何建強(qiáng),陳 垚

(商洛學(xué)院,陜西 商洛 726000)

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的孤殘老人遠(yuǎn)程智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何建強(qiáng),陳 垚

(商洛學(xué)院,陜西 商洛 726000)

為促進(jìn)智慧養(yǎng)老的推廣，解決小區(qū)孤殘老人體檢不便、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)數(shù)量不足等社會(huì)問題，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的孤殘老人小區(qū)式遠(yuǎn)程智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)護(hù)中心3部分構(gòu)成，可完成對(duì)小區(qū)孤殘老人的實(shí)時(shí)定位,以及體溫、血壓、脈搏、血糖等體征的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。通過測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)孤殘老人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，穩(wěn)定性高，具有較好的應(yīng)用前景。

ZigBee；4G；孤殘老人；監(jiān)護(hù)

我國人口老齡化問題日趨嚴(yán)重，長(zhǎng)期以來，家庭養(yǎng)老一直作為我國養(yǎng)老模式的主要形式，但隨著我國經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，以及受計(jì)劃生育基本國策長(zhǎng)期執(zhí)行的影響，家庭規(guī)模小型化已成主流，獨(dú)生子女家庭結(jié)構(gòu)日益普遍，導(dǎo)致空巢家庭數(shù)量處于遞增狀態(tài)[1-2]。然而，目前現(xiàn)有的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)數(shù)量不足、服務(wù)水平相對(duì)較低，尤其在三線及以下的城市，主要存在的問題有：養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的數(shù)量有限，能夠承載的老人數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于社會(huì)需求，并且其信息化水平較低，事務(wù)管理及人員管理效率低下，現(xiàn)代化、信息化服務(wù)設(shè)備欠缺，尤其在監(jiān)管智障老人、專業(yè)護(hù)理失能老人等方面缺乏合理的有效手段，無法滿足老人的護(hù)理需求。這些不僅使養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的管理和服務(wù)質(zhì)量沒有保障，也給社會(huì)帶來了許多潛在的問題[3-4]。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)技術(shù)是近年來遠(yuǎn)程醫(yī)療中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，也是一個(gè)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，歐美各國一直致力于對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的研究，我國近年來也開始推動(dòng)其發(fā)展[5]。對(duì)自理能力較差的孤殘老人的日常生活狀態(tài)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，不僅能提高護(hù)理人員的護(hù)理水平和患者的生活質(zhì)量，還可以評(píng)估監(jiān)護(hù)對(duì)象的獨(dú)立生活能力和健康狀況。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了孤殘老人小區(qū)式遠(yuǎn)程智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孤殘老人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，拉近了護(hù)理人員和孤殘老人之間的距離，能為老人提供及時(shí)救助，在老人病情惡化時(shí)可提前預(yù)警，提高了護(hù)理人員護(hù)理的高效性和準(zhǔn)確性，加速了我國遠(yuǎn)程醫(yī)護(hù)管理和智慧養(yǎng)老事業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)和4G技術(shù)，在孤殘老人活動(dòng)和生活區(qū)域安裝ZigBee節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護(hù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)孤殘老人的監(jiān)護(hù)[6]。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的孤殘老人遠(yuǎn)程智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)如圖1所示。對(duì)該系統(tǒng)主要從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3部分分別進(jìn)行研究，并進(jìn)行相關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1)感知層主要通過基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集。通過安裝在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口線傳至以CC2530處理器為控制核心的網(wǎng)關(guān)模塊。

2)網(wǎng)絡(luò)層是采用4G網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。將ZigBee協(xié)調(diào)器傳至網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)護(hù)中心上位機(jī)。

3)應(yīng)用層主要是通過Web平臺(tái)設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)中心上位機(jī)軟件來完成對(duì)生理數(shù)據(jù)的綜合分析和診斷，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)老人的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。

2 人員定位網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中人員定位是基于ZigBee技術(shù)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。該定位系統(tǒng)主要由腕帶、基站、協(xié)調(diào)器、服務(wù)器和上位機(jī)組成，定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。在老人活動(dòng)的區(qū)域部署若干傳感器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)其中某傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到信號(hào)，則會(huì)立即發(fā)送至上層網(wǎng)絡(luò)，通過處理，就可得出老人的位置。

定位算法本文采用改進(jìn)的雙重質(zhì)心算法，即當(dāng)某一終端S0進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域后，將會(huì)接收到定位基站的信號(hào)，利用RSSI值排序，選出其中信號(hào)最強(qiáng)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)，如SA>SB>SC>SD。以SA、SB為頂點(diǎn)，與SC、SD可組成2個(gè)三角形，利用公式(1)可算出2個(gè)三角形的質(zhì)心，記為Za(Xa，Ya)、Zb(Xb，Yb)，然后利用公式(2)計(jì)算Za、Zb的中點(diǎn)坐標(biāo)M(Xi，Yi)。此時(shí)該中點(diǎn)坐標(biāo)即可視為終端S0的位置，即老人位置。

