基于分布式壓力采集技術的養老監護系統

關天民，熊亮，馬宇飛

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028； 2.上海大學 法學院，上海 200444)*

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基于分布式壓力采集技術的養老監護系統

關天民1，熊亮1，馬宇飛2

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028； 2.上海大學 法學院，上海 200444)*

通過對養老機構監護問題需求分析，設計了一套基于分布式壓力采集技術的養老監護系統.系統利用柔性薄膜網格傳感器采集老人活動的壓力信息，通過單片機模塊分析處理，確認老人的狀態，并通過RS- 485總線通信將老人的狀態信息傳送到監護中心，供監護中心人員分析和監測.

養老監護；壓力分布；RS- 485通信總線；實時監測

0 引言

目前我國已經步入老齡化社會，人口老齡化現象嚴重.截至2012年底，我國老年人口總數達到了1.94億，占全國人口總數的14.3%，據預測可知，到2020年，我國65歲及以上的老年人口占全國人口總數的比重將達到11.92%[1].養老機構在養老服務體系中占據著非常重要的地位.目前，我國養老機構在監護方面主要還是采用人工監護的方式，護理人員無法實時掌握老人的動態.針對這個問題，國內外許多單位開展了智能養老監護系統的研究[2- 6]，但這些系統存在著操作復雜、實時性差、妨礙活動、價格昂貴等問題，不符合我國養老監護的需求.

針對上述問題，本文提出了一種基于分布式壓力采集技術的養老監護系統.該系統包括壓力信息采集、實時數據傳輸、老人行為分析和異常狀態警報等功能，具有結構簡單、操作方便、人性化、成本低等優點.

1 系統架構設計

為了能夠實現對老人實時全面的監護，系統主要由監護終端、RS- 485總線通信、監護中心三部分組成，其框圖如圖1所示.監護終端是由傳感器、調理電路、A/D轉換電路及單片機模塊等組成，主要完成數據采集處理工作；RS- 485總線通信將各節的信號匯總并傳輸到監護中心；監護中心主要對數據進行處理，包括老人狀態判斷顯示、數據存儲、異常狀態警報等.

圖1 監護系統框圖

系統由鋪設在床鋪、床鋪周圍及衛生間門口的6片傳感器采集老人活動的壓力相關信息信號，經調理電路處理后轉換為數字信號，送單片機模塊處理.傳感器采集的信號經單片機模塊處理后，成為老人狀態數據串，將老人狀態數據串通過RS- 485總線通信傳送給監護中心.監護中心接收到數據后，對數據進行解析、判斷和保存，若判斷老人狀態異常，則向護理人員發送警報信息.同時，可通過網絡平臺共享老人的狀態信息.

2 信號采集方案

系統采用柔性薄膜網格傳感器[7]進行信號采集，該傳感器由大量陣列分布的敏感單元組成，敏感單元感測得到壓力信號后，信號首先要經調理電路處理，其中包括行列掃描電路和濾波放大電路，然后將處理后的信號送入A/D轉換模塊轉換為數字信號，再送入單片機模塊進行匯總處理.圖2為壓力采集框圖.將所有壓敏單元采集的壓力信息集總起來則可以得到壓力分布狀態信息.

圖2 壓力采集框圖

如圖3為柔性薄膜網格傳感器安放位置，A區為頭頸部監測區，B區為軀干監測區，C區為下肢監測區，D、E區為離床監區，F區為衛生間監測區.A、B、C三個監測區的傳感器可將躺在床上老人側身、腿動等動作轉換成電信號，經信號調理，傳至單片機模塊處理.D、E監測區用于監測老人是否正常離床.F監測區用于監測老人是否如廁及是否正常離開衛生間.六個監測區共同協作使對老人的監護更加可靠.六個監測區采集的壓力信息匯總到單片機處理后，以數據串的形式通過RS- 485通信總線傳送到監護中心.

圖3 監測區分布示意圖

3 監護系統設計

監護系統軟件設計的主要功能是對整個監護系統進行協調與控制，實現監護終端信息采集、處理、發送及監護中心對數據的接收、處理、實時顯示與存儲，同時對老人出現異常狀況進行警報.系統的軟件設計主要包括監護終端軟件設計和監護中心軟件設計.

3.1 監護終端軟件設計

監護終端軟件設計主要由匯編語言和VB語言進行設計，用于完成壓力采集模塊的數據采集、單片機模塊的數據處理和串行口數據的發送等工作.壓力采集模塊數據采集程序主要是實現對六個監測區進行順序采集及中斷等；單片機模塊的數據處理程序用于對六個監測區采集的數據進行逐個分析，得出六個監測區的壓力分布狀況，由六個監測區的壓力分布狀況綜合分析，判斷出老人的狀態，并把老人的狀態信息以數據串發送.

系統上電后，首先進行系統監護終端的初始化，啟動六個監測區的數據采集，采集完成后，將六個監測區采集依次送入單片機模塊進行綜合處理，得出老人狀態數據，將老人狀態數據通過RS- 485通信總線發送到監護中心計算機，數據發送完后，進行下一輪數據采集.監護終端軟件流程如圖4所示.

