社區(qū)獨(dú)居老人智能監(jiān)控系統(tǒng)的手環(huán)設(shè)計(jì)

何穎 黃艷 王騰 都柯欣 張權(quán)順

摘要：隨著世界人口老齡化問題日益嚴(yán)重，針對(duì)獨(dú)居老人的安全問題，本課題針對(duì)社區(qū)數(shù)據(jù)集成控制系統(tǒng)中的手環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該手環(huán)將老人的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與智能家居相結(jié)合，通過云平臺(tái)將數(shù)據(jù)統(tǒng)一送到社區(qū)終端，目的是讓老人在遇到突發(fā)狀況時(shí)能及時(shí)、有效的得到援助。

關(guān)鍵詞：獨(dú)居老人;智能監(jiān)控;大數(shù)據(jù);手環(huán)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP368.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）10-0163-02

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人口老齡化增長(zhǎng)的趨勢(shì)日益明顯，出現(xiàn)在空巢老人中的問題也日益突出，“關(guān)愛空巢”老人成為人們?cè)絹碓疥P(guān)注的話題。老年人的行動(dòng)能力、記憶能力、思考能力以及學(xué)習(xí)能力會(huì)逐漸衰弱，于是就出現(xiàn)了很多問題：上廁所不小心摔倒，離家忘記關(guān)門，做飯忘記關(guān)火，生病忘記吃藥，洗手忘記關(guān)水……這讓老人難以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)。截至2017年我國(guó)城市老人“空巢”家庭的比例已達(dá)49.7%，大中城市的老年人“空巢”家庭比例更高，達(dá)到56.1%。對(duì)于空巢老人而言，他們非常需要家人的陪伴，但社會(huì)的現(xiàn)狀不能滿足。如果空巢老人自己很難克服生活中的不便，那么在遇到突發(fā)狀況時(shí)，他們毫無招架之力[1-4]。在這個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題驅(qū)使下，本文針對(duì)社區(qū)數(shù)據(jù)集成監(jiān)控系統(tǒng)中的手環(huán)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該利用智能手環(huán)與智能家居系統(tǒng)相結(jié)合，以社區(qū)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)為終端，全程監(jiān)護(hù)空巢老人的生活狀態(tài)。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路

本套智能監(jiān)控系統(tǒng)是針對(duì)當(dāng)下老人而設(shè)計(jì)的。為了方便老人的使用，我們以手環(huán)作為媒介，操作起來簡(jiǎn)單便捷。本系統(tǒng)以自動(dòng)化為主，采用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)與智能家居相結(jié)合的方式，由室內(nèi)各個(gè)部分安裝的傳感器采集信息，通過藍(lán)牙設(shè)備將手環(huán)與傳感器相連。手環(huán)把收集到的信息統(tǒng)一發(fā)送到社區(qū)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，由平臺(tái)對(duì)信息進(jìn)行處理，如有異常情況會(huì)自動(dòng)報(bào)警并提供精確位置，并在第一時(shí)間通知子女。

2 手環(huán)設(shè)計(jì)

本論文著重介紹手環(huán)部分設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。手環(huán)設(shè)計(jì)主要包括主控芯片、電源模塊、定位、手環(huán)傳感器以及報(bào)警系統(tǒng)。其中，手環(huán)傳感器又包括心律傳感器、加速度傳感器以及壓力傳感器[5，6]。

2.1 芯片設(shè)計(jì)

該手環(huán)采用CC2541主控芯片作為信息處理核心，如圖2所示。該芯片性能強(qiáng)，耗能低，穩(wěn)定性好，并且體積較小，同時(shí)具備了較高的傳輸速率和出色的接收靈敏度，自帶藍(lán)牙功能可以與室內(nèi)檢測(cè)設(shè)備以及調(diào)控終端連接。能夠快速的實(shí)現(xiàn)與社區(qū)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸;并且它有40個(gè)串口能夠連接很多傳感器和其它外界設(shè)備。在手環(huán)設(shè)計(jì)中，CC2541主控芯片主要用來處理數(shù)據(jù)，產(chǎn)生控制指令[7，8]。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

該手環(huán)的電池采用BQ2423電源管理模塊，主要應(yīng)用于空間受限的地方且充電速度快，具有動(dòng)態(tài)電源路徑管理 （DPPM） 功能，在為系統(tǒng)供電的同時(shí)能獨(dú)立地為電池充電，還具有過壓保護(hù)的作用，可編程預(yù)充電和快速充電定時(shí)器。因此子女可以自主設(shè)置充電時(shí)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)充電的預(yù)定時(shí)間時(shí)，手環(huán)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，提醒老人及時(shí)充電，當(dāng)充電器與手環(huán)連接時(shí)，振動(dòng)消除。從而不會(huì)因?yàn)槭汁h(huán)沒電而影響老人的正常使用。

2.3 手環(huán)定位設(shè)計(jì)

該手環(huán)采用中國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，具有超強(qiáng)定位功能的同時(shí)還具有定位通信能力，能夠準(zhǔn)確無誤的發(fā)出位置消息，從而能夠幫助急救中心精確定位。

2.4 手環(huán)傳感器設(shè)計(jì)