傳統(tǒng)質(zhì)心算法計(jì)算公式：

(1)

式(1)中，n為構(gòu)成多邊形的節(jié)點(diǎn)數(shù);xi，yi表示各個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

雙重質(zhì)心算法計(jì)算公式：

(2)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要由傳感器模塊、前端調(diào)整電路模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成。傳感器模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集；處理器模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理；無線通信模塊主要完成與ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理器的通信、數(shù)據(jù)的收發(fā)和控制信息的交換；電源模塊為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供能量[7]。硬件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)，處理器采用CC2530芯片[8]。CC2530是ZigBee新一代真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，滿足ZigBee對(duì)低成本、低功耗的要求，支持2.0～3.6 V的供電電壓，有喚醒模式、睡眠模式和中斷模式3種電源管理方式[9]。

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

由于ZigBee具有低功耗特性，通常2節(jié)5號(hào)電池的電量就可給ZigBee模塊供電長(zhǎng)達(dá)半年之久。考慮到工作持久、體積小等因素，采用5 V鋰電池進(jìn)行供電，CC2530芯片工作電壓約為1.8 V和3.3 V。為了產(chǎn)生1.8 V和3.3 V 2種電壓，選用具有過流和溫度保護(hù)的LM1117系列芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換為1.8 V和3.3 V為CC2530供電。電源電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端傳感器節(jié)點(diǎn)的流程圖如圖5所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)首先對(duì)相關(guān)硬件進(jìn)行初始化，然后對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)利用定時(shí)器中斷進(jìn)行間隔性的提取。完成一次采集后，等待下一個(gè)定時(shí)周期開始后，開啟無線發(fā)送與接收，對(duì)ZigBee協(xié)議棧初始化，并發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求信號(hào)，等待協(xié)調(diào)器響應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生定時(shí)器中斷時(shí)，立即從休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，將SD卡中存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器。若數(shù)據(jù)發(fā)送成功則進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次中斷喚醒，否則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直至成功[10]。這種工作模式降低了功耗，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

傳感器節(jié)點(diǎn)由采集存儲(chǔ)模式轉(zhuǎn)到發(fā)送模式的主要代碼如下：

void main( )

{

init_board( ); //對(duì)傳感器、SD卡、時(shí)鐘芯片等初始化

while(1)

{

If(count==3000) //定時(shí)30 s，利用定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)count++

{

Count=0;

Write_SDCard (des_addr,read_sensor( ),read_time( ));//關(guān)中斷、提取并向SDCard寫數(shù)據(jù)、開中斷

}

If(check_key( )==True) Break; //檢測(cè)按鍵是否按下

}

…… …… //協(xié)議棧初始化，入網(wǎng)，發(fā)送數(shù)據(jù)

}

4.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的配置與建立、數(shù)據(jù)的匯總與向上傳輸?shù)裙δ堋f(xié)調(diào)器獲取數(shù)據(jù)的方式是通過天線將電磁波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所獲得的數(shù)據(jù)類型有2種。一種是根據(jù)協(xié)調(diào)器的應(yīng)答來決定是否授權(quán)的終端傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請(qǐng)求信號(hào)。另一種是終端傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過接收的節(jié)點(diǎn)ID協(xié)調(diào)器來識(shí)別用戶，然后將用戶身份信息和采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，構(gòu)成新的數(shù)據(jù)包，利用4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護(hù)中心。對(duì)于本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)自組織和數(shù)據(jù)多點(diǎn)跳傳的通信協(xié)議，雖然有一定的缺點(diǎn)，但比較適合本平臺(tái)應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[11]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖如圖6所示。

4.3 監(jiān)護(hù)中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)中心的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee和4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示，供監(jiān)護(hù)人員分析、做出診斷。該軟件系統(tǒng)是基于C#語言編寫的界面將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，整個(gè)軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)登錄、人員基本信息、位置、生理數(shù)據(jù)等信息實(shí)時(shí)顯示，歷史數(shù)據(jù)查詢，參數(shù)設(shè)置，預(yù)警設(shè)置和診斷結(jié)果顯示等部分[12]。監(jiān)護(hù)中心軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試是利用終端傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星型ZigBee網(wǎng)絡(luò)在某居民小區(qū)中進(jìn)行的。體溫傳感器采用深圳Med-Linket公司YSI-400系列醫(yī)用溫度傳感器進(jìn)行體溫?cái)?shù)據(jù)采集，體溫傳感器實(shí)物圖如圖8所示；血氧飽和度采用透射法雙波長(zhǎng)光電檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，選用深圳Med-Linket公司的指壓式血氧傳感器進(jìn)行采集，血氧傳感器實(shí)物圖如圖9所示。

