場所，對環(huán)境的溫濕度信息進行采集，與其他檢測數(shù)據(jù)相結合，實現(xiàn)家庭內(nèi)部環(huán)境健康質量的檢測[15]。利用標準I2C協(xié)議進行模塊之間的通信，讀取模塊內(nèi)存中的測量數(shù)據(jù)，將濕度數(shù)據(jù)代入下式，計算相對濕度：

2.2.4 環(huán)境異常氣體節(jié)點

選用MQ-5可燃氣體傳感器，用于家庭環(huán)境的氣體監(jiān)測。傳感器模塊具有TTL數(shù)字和模擬輸出端，利用芯片端口讀取模塊的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)轉換處理后實現(xiàn)氣體檢測。

2.2.5 智能控制節(jié)點

智慧互聯(lián)作為智能家居的一項重要特性，被廣泛應用于家庭和社區(qū)環(huán)境中[16]。為了增強系統(tǒng)的普適性，提高系統(tǒng)的靈活度，本文在居家老人監(jiān)護系統(tǒng)中使用無線插座，實現(xiàn)對家用電器的控制。所設計的無線插座將無線網(wǎng)絡與電源插座結合，智能插座可以接收PC用戶端的命令，實現(xiàn)相關電器的智能控制。

為保證系統(tǒng)對上述傳感器模塊測量數(shù)據(jù)的準確獲取，需對一段時間內(nèi)傳感器測量的數(shù)據(jù)進行處理，若數(shù)據(jù)平穩(wěn)變化，取其均值作為傳輸數(shù)據(jù)；若數(shù)據(jù)僅是抖動和突變，取其平穩(wěn)階段數(shù)據(jù)進行傳輸，從而消除模塊所產(chǎn)生的異常值，確保數(shù)據(jù)的正確與穩(wěn)定，輸入至控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.3 基于CLIPS的數(shù)據(jù)處理與監(jiān)護機制

CLIPS是一種產(chǎn)生式的高效正向推理系統(tǒng)，促進了工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療事業(yè)和其他領域的發(fā)展與進步。CLIPS專家系統(tǒng)由事實庫(存儲推理所需數(shù)據(jù))、知識庫(所有規(guī)則和規(guī)則表)和推理機(提供對系統(tǒng)操作的全面控制)組成[17]。

2.3.1 CLIPS的總體設計

本文設計的監(jiān)護系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對老年人健康和家居環(huán)境信息的智能處理和異常反應。所搭建的專家系統(tǒng)，將實時檢測的數(shù)據(jù)和命令與所建的知識庫進行匹配和推理，判斷老年人的健康情況，分析家居環(huán)境的相關情況，并給出指導建議。專家系統(tǒng)的總體結構如圖4所示。系統(tǒng)通過對各功能模塊的協(xié)調調用，實現(xiàn)對老年人健康和家居環(huán)境異常狀況的實時監(jiān)測。

圖4 專家系統(tǒng)的總體框圖

2.3.2 事實庫模塊

事實表示CLIPS中已知的數(shù)據(jù)信息，代表事實列表中的一段信息，是規(guī)則調用數(shù)據(jù)的基本單元。在本文中，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化處理，提高專家系統(tǒng)的推理速率和準確度，同時便于系統(tǒng)功能的優(yōu)化調整以及新功能的增添，我們進行了處理模板和事實的自定義設計，實現(xiàn)系統(tǒng)的處理過程模塊化，具體操作如下。

1)自定義模板：重復利用CLIPS中相同的關系結構和關系名。本文定義了4個模板：閾值模板，用于檢測數(shù)據(jù)的閾值控制；數(shù)據(jù)模塊，用于保存?zhèn)鞲衅鳈z測的數(shù)據(jù)；修改模塊，用于事實數(shù)據(jù)的修改；結果模塊，用于推理結果的存儲。自定義模板的格式為：

2)自定義事實：自動聲明一組事實，添加到事實庫內(nèi)。本文對老年人健康、家庭環(huán)境和智能家電的相關閾值以及推理結果，進行自定義事實的生成，用于專家系統(tǒng)的初始化。自定義事實的格式為：

