面向社區(qū)養(yǎng)老的自供能電子手環(huán)應用方案構建

劉葉 劉高平

1. 寧波財經學院/財富管理學院 浙江 寧波 315175；2. 浙江萬里學院/EDA重點實驗室 浙江 寧波 315100

引言

全國第七次人口普查結果表明，2000年至2020年我國60周歲及以上老年人口數從12997萬增加到26402萬，老年人口占總人口比例從10.4%上升到18.7%。年齡是慢性非傳染性疾病的危險因素之一。我國因慢性病而死亡者占全國總死亡人數的85%，所導致的疾病負擔占全國總疾病負擔的70%，給社會養(yǎng)老、醫(yī)療保障及家庭經濟帶來巨大壓力[1]。近年來，隨著我國“互聯(lián)網+”等信息技術的快速發(fā)展，智慧養(yǎng)老已經成為改造傳統(tǒng)養(yǎng)老產業(yè)，推動養(yǎng)老服務向智能化方向發(fā)展的重要動力[2]。

在目前養(yǎng)老資源緊張、護理人員短缺的現實環(huán)境下，穿戴式電子設備不僅能幫助提供更多醫(yī)療支持，提升慢性病、殘疾人和老年人的生活質量，還可減少住院，節(jié)省醫(yī)療開支，預防疾病或者通過提供適當幫助，有望成為現代醫(yī)療護理系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。通過根據老年人使用行為特點設計的醫(yī)療健康類可穿戴設備，采用非侵入式的環(huán)境智能技術實時監(jiān)測老年人的日常生活和身體狀況，將數據實時反饋給監(jiān)護人、家庭醫(yī)生和社區(qū)衛(wèi)生服務中心，定期為老年人推送健康報告和建議，有望成為智慧養(yǎng)老社區(qū)主要的管理措施，可用于滿足不斷增長的養(yǎng)老服務需求[3-4]。

1 穿戴式設備發(fā)展現狀

目前市場上針對老年人身體數據檢測的穿戴式電子設備已有很多，在數據傳輸上主要采用低功耗藍牙（BLE）技術。相比其他短距離傳輸技術，BLE在可穿戴設備領域具有絕對的優(yōu)勢[5]，它不僅功耗低，而且在信息傳輸方面速率大、安全性高、穩(wěn)定可靠、連接時間短，這也是目前可穿戴電子設備選擇低功耗藍牙技術的主要原因。

當前市場上針對老年人的身體指標檢測的可穿戴設備主要以基于BLE技術的電子手環(huán)為主，BLE雖然功耗很低，但是目前市場上的產品也基本上在使用幾天、最多長達1個月就要對其進行充電。由于老年人對電子產品使用大多不是很熟悉，而且對這些產品的低電量提醒不夠敏感，所以大多數時候老年人根本注意不到手環(huán)的缺電情況。出現這種情況就會造成數據信息采集的缺失，數據的缺失會影響監(jiān)護人在這一段時間內獲取該老人身體狀況的準確性，以致對老人身體病癥的治療不及時或者需要專門對老人的身體再次進行檢查[6]。

物聯(lián)網設備隨著無線通信技術的發(fā)展，雖然已經被普遍應用在許多領域，但穿戴式電子設備基本上仍采用電池供電，其中大多數電池可以反復充電，為了提高電池續(xù)航能力，減少手環(huán)充電次數，近幾年來專業(yè)研發(fā)團隊在降低電子產品耗能方面積累了豐富的經驗，但很多知名企業(yè)也難以突破電池供電續(xù)航性能的瓶頸，市場上售賣的智能手環(huán)，絕大多數的續(xù)航能力也只能維持幾天時間[7]。

為了從根本上解決電池續(xù)航時間短的問題，能量收集技術迅速發(fā)展起來。在人們生活的環(huán)境中存在豐富的能源，如光能、熱能、振動能和射頻能量，這些都是“取之不盡，用之不竭”的能量，并且是不會對環(huán)境造成污染的綠色能源[8]。

能量收集是俘獲和存儲外部環(huán)境中的微能量并且轉化成電能的過程，但是環(huán)境中微能源采集功率密度普遍較低，一直以來無法將這些能源轉換成電能為電子設備供電。隨著硅微電子技術的發(fā)展，電子系統(tǒng)的功耗越來越低，出現了微瓦級功耗的電子系統(tǒng)，使得系統(tǒng)從周圍環(huán)境中收集能量供自身持續(xù)工作成為可能[9]。