手環(huán)傳感器由心率傳感器、加速度傳感器以及壓力傳感器組成。（1）心率傳感器。為了能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人的脈搏血氧和心率，該系統(tǒng)采用心率傳感器MAX30102，MAX30102是一個(gè)集成了脈搏血氧和心率檢測(cè)功能的生物傳感器模塊， 其本身集成了一個(gè)紅光LED和一個(gè)紅外光發(fā)射管、光電檢測(cè)器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。心率傳感器隨時(shí)監(jiān)測(cè)老人的身體指數(shù)，當(dāng)老人的身體指數(shù)發(fā)生異常時(shí)，手環(huán)會(huì)將信息發(fā)送到社區(qū)平臺(tái)和子女手機(jī)上，社區(qū)會(huì)在第一時(shí)間派專業(yè)人員察看老人情況。（2）加速度傳感器。為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)老人有沒有摔倒，手環(huán)采用加速度傳感器MPU-6050檢測(cè)老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 其中陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，MPU-6050免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)間軸之差的問題，減少了大量封裝空間。模塊通過檢測(cè)6個(gè)軸方向的加速度值，判斷老人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。一旦老人摔倒并在一定時(shí)間內(nèi)無法站起的情況，給社區(qū)平臺(tái)和子女發(fā)送信息，及時(shí)給老人幫助。（3）壓力傳感器。壓力傳感器我們選用TE Connectivity（TE）設(shè)計(jì)和制造的傳感元件，它運(yùn)用了硅壓阻微機(jī)械加工系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)和硅應(yīng)變片（Microfused、Krystal Bond）技術(shù)使得測(cè)壓更準(zhǔn)確、精度更高。壓力傳感器主要應(yīng)用在手環(huán)的復(fù)位鍵，老人通過觸摸手環(huán)，解除警報(bào)聲[9-11]。

2.5 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

手環(huán)中加入了的報(bào)警裝置，不僅具有及時(shí)性，還更人性化。當(dāng)手環(huán)一旦監(jiān)測(cè)到老人身體出現(xiàn)異樣或者所居住的環(huán)境產(chǎn)生問題就會(huì)及時(shí)報(bào)警，并能根據(jù)系統(tǒng)分析，判斷出情況的嚴(yán)重與否，如果超出安全值，手環(huán)將自動(dòng)向院方報(bào)警，如果接近警戒值，手環(huán)將把警報(bào)發(fā)送給社區(qū)和子女。報(bào)警裝置由手環(huán)自身的蜂鳴與振動(dòng)組成，通過終端設(shè)備將信息和定位發(fā)送到親屬聯(lián)系設(shè)備的同時(shí)向社區(qū)平臺(tái)發(fā)送警報(bào)，社區(qū)平臺(tái)發(fā)現(xiàn)異常，會(huì)在第一時(shí)間派專人前往，為老人提供援助。

3 藍(lán)牙連接設(shè)計(jì)

藍(lán)牙設(shè)備主要作用是把手環(huán)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c之配對(duì)的手機(jī)以及服務(wù)器，當(dāng)采集到的有關(guān)老人生命體征的參數(shù)異常時(shí)，比如，身體姿態(tài)異常、心律過快等。手環(huán)會(huì)通過藍(lán)牙發(fā)送給老人家人的手機(jī)以及社區(qū)平臺(tái)，以便達(dá)到預(yù)警的目的。

藍(lán)牙連接過程大致分為三步：尋找設(shè)備、連接以及通信。首先按照一定的周期廣播數(shù)據(jù)包，以及指定好的協(xié)議，看廣播數(shù)據(jù)里有沒有協(xié)議約定的數(shù)據(jù)，有的話則說明找到了目標(biāo)設(shè)備。Android設(shè)備通過系統(tǒng)提供的API開始接受廣播數(shù)據(jù)，然后在callback里獲取廣播數(shù)據(jù)。接下來進(jìn)行連接過程，可被連接的設(shè)備（Advertiser），按照一定的周期廣播ADV_IND或者ADV_DIRECT_IND包，主動(dòng)連接的設(shè)備（Initiator），在收到廣播包之后，會(huì)回應(yīng)一個(gè)CONNECT_REQ請(qǐng)求，該請(qǐng)求攜帶了可決定后續(xù)“通信時(shí)序”的參數(shù)，Initiator在發(fā)出CONNECT_REQ數(shù)據(jù)包之后，自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)镃onnection狀態(tài)，成為Master角色;同樣，Advertiser在收到CONNECT_REQ請(qǐng)求之后，也自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)镃onnection狀態(tài)，成為Slave角色。此后，雙方按照CONNECT_REQ參數(shù)所給出的約定，定時(shí)到切換到某一個(gè)Physical Channel上，按照Master->Slave然后Slave->Master的順序，收發(fā)數(shù)據(jù)，直至連接斷開。最后，主機(jī)從機(jī)通信均是通過characteristic進(jìn)行，可以將其理解為一個(gè)標(biāo)簽，通過該標(biāo)簽可以讀取或?qū)懭胂嚓P(guān)信息[12]。

4 結(jié)語(yǔ)

如今伴隨著智能手環(huán)的迅速發(fā)展，不少問題和局限性也顯現(xiàn)了出來，比如屏幕顯示不清、續(xù)航時(shí)間不長(zhǎng)、功能覆蓋不全面和測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等情況，面向人群忽略了老年人的需求。本套社區(qū)獨(dú)居老人智能監(jiān)控系統(tǒng)的手環(huán)設(shè)計(jì)，就是專為老人設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有水平的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化使得手環(huán)便于操作。將手環(huán)與智能家居相連，更好的實(shí)現(xiàn)為老人安全保駕護(hù)航的目的。手環(huán)的設(shè)計(jì)著重點(diǎn)在精確化、及時(shí)化和人性化，手環(huán)防水、耐摔、輕便，并具有超強(qiáng)續(xù)航能力。手環(huán)采用中國(guó)自主研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)，可以使手環(huán)具有超強(qiáng)的定位功能。手環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)控心率、血壓、血氧的數(shù)值變化以及自動(dòng)檢測(cè)計(jì)算數(shù)據(jù)是否異常并能夠及時(shí)提醒報(bào)警。

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