2.3.3 知識庫模塊

為了提高匹配效率，CLIPS使用了規(guī)則的預編譯技術和快速匹配算法RETE[18]。由于知識庫的啟發(fā)式智能搜索方式，有序化和結構化的數(shù)據(jù)會加快推理機的推理速率，本文設計了5個規(guī)則模塊：閾值檢測模塊、更新模塊、健康信息模塊、環(huán)境信息模塊和推理模塊，用于對數(shù)據(jù)的綜合推理以及推理結果的生成。此外，為了保證數(shù)據(jù)的真實性和準確性，我們設計了信息糾正規(guī)則模塊，在保證正常運行的情況下，對一段時間內(nèi)的信息進行數(shù)據(jù)分析，判斷正在處理數(shù)據(jù)的正確性，并進行后續(xù)的操作，對錯誤數(shù)據(jù)進行修正，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和智能化。

2.3.4 推理機模塊

根據(jù)所建知識庫，利用所采集的老年人健康和家居環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)預處理后生成相關CLIPS格式的事實，通過事實庫與知識庫之間的識別和匹配，完成系統(tǒng)的推理工作并能夠輸出推理結果。

推理流程如圖5所示，專家系統(tǒng)讀取并解析傳入的數(shù)據(jù)流，生成已定義格式的事實并存入事實庫；利用RETE快速匹配算法對事實庫內(nèi)的事實和已定義規(guī)則庫內(nèi)的規(guī)則進行匹配，憑借預設的沖突消除機制確保推理工作的正常進行；生成最后的診斷結果，回傳系統(tǒng)前端實現(xiàn)可視化。

圖5 推理流程圖

2.3.5 CLIPS專家系統(tǒng)的應用

目前有很多編程語言，支持將CLIPS嵌入到其他系統(tǒng)中，實現(xiàn)專家系統(tǒng)的調用。系統(tǒng)選用CLIPSNet組件嵌入方式，實現(xiàn)了專家系統(tǒng)與PC用戶端的交互，進行數(shù)據(jù)的智能處理與異常反應[19]。

2.4 PC用戶端的設計與實現(xiàn)

本文有關用戶端的研究與系統(tǒng)開發(fā)均在Windows10操作系統(tǒng)、Intel (R) Core(TM) i5-9400F CPU、16G運行內(nèi)存和GTX1660顯卡的配置下進行，選用IP攝像頭，安裝Visual Studio、CLIPS 6.30等開發(fā)軟件。

為了保證老年人生活場所的智能化以及身體健康的實時性監(jiān)護，我們在系統(tǒng)中加入了遠程管控和異常提醒的功能：根據(jù)專家系統(tǒng)的推理結果，在保證安全的情況下，監(jiān)護者可以實現(xiàn)對智能家庭設備的遠程控制；若老年人身體異常，系統(tǒng)會及時向相關人員發(fā)出相應的提示信息，實現(xiàn)對老年人的及時醫(yī)治和健康幫助。

2.4.1 用戶端界面

本文設計的PC用戶端是在Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境下，基于C#語言的.NET框架開發(fā)。具體如圖6所示，PC用戶端主要由以下模塊構成：系統(tǒng)端口設置、信息顯示、智能檢測和控制、參數(shù)設置、推理結果顯示、異常提醒和遠程監(jiān)控部分。

圖6 PC用戶端主界面

2.4.2 串口通信

通過串口實現(xiàn)PC用戶端與ZigBee協(xié)調器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)根據(jù)通信幀結構來解析數(shù)據(jù)，將相關數(shù)據(jù)顯示在用戶端界面。同時，將解析數(shù)據(jù)傳遞給內(nèi)部專家系統(tǒng)，進行智能信號處理。監(jiān)護者可根據(jù)專家系統(tǒng)的推理結果，進行相關的異常處理操作。

2.4.3 專家系統(tǒng)交互

利用C#調用組件內(nèi)有關CLIPS推理機的推理函數(shù)，控制CLIPS推理機的運行，實現(xiàn)專家系統(tǒng)與PC用戶端正常交互和穩(wěn)定運行。對CLIPS的調用如圖7所示，通過對組件函數(shù)的調用，實現(xiàn)與CLIPS的信息交互，將推理結果顯示在用戶端主界面。

2.4.4 異常提醒

本文設計的異常提醒模塊由短信和郵件構成。利用C#語言實現(xiàn)用戶端與SMS短信通平臺和SMTP服務器的連接，完成短信和郵件的實時發(fā)送。監(jiān)護者可以根據(jù)推理結果，發(fā)送短信或郵件給最近醫(yī)護人員或其他人員，及時對老年人進行醫(yī)治和幫助。