測(cè)試中對(duì)測(cè)試對(duì)象每隔3 min進(jìn)行一次體溫、血氧和血壓等數(shù)據(jù)采集。一次采集完成后，按下S1鍵，將采集至SD卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)護(hù)中心，監(jiān)護(hù)中心系統(tǒng)軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。對(duì)于超出正常生理指標(biāo)范圍的數(shù)據(jù)，可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，監(jiān)護(hù)人員觀察數(shù)據(jù)后采取相應(yīng)措施來確保用戶健康。數(shù)據(jù)顯示界面如圖10所示。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用ZigBee具有低功耗、自組網(wǎng)的顯著特點(diǎn)，采用CC2530芯片，以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)來完成對(duì)小區(qū)孤殘老人的實(shí)時(shí)定位，以及體溫、血壓、脈搏、血糖等體征的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，硬件和軟件設(shè)計(jì)均采用模塊化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，旨在使系統(tǒng)可以適用于不同規(guī)模和不同要求的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果證明，本系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，具有很強(qiáng)的實(shí)用性[13]。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，能夠很好地解決目前城市養(yǎng)老面臨的壓力，改變傳統(tǒng)的養(yǎng)老監(jiān)護(hù)模式，對(duì)智慧養(yǎng)老體系的逐步形成和推廣，具有很高的指導(dǎo)價(jià)值。

[1] 張波.我國居家養(yǎng)老模式研究綜述與展望[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版).2013,28(4):6-10.

[2] 陳建蘭.中國城市養(yǎng)老模式研究[D].南京：南京大學(xué),2012.

[3] 伍海霞.中國農(nóng)村網(wǎng)絡(luò)家庭中養(yǎng)老支持的趨勢(shì)與變遷[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2016,33(1):118-125.

[4] 張鄖,黃曉瑞.機(jī)構(gòu)養(yǎng)老服務(wù)需求影響因素的實(shí)證研究[J].統(tǒng)計(jì)與決策,2016(4):103-105.

[5] 袁騰,李秋紅,楊國斌,等.基于ZigBee和3G技術(shù)的WSNs環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(6):128-129.

[6] 滕志軍,何鑫,趙雷,等.基于ZigBee的孕產(chǎn)婦圍產(chǎn)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].東北的電力大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(1):90-93.

[7] 陳均,王憶文.基于ZigBee的定位和人體跌倒檢測(cè)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(12):31-35.

[8] 龐海娟,趙建平.基于ZigBee技術(shù)的礦井人員管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2010,43(8):187-189.

[9] 樊靜,王建明.基于CC2530的博物館狀況無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2011,34(6):105-109.

[10] 周躍,沈捷,花魁.基于SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(1):95-98.

[11] 滕志軍,屈銀龍,王中寶,等.基于ZigBee的高壓帶電體溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電工電能新技術(shù),2011,30(3):80-83.

[12] 段登,邱意敏,周力.基于ZigBee技術(shù)+3G網(wǎng)絡(luò)的多電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2012,21(3):185-189.

[13] 王玲芝,李春茂,袁立行.基于ZigBee技術(shù)的高壓設(shè)備溫升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù),2010,29(12):1-3.

(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Design of Remote Intelligent Monitoring System for Lonely and Elderly with Disabilities Based on IOT Technology

HeJianqiang,ChenYao

(Shangluo University,Shangluo Shanxi 726000)

In order to promote the popularization of intelligent care for old people,solve the social problems as inconvenience of physical examination for the lonely and disabled old man in community and shortage of the endowment institutions, a set of the community-based remote intelligent monitoring system for the lonely and disabled old man has been designed.The system consists of ZigBee sensor network,4G network and the monitoring center of three parts,which can realize the real-time positioning for the old and remote monitoring for physical signs such as temperature,blood pressure,pulse and blood glucose.Through testing,the system realizes the remote monitoring of the lonely and disabled old man and it has high stability and good prospects.

ZigBee;4G;lonely and elderly with disabilities;monitoring

2017-04-02

商洛學(xué)院科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：15SKY008)；陜西省商洛市科技局項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：SK2014-01-16)。

何建強(qiáng)，助教，碩士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.03.002

TN92

A

2095-4565(2017)03-0005-05