基于多傳感器與無(wú)線通信的空巢老人智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

劉 鈺，任萬(wàn)春，2，常 琳，李德全

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽(yáng)621010；2.特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng)621010）

當(dāng)今社會(huì)人口日趨老齡化，空巢老人因無(wú)人看護(hù)而導(dǎo)致意外頻發(fā)，所以對(duì)老人進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)成為一項(xiàng)困難而又緊迫的任務(wù)[1-4]。智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能在一定程度上代替家人對(duì)老人的生理狀態(tài)、環(huán)境安全和生活情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，成為研究熱點(diǎn)[5]。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種監(jiān)測(cè)老人跌倒的看護(hù)系統(tǒng)，采用姿態(tài)傳感器識(shí)別老人的身體姿勢(shì)，可以有效檢測(cè)跌倒行為并報(bào)警，客戶端顯示跌倒位置及周圍環(huán)境，但功能過(guò)于單一；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)一款基于C 語(yǔ)言集成生產(chǎn)系統(tǒng)的居家老年人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，利用智能傳感器對(duì)老人健康信息進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能家居環(huán)境下對(duì)老人的管控與監(jiān)護(hù)，但設(shè)備只能應(yīng)用于室內(nèi)，應(yīng)用場(chǎng)景限制較大；文獻(xiàn)[8]基于STM3F4 的智慧養(yǎng)老看護(hù)系統(tǒng)采集老人居家的生理、環(huán)境參數(shù)，但老人和監(jiān)護(hù)人都無(wú)法實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，人機(jī)交互不夠完善。因此，盡管目前已開發(fā)了一些監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，但尚存在應(yīng)用場(chǎng)景受限、系統(tǒng)功能單一和人機(jī)交互不完善等問(wèn)題。

本文綜合利用多傳感器和無(wú)線通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種空巢老人智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集生理、位置、環(huán)境和睡眠等信息監(jiān)測(cè)于一體，實(shí)現(xiàn)全方位多功能看護(hù)，采用主從機(jī)設(shè)計(jì)以適應(yīng)不同場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)需求，主機(jī)為可佩戴腰間的移動(dòng)裝置，適用于室外活動(dòng)監(jiān)測(cè)；從機(jī)固定安裝在室內(nèi)（如床邊），用于監(jiān)測(cè)老人睡眠質(zhì)量與環(huán)境安全。老人通過(guò)下位機(jī)上的液晶顯示屏查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)護(hù)人通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序（application，APP）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，并調(diào)用第三方地圖定位與導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)豐富的人機(jī)交互功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件方案

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用主從機(jī)設(shè)計(jì)，如圖1所示，主機(jī)可穿戴于腰間，主要用于戶外移動(dòng)監(jiān)護(hù)。功能包括跌倒與脈搏監(jiān)測(cè)、定位、報(bào)警、顯示等。使用心率傳感器采用光電容積法[9]監(jiān)測(cè)老人心率，并將數(shù)據(jù)信息顯示在液晶顯示屏上。采用姿態(tài)傳感器利用跌倒檢測(cè)算法判斷是否發(fā)生跌倒，跌倒后蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)調(diào)用全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）模塊確定跌倒位置，通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band internet of things，NB-IoT） 模塊將定位數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)端APP，從而調(diào)用第三方地圖進(jìn)行導(dǎo)航。

圖1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)框圖Fig.1 System overall function design block diagram

從機(jī)可固定在床邊，用于室內(nèi)監(jiān)護(hù)，主要功能包括環(huán)境安全與睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)、報(bào)警、顯示等[10]。采用溫濕度傳感器和氣體傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度和煤氣含量等參數(shù)，并顯示在液晶顯示屏上。利用壓力和雨滴傳感器檢測(cè)睡眠時(shí)是否掉床、尿床等。當(dāng)環(huán)境參數(shù)異常或睡眠行為異常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)提示。