2.4.5 遠程監(jiān)控

本文設計的遠程監(jiān)控部分，利用OpenCV與攝像頭進行通信，實時獲取攝像頭捕獲的視頻數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡回傳至PC用戶端，實現(xiàn)了老年人生活行為的實時監(jiān)護。

圖7 CLIPS的調用過程

3 測試與分析

3.1 用戶端測試

搭建ZigBee無線網(wǎng)絡，運行PC用戶端，選擇合適的串口端口和IP地址并設置系統(tǒng)相關參數(shù)。主界面測試結果如圖8所示。

經(jīng)測試，主界面運行正常：ZigBee完成組網(wǎng)工作，將傳感器獲取的老年人健康、家庭環(huán)境和家電狀態(tài)的相關信息顯示在界面相應位置；專家系統(tǒng)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)進行正常推理工作，將推理結果與建議顯示在界面相應位置；攝像頭完成遠程鏈接，將老年人行為的視頻信息顯示在界面相應位置。

3.2 專家系統(tǒng)推理測試

對PC用戶端傳遞數(shù)據(jù)進行解析和處理，測試專家系統(tǒng)事實庫、規(guī)則庫和推理機模塊的性能。選用波特率為9 600bit/s，進行2 000次相關測試，詳情如表1所示。

經(jīng)過測試可知，專家系統(tǒng)的設計模塊可以正常運行，分析和處理用戶端傳入的數(shù)據(jù)，在綜合所有規(guī)則進行最后決策時，考慮到多個規(guī)則之間的關聯(lián)和置信度，會在最終的數(shù)值方面有些許偏差，但不影響總體的結果判斷。

3.3 串口通信測試

本文設計的專家系統(tǒng)可實現(xiàn)每秒多次推理和信息更新，足以進行異常狀況的推理，執(zhí)行相關措施。在實驗室環(huán)境下，選用不同波特率的串口傳輸速率，分別進行1 000次測試，計算一段時間內(nèi)專家系統(tǒng)的推理準確性。如表2所示。

測試結果可知，串口傳輸速率偏高時，對專家系統(tǒng)推理工作具有一定的影響，會降低推理結果的準確度。真實情況下，不需要過高的波特率對數(shù)據(jù)進行傳輸，9 600bit/s波特率便滿足需求。總體來看，所設計的監(jiān)護系統(tǒng)運行穩(wěn)定，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和推理，有較為完善的交互功能和人性化體驗。

3.4 異常提醒測試

為便于與家屬互動，設計了系統(tǒng)短信與郵件推送提醒模塊。選用不同郵箱平臺，對短信和郵件模塊進行測試，結果表明，短信和郵件提醒模塊運行正常，可及時準確的發(fā)送短信和郵件給指定人。

圖8 主界面測試圖

表1 專家系統(tǒng)準確度測試

表2 傳輸速率對推理結果的影響

4 結束語

現(xiàn)有的國內(nèi)外老年人監(jiān)護系統(tǒng)，絕大多數(shù)尚未與智能家居技術相結合，開發(fā)成本偏高且后期維護復雜，無法滿足社會的應用需求和消費水平。針對這一問題，基于物聯(lián)網(wǎng)通信和計算機技術，本文設計了一套智能化的居家老年人監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)結合智能傳感器、ZigBee無線網(wǎng)絡和CLIPS專家系統(tǒng)技術，設計開發(fā)PC用戶端，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化與可操作性。系統(tǒng)集成了CLIPS專家系統(tǒng)，將智能家居與監(jiān)護系統(tǒng)相結合，利用無線通信和傳感器技術，用一種遠程可視化數(shù)據(jù)交互的方法，實現(xiàn)智能家居環(huán)境下安全可靠的遠程管控與監(jiān)護。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)可以提高獨居老年人的健康安全和生活質量。同時系統(tǒng)在小型居家環(huán)境的可適應性、可拓展性和可維護性較強。下一步將針對被監(jiān)護者的數(shù)量和應用場景進行拓展，實現(xiàn)多人監(jiān)護以及養(yǎng)老院等復雜環(huán)境下的實際應用，對使用者的安全與隱私進行信息保護。