為了能合理的存儲及使用采集到的能量，學者們也對自供電物聯(lián)網設備的能量管理方案進行了不懈的研究。能量管理方案負責從環(huán)境中獲取能量，并對此能量進行管理，不僅能夠保證能量的充分采集，而且能使物聯(lián)網設備正?？煽康毓ぷ?。對于傳統(tǒng)物聯(lián)網設備，通常采用動態(tài)功率管理方式來降低設備的能耗，因此，自供能物聯(lián)網設備須在使用動態(tài)功率管理方式的前提下，還需著重考慮如何最大限度地獲取能量以及“合理”地將這些能量進行存儲和利用。

無線射頻能量采集有個明顯吸引人的地方，即收集的是完全“免費的”能量。射頻能量收集系統(tǒng)可以將環(huán)境中的射頻能量轉換成可用的電能并存儲起來。能量采集技術可以用于便攜式物聯(lián)網設備，但目前能量采集方法以太陽能供電為主，采用射頻能量采集的研究較少，整體上仍處于較為初級的階段，很少能達到實用效果，在養(yǎng)老產業(yè)的健康監(jiān)測設備中幾乎是空白。

針對目前市場上這些產品的缺陷，本文面向社區(qū)智慧養(yǎng)老的穿戴式監(jiān)護設備，從一種自供能BLE電子手環(huán)入手，探討利用環(huán)境能源進行供電的可行性，旨在解決目前市場上養(yǎng)老電子產品的電量問題，以期電子手環(huán)在無電池情況下能達到正常使用的效果，迎合老人日常使用習慣與特點，構建基于自供能電子手環(huán)的社區(qū)養(yǎng)老智能管理系統(tǒng)，為現代社區(qū)智慧養(yǎng)老智能管理打下基礎。

2 社區(qū)養(yǎng)老系統(tǒng)架構

本文基于自供能電子手環(huán)的社區(qū)養(yǎng)老智能管理系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)包括1個管理中心、k（k≥1）個匯聚節(jié)點基站Z1，Z2…Zk、m（m≥1）個無線信號發(fā)射基站A1，A2…Am、n（n≥1）個自供能電子標簽T1，T2…Tn。

圖1 基于自供能電子手環(huán)的社區(qū)養(yǎng)老智能管理系統(tǒng)示意圖

在養(yǎng)老社區(qū)現場實際應用時，一個手環(huán)安置在一位老人身上，每個手環(huán)具有唯一性識別代碼；m個無線信號發(fā)射基站分布在養(yǎng)老社區(qū)現場，系統(tǒng)工作時發(fā)射固定頻率的無線載波信號，激活覆蓋區(qū)域內所有老人身上的電子手環(huán)，為手環(huán)模塊提供能量；k個匯聚節(jié)點基站負責通過無線網絡與覆蓋區(qū)域內所有老人身上的電子手環(huán)進行通信；管理中心通過中心基站Z0與所有匯聚節(jié)點基站連接，接收匯聚節(jié)點基站發(fā)送來的信息，以及通過匯聚節(jié)點基站發(fā)送信息給電子手環(huán)。

當系統(tǒng)需要工作時，開啟無線信號發(fā)射基站電源進行發(fā)射，電子手環(huán)接收射頻信號獲取能量；當然，如果社區(qū)內已有一定強度的無線信號，則可以利用現有的無線信號能量而無須開啟無線信號發(fā)射基站。能量收集到一定容量時，手環(huán)開始工作并通過傳感器獲取老人的身體狀況參數（如溫度、心跳、步態(tài)等），然后通過無線傳感器網絡與匯聚節(jié)點基站連接，并進行數據通信，匯聚節(jié)點基站將接收到的數據后進行分析，再通過無線傳感器網絡傳送到管理中心，在管理中心可以實時得出老人身體狀況以及所處位置情況。另外，管理中心還可以通過網絡對某個或多個電子手環(huán)或匯聚節(jié)點基站進行設置，以便實現重點老人的監(jiān)測（如溫度門限閾值、電子圍欄等）。