APP 安裝在監(jiān)護(hù)人手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備上，老人跌倒后地理信息自動(dòng)發(fā)送到手機(jī)APP 上，APP 調(diào)用第三方地圖顯示跌倒位置并進(jìn)行導(dǎo)航，以便及時(shí)對(duì)老人進(jìn)行救治。APP 端還可以顯示老人心率、環(huán)境參數(shù)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，一旦監(jiān)測(cè)異常便會(huì)發(fā)出警告，有效降低了老人出現(xiàn)意外事故的風(fēng)險(xiǎn)，起到有效監(jiān)護(hù)的效果。

1.2 主機(jī)硬件方案

主機(jī)需設(shè)計(jì)為可穿戴式，不能影響老人正常活動(dòng)，因此應(yīng)具備體積小、功耗低、精確度高等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用基于ARM Cortex?-M3 內(nèi)核的STM32F103C8T6 單片機(jī)；采用Pulse Sensor 光電反射式脈搏傳感器[11]；選用集加速度計(jì)、陀螺儀于一體的MPU6050 姿態(tài)傳感器作為跌倒監(jiān)測(cè)模塊[12]，檢測(cè)X，Y，Z 三軸的加速度和角速度，主控單元讀取原始數(shù)據(jù)（加速度和角速度等信息），經(jīng)過(guò)滑動(dòng)均值濾波處理，采用四元數(shù)法進(jìn)行姿態(tài)融合后得到加速度向量幅值和姿態(tài)角，然后采用跌倒監(jiān)測(cè)算法判定是否跌倒；GPS 定位模塊選用NEO-6M[13]，此模塊適用于不同人群和場(chǎng)合，具備功耗低、可靠性高、成本低、分辨率高和定位精度高等優(yōu)點(diǎn)；NB-IoT 模塊選用BC26，采用輕量級(jí)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（lightweight machineto-machine，LwM2M）發(fā)送數(shù)據(jù)到云端，利用云端自帶的數(shù)據(jù)推送服務(wù)將數(shù)據(jù)推送到APP 上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送[14]。

1.3 從機(jī)硬件方案

從機(jī)主要用于室內(nèi)監(jiān)測(cè)，安裝在床邊，因此對(duì)于體積的要求沒(méi)有主機(jī)高。選用雨滴傳感器和壓力傳感器通過(guò)輸出的模擬電壓判定老人是否有尿床、掉床行為；選用DHT11 傳感器和MQ-5 傳感器對(duì)環(huán)境安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中DHT11 傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)測(cè)溫元件，監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度，而MQ-5 傳感器使用其內(nèi)部電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，監(jiān)測(cè)煙霧、煤氣等有害氣體的濃度。NB-IoT 模塊選用BC26，利用LwM2M 協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到云端，云端將數(shù)據(jù)發(fā)送到APP。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)的軟件流程如圖2所示，主要實(shí)現(xiàn)心率、跌倒和定位功能：①心率監(jiān)測(cè)模塊初始化后，啟動(dòng)定時(shí)器，觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）采樣，檢測(cè)光電容積脈搏波，采用滑動(dòng)平均濾波處理后判斷是否異常，如果心率正常則返回重新讀取傳感器數(shù)據(jù)；如果心率異常，蜂鳴器報(bào)警同時(shí)APP 端收到報(bào)警提示并啟動(dòng)GPS 定位；②跌倒監(jiān)測(cè)模塊初始化后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并計(jì)算，判斷當(dāng)前加速度向量幅值是否大于閾值Th1，如果正常則繼續(xù)采樣，反之進(jìn)入下一步判斷姿態(tài)角是否大于閾值Th2，大于則判定為跌倒發(fā)生，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)GPS 定位；③GPS 定位模塊初始化后，單片機(jī)打開串口，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)傳感器采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到串口，串口接收到數(shù)據(jù)后對(duì)進(jìn)行解析，解析完成后判斷數(shù)據(jù)是否正確，如果正確就將經(jīng)緯度信息發(fā)送至APP，否則就返回重新采集數(shù)據(jù)解析。

