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

劉 鈺，任萬春，2，常 琳，李德全

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽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621010）

當(dāng)今社會人口日趨老齡化，空巢老人因無人看護(hù)而導(dǎo)致意外頻發(fā)，所以對老人進(jìn)行全面監(jiān)測成為一項(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)測老人跌倒的看護(hù)系統(tǒng)，采用姿態(tài)傳感器識別老人的身體姿勢，可以有效檢測跌倒行為并報(bào)警，客戶端顯示跌倒位置及周圍環(huán)境，但功能過于單一；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)一款基于C 語言集成生產(chǎn)系統(tǒng)的居家老年人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，利用智能傳感器對老人健康信息進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)智能家居環(huán)境下對老人的管控與監(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)人都無法實(shí)時(shí)查看監(jiān)測數(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)用場景受限、系統(tǒng)功能單一和人機(jī)交互不完善等問題。

本文綜合利用多傳感器和無線通信等技術(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)不同場景的監(jiān)測需求，主機(jī)為可佩戴腰間的移動裝置，適用于室外活動監(jiān)測；從機(jī)固定安裝在室內(nèi)（如床邊），用于監(jiān)測老人睡眠質(zhì)量與環(huán)境安全。老人通過下位機(jī)上的液晶顯示屏查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)護(hù)人通過手機(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，主要用于戶外移動監(jiān)護(hù)。功能包括跌倒與脈搏監(jiān)測、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、報(bào)警、顯示等[10]。采用溫濕度傳感器和氣體傳感器監(jiān)測環(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睡眠時(shí)是否掉床、尿床等。當(dāng)環(huán)境參數(shù)異?；蛩咝袨楫惓r(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)提示。

APP 安裝在監(jiān)護(hù)人手機(jī)等移動終端設(shè)備上，老人跌倒后地理信息自動發(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)測數(shù)據(jù)，一旦監(jiān)測異常便會發(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，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)測模塊[12]，檢測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)過滑動均值濾波處理，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，安裝在床邊，因此對于體積的要求沒有主機(jī)高。選用雨滴傳感器和壓力傳感器通過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 傳感器對環(huán)境安全進(jìn)行監(jiān)測，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)測溫元件，監(jiān)測環(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應(yīng)的輸出信號，監(jiān)測煙霧、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)測模塊初始化后，啟動定時(shí)器，觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）采樣，檢測光電容積脈搏波，采用滑動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GPS 定位；②跌倒監(jiān)測模塊初始化后，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：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，DHT11收到起始信號后進(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)送信號讀取數(shù)據(jù)。

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

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

無線通信數(shù)據(jù)收發(fā)軟件流程如圖4所示，主要是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收發(fā)。設(shè)備接入中國移動打造的物聯(lián)網(wǎng)平臺——OneNET的操作過程分為平臺側(cè)操作和設(shè)備側(cè)操作。在平臺側(cè)，完成賬戶注冊和登錄，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 平臺進(jìn)行交互。編寫Java 語言搭建手機(jī)端APP，查看已經(jīng)注冊的OneNET 賬號應(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)行連接測試獲取數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為Java 格式。APP 主要分為用戶注冊登錄界面、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)測系統(tǒng)制作

空巢老人智能監(jiān)測系統(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)對照試驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)功能，在測試時(shí)每項(xiàng)功能參數(shù)均需科學(xué)設(shè)置閾值范圍，測試結(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：用系統(tǒng)中的脈搏傳感器檢測在不同狀態(tài)下的心率，并同時(shí)以商用手環(huán)（小米2）的測結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，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)動后的測試結(jié)果模擬；②跌倒監(jiān)測：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：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：測試不同條件下環(huán)境的溫濕度，并同時(shí)與水銀溫度計(jì)和商用濕度計(jì)的測量值進(jìn)行對比，差值在2 ℃和3%之內(nèi)均判為正確；⑤煤氣監(jiān)測：利用家用煤氣灶進(jìn)行測量，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；⑥尿床監(jiān)測：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：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)行對比。測試結(jié)果如表1所示。

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

分別對系統(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)測功能全部實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)先说纳?、位置、環(huán)境、睡眠等參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)測，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 多場景適用性驗(yàn)證

志愿者佩戴主機(jī)腰帶，在代表不同場景的不同地點(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，測試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)多場景實(shí)用性測試結(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)測準(zhǔn)確度高，危險(xiǎn)情況及時(shí)報(bào)警，能實(shí)現(xiàn)對老人的實(shí)時(shí)監(jiān)測和保護(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)人則可通過手機(jī)APP 遠(yuǎn)程跟蹤各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析結(jié)論，在危險(xiǎn)情況下會收到報(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

針對空巢老人監(jiān)護(hù)困難的問題，本文運(yùn)用單片機(jī)、多傳感器和無線通信等技術(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，針對不同場景的監(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，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)無線傳輸，使監(jiān)護(hù)人通過APP 掌握老人的實(shí)時(shí)情況。經(jīng)測試表明，本系統(tǒng)功能豐富完善、適應(yīng)多樣化場景、交互體驗(yàn)感佳，其整體監(jiān)測精度可達(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)通過改進(jìn)與完善有望獲得良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，且與未來家庭網(wǎng)絡(luò)及智能家居的概念相接軌，具有廣闊的發(fā)展前景。