3 自供能電子手環(huán)方案

本文提出的自供能電子手環(huán)主要由射頻能量收集模塊與無線手環(huán)模塊兩部分組成，其基本結構框圖如圖2所示。其中，無線手環(huán)模塊的功能與市售的普通電子手環(huán)相似，包括體溫與心跳等傳感器以及低功耗藍牙通信電路等。

圖2 一個自供能電子手環(huán)的結構示意框圖

射頻能量收集模塊結構框圖如圖3所示，包括收集天線、RF-DC轉換器、倍壓整流器、電子開關、DC-DC轉換器、儲能電容與電壓監(jiān)控器。其中，K為電子開關、C為儲能電容；Vcap為倍壓整流器輸出電壓，即電容C的充電電壓值。電子開關K閉合時，Vcap向DC-DC變換器輸出電流，Vout為能量收集模塊輸出電源；反之，K斷開時，DC-DC變換器無電流輸入，Vout無電源輸出。

圖3 射頻能量收集模塊的結構框圖

在圖2中，射頻能量收集模塊與無線手環(huán)模塊通過三根引線相連，分別是Vout、En、Int，其中：①Vout－射頻能量收集模塊的輸出引線，為無線手環(huán)模塊提供電源。②En－無線手環(huán)模塊發(fā)送至能量收集模塊的狀態(tài)信號。當En置為高電平時，表示手環(huán)模塊處于工作狀態(tài)；當En置為低電平時，表示手環(huán)模塊處于非工作狀態(tài)，非工作狀態(tài)又分兩種情況：如果Vcap大于門限值Vmin，表示手環(huán)模塊處于休眠狀態(tài)；如果電容放電致使Vcap降至Vmin以下時，表示電壓監(jiān)控器斷開開關K，停止輸出Vout，En端被電阻下拉為低電平，即手環(huán)模塊處于斷電狀態(tài)。這里所提及的門限值Vmin為DC-DC變換器能正常工作所需要的最低輸入電壓值。③Int－能量收集模塊發(fā)送至無線手環(huán)模塊的能量收集狀態(tài)。當充電使得Vcap升至一定電壓值（記為VH）時，Int置為高電平，通知手環(huán)模塊開啟工作；反之，當電能消耗使得Vcap降至一定電壓值（記為VL）時，Int置為低電平，強制手環(huán)模塊進入休眠狀態(tài)，等待電壓Vcap升至VH時再開啟工作。設置VL的目的是當電容電能降低過多時，讓手環(huán)模塊進入休眠而減少耗能，避免電容放電過快而致使Vcap降至Vmin，故要求VL>Vmin。一旦Vcap降至Vmin以下，手環(huán)模塊將無電供應，下一次工作得需要采集到較多的能量才能開啟。

其中，電壓值VH、VL為根據要求預設的兩個電壓值，且VH>VL，其作用是向無線手環(huán)模塊通知能量收集的狀態(tài)情況，啟動或關閉手環(huán)模塊的工作進程；信號線Int、En與開關K，是能量采集與手環(huán)模塊協(xié)同工作的關鍵，其目的主要是根據能量采集情況與手環(huán)模塊工作狀態(tài)，使得手環(huán)模塊在“工作—休眠—斷電”狀態(tài)之間自適應切換。

4 結束語

目前社區(qū)養(yǎng)老的智能監(jiān)護系統(tǒng)中老人的標識與狀態(tài)采集大多數采用電池供電的電子設備，因電池能量有限，須頻繁更換電池或充電。對于社區(qū)養(yǎng)老的老人來說，逐一更換電池非常繁瑣，或者定期對便攜式設備充電也會經常遺忘，而且廢舊電池對環(huán)境也是一個影響。本文創(chuàng)新性地提出了一種應用于社區(qū)養(yǎng)老的自供能電子手環(huán)方案，在無電池供電的情況下達到電池供電時的工作效果，并提出了一種基于自供能電子手環(huán)的社區(qū)養(yǎng)老智能管理系統(tǒng)的設計方案。

本文方案的應用有助于解決老年人不熟悉電子產品而導致的產品掉電問題，能夠及時有效地將老人的身體健康數據記錄在數據庫中，從而幫助社區(qū)醫(yī)生或監(jiān)護人能夠及時發(fā)現老人所處位置以及身體狀況，有助于解決了醫(yī)療資源短缺，減輕國家和個人醫(yī)療負擔，對社區(qū)智慧養(yǎng)老具有一定的促進作用。