圖2 主機(jī)軟件流程Fig.2 Flow chart of host software

2.2 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

從機(jī)的軟件流程如圖3所示，主要實(shí)現(xiàn)睡眠質(zhì)量和環(huán)境安全監(jiān)測(cè)：①雨滴、壓力、煙霧傳感器初始化后，單片機(jī)開啟定時(shí)器進(jìn)行ADC 采樣，讀取各傳感器輸出的電壓，判斷數(shù)據(jù)是否異常。若異常，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)APP 端收到報(bào)警提示，否則返回重新讀取傳感器數(shù)據(jù)；②溫濕度傳感器初始化后，利用延時(shí)函數(shù)采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)發(fā)送起始信號(hào)，DHT11收到起始信號(hào)后進(jìn)行應(yīng)答，單片機(jī)收到應(yīng)答后開始接收數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否異常，如果是，蜂鳴器報(bào)警同時(shí)APP 端收到報(bào)警提示，否則返回重新發(fā)送信號(hào)讀取數(shù)據(jù)。

圖3 從機(jī)軟件流程Fig.3 Slave software flow chart

2.3 無(wú)線通信數(shù)據(jù)收發(fā)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線通信數(shù)據(jù)收發(fā)軟件流程如圖4所示，主要是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收發(fā)。設(shè)備接入中國(guó)移動(dòng)打造的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)——OneNET的操作過(guò)程分為平臺(tái)側(cè)操作和設(shè)備側(cè)操作。在平臺(tái)側(cè)，完成賬戶注冊(cè)和登錄，創(chuàng)建產(chǎn)品并添加設(shè)備；在設(shè)備側(cè)，單片機(jī)通過(guò)LwM2M 協(xié)議發(fā)送AT 指令到BC26，實(shí)現(xiàn)NB-IoT 模組與NB-IoT 基站以及核心網(wǎng)等網(wǎng)元的連接，進(jìn)而單片機(jī)與OneNET 平臺(tái)進(jìn)行交互。編寫Java 語(yǔ)言搭建手機(jī)端APP，查看已經(jīng)注冊(cè)的OneNET 賬號(hào)應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）得到獲取數(shù)據(jù)的統(tǒng)一資源定位系統(tǒng)（uniform resource locator，URL），再利用軟件進(jìn)行連接測(cè)試獲取數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為Java 格式。APP 主要分為用戶注冊(cè)登錄界面、數(shù)據(jù)顯示和分析界面、用戶反饋界面、消息通知欄和獲取定位調(diào)用第三方地圖模塊。

圖4 無(wú)線通信數(shù)據(jù)收發(fā)流程Fig.4 Flow chart of wireless communication data sending and receiving

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)制作

空巢老人智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物制備如圖5所示，主機(jī)部分由腰帶和功能控制盒組成，如圖5（a）所示，腰帶采用可調(diào)節(jié)的彈力材質(zhì)，適用于不同身形的用戶，連接處采用鎖扣方式，牢固且穿脫便捷；從機(jī)由安裝在床側(cè)的功能控制盒、傳感器和隔尿墊組成，如圖5（b）所示；主從機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5（c）和圖5（d）所示。主從機(jī)上的微處理器分別與各模塊相連接而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的控制，且主從機(jī)功能控制盒表面均設(shè)有按鍵模塊和有機(jī)發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，OLED）顯示模塊。

圖5 空巢老人智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物制備Fig.5 Physical preparation of intelligent monitoring system for empty nested elderly

3.2 多功能驗(yàn)證

設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)功能，在測(cè)試時(shí)每項(xiàng)功能參數(shù)均需科學(xué)設(shè)置閾值范圍，測(cè)試結(jié)果未超出設(shè)定范圍判定為“正確”，超出范圍判定為“危險(xiǎn)情況”。①心率監(jiān)測(cè)：用系統(tǒng)中的脈搏傳感器檢測(cè)在不同狀態(tài)下的心率，并同時(shí)以商用手環(huán)（小米2）的測(cè)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，差值在2 次/min 之內(nèi)均判為正確，心率超出范圍的危險(xiǎn)情況用劇烈運(yùn)動(dòng)后的測(cè)試結(jié)果模擬；②跌倒監(jiān)測(cè)：志愿者將主機(jī)佩戴在腰間，模擬正常行為記錄誤報(bào)警次數(shù)，并分別測(cè)試向前跌倒、向后跌倒、側(cè)倒等異常行為，統(tǒng)計(jì)并記錄報(bào)警次數(shù)；③位置檢測(cè)：志愿者分別處于室內(nèi)室外的不同環(huán)境進(jìn)行定位，觀察并記錄定位誤差和成功次數(shù)；④溫濕度檢測(cè)：測(cè)試不同條件下環(huán)境的溫濕度，并同時(shí)與水銀溫度計(jì)和商用濕度計(jì)的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，差值在2 ℃和3%之內(nèi)均判為正確；⑤煤氣監(jiān)測(cè)：利用家用煤氣灶進(jìn)行測(cè)量，記錄報(bào)警次數(shù)，與家用煤氣報(bào)警器數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)；⑥尿床監(jiān)測(cè)：用浸水棉團(tuán)觸碰模塊，多次實(shí)驗(yàn)記錄報(bào)警次數(shù)；⑦掉床監(jiān)測(cè)：志愿者模擬老人夜間掉床，記錄掉床次數(shù)和報(bào)警次數(shù)進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)多功能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of system multi-function

分別對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能都進(jìn)行了100 次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總體準(zhǔn)確率達(dá)98.75%，誤報(bào)警率0.57%。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)功能全部實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)先说纳怼⑽恢谩h(huán)境、睡眠等參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，實(shí)用性高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 多場(chǎng)景適用性驗(yàn)證

志愿者佩戴主機(jī)腰帶，在代表不同場(chǎng)景的不同地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要驗(yàn)證定位精準(zhǔn)度。從機(jī)安裝固定在室內(nèi)的寢具邊緣，分別記錄白天和夜間設(shè)備運(yùn)行情況，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)多場(chǎng)景實(shí)用性測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of practicability of system in multiple scenarios

結(jié)果表明，主機(jī)腰帶適用于室外不同場(chǎng)景，定位誤差不影響監(jiān)護(hù)人確認(rèn)老人位置，位置顯示準(zhǔn)確度高，導(dǎo)航路線明確，可及時(shí)對(duì)老人進(jìn)行救治；從機(jī)適用于白天黑夜等任何時(shí)間段，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度高，危險(xiǎn)情況及時(shí)報(bào)警，能實(shí)現(xiàn)對(duì)老人的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

3.4 人機(jī)交互多樣性驗(yàn)證

如圖6所示，老人可通過(guò)設(shè)備上的液晶顯示屏實(shí)時(shí)查看自身的心率、跌倒和環(huán)境等信息，監(jiān)護(hù)人則可通過(guò)手機(jī)APP 遠(yuǎn)程跟蹤各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析結(jié)論，在危險(xiǎn)情況下會(huì)收到報(bào)警提示，并調(diào)用第三方地圖進(jìn)行導(dǎo)航。

圖6 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)與顯示效果Fig.6 Design and display effect of human-computer interaction interface

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)空巢老人監(jiān)護(hù)困難的問(wèn)題，本文運(yùn)用單片機(jī)、多傳感器和無(wú)線通信等技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種空巢老人智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，針對(duì)不同場(chǎng)景的監(jiān)護(hù)需求，設(shè)計(jì)了主從機(jī)結(jié)合的硬件系統(tǒng)，對(duì)老人的生理參數(shù)、跌倒情況、位置信息、環(huán)境安全和睡眠質(zhì)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)信息不僅可以在近端液晶屏顯示，而且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，使監(jiān)護(hù)人通過(guò)APP 掌握老人的實(shí)時(shí)情況。經(jīng)測(cè)試表明，本系統(tǒng)功能豐富完善、適應(yīng)多樣化場(chǎng)景、交互體驗(yàn)感佳，其整體監(jiān)測(cè)精度可達(dá)98.75%，誤報(bào)警率≤0.57%，可滿足空巢老人狀態(tài)的日常監(jiān)護(hù)需求。本系統(tǒng)通過(guò)改進(jìn)與完善有望獲得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，且與未來(lái)家庭網(wǎng)絡(luò)及智能家居的概念相接軌，具有廣闊的發(fā)展前景。