圖4 監護終端軟件流程圖

系統監護終端在采集壓力分布信息的同時，對壓力分布信息進行分析，判斷出老人的狀態信息，主要是判斷覺醒狀態、睡姿狀態、離床狀態、異常滯留等老人狀態信息[8].圖5為監護中心老人狀態查詢的軟件界面.

圖5 老人狀態查詢軟件界面

(1)覺醒狀態監測

在床老人覺醒后坐起會導致A、B、C三個監測區壓力分布發生變化.這種狀態下，A、C監測區的壓力分布面積較小，壓力分布主要集中在B監測區，通過軟件的分析對比，得出老人狀態為覺醒狀態.

(2)睡姿狀態監測

老人睡姿信息能夠通過對A、B、C三個監測區壓力分布信息分析得出.A、B、C三個監測區采集在床老人頭部、胸部、臀部和腿部等體壓信息，并將采集的體壓信息送入單片機模塊分析處理，根據在床老人人體與墊面接觸壓力的分布情況和接觸形狀，對照分析出老人的睡姿信息.同時，睡姿狀態的監測為護理人員提供了一個判斷臥床老人是否需要幫助翻身以防褥瘡的參考.

(3)離床狀態監測

離床狀態的監測主要是通過D、E兩個監測區來實現的.D、E監測區分布在床左右兩側，老人離床必須經過其中的一個監測區.正常離床情況下，老人是雙腳踩在監測區，并離開監測區；異常離床主要是老人落床、摔倒等狀況.連續的采集D、E監測區的壓力分布信號，通過分析：壓力分布為雙腳形，面積較小，為老人正常離床；壓力分布面積較大且變化小，則為老人異常離床.

(4)異常滯留監測

老人在衛生間的滯留時間可作為老人狀態的一個參考，當老人在衛生間的滯留時間超過限定滯留時間時，則為異常滯留.本系統采用F監測區對滯留時間進行監測，當老人進入衛生間，F監測區的傳感器采集到老人進入的信息并開始計時，當老人離開衛生間，停止計時.計時過程中，若計時超過限定滯留時間，則判斷老人為異常滯留.

監護終端監測的上述狀態都以狀態數據串的形式傳送到監護中心，供監護中心實時監控.

3.2 監護中心軟件設計

監護中心軟件主要由VB語言開發，數據庫采用SQL sever 2000構成，分為監護中心界面設計和監護中心功能應用程序設計.

3.2.1 監護中心界面設計

監護中心界面是提供給監護中心監護人員使用的軟件界面，利用賬號密碼進行登錄，監護人員可以對管理的所有老人的基本信息進行查看，修改，添加等管理.監護人員通過監護中心界面獲知老人的基本信息及老人實時狀態等相關信息.在界面設計時要充分根據老人狀態實時顯示、老人基本信息獲知、老人異常狀態提示等系統功能進行設計.

圖6為系統的主頁界面，其包含了系統的界面模塊.界面設計主要有以下幾個部分：登陸界面、注冊界面、信息管理界面、老人狀態顯示界面、狀態警報界面、監護日志界面.

圖6 主頁軟件界面

3.2.2 監護中心功能應用程序

監護中心功能應用程序用于完成數據的接收、數據分析、異常報警、老人狀態動態顯示、數據存儲等.監護中心數據通信模塊一直處于監聽狀態，等待監護終端數據傳送請求的到來，當有傳送請求到來，響應并接收數據，同時將數據保存到數據庫模塊中.數據處理模塊對監護終端傳送來的數據進行分析，并將分析的結果顯示在計算機的屏幕上.當有老人異常狀態信息出現時，則在計算機上進行提示顯示，同時向相關護理人員進行短信警報.數據庫模塊記錄了監護人員信息、老人基本信息和老人狀態信息，方便查詢，通過網絡平臺信息共享，可供遠程查詢.圖7是監護中心功能程序流程圖.圖8是監護中心實時監護界面.

圖7 監護中心功能程序流程

圖8 實時監護軟件界面

4 結論

本文設計了一種基于分布式壓力采集技術的養老監護系統.系統的監測是無捆綁、無粘貼的，減輕了老人的心理負擔.系統具有老人睡姿監測、覺醒監測、離床警告、異常滯留警告等功能.利用

該系統能夠對整個養老院范圍內的老人進行實時監護，對老人出現的異常狀態進行短信警告，防止意外事故發生，提高對老人的監護質量，同時也減輕了護理人員的工作負擔.

系統對老人的基本監護功能已實現，還存在很大的研究和改進空間.該系統將來可從以下幾個方面進行研究和改進：

(1)增加更多的生理參數采集，如老人的心率、血氧等.這樣可使對老人的監護更加全面可靠;

(2)建立安全可靠的無線網絡.提高數據的傳輸速度和穩定性;

(3)優化監護系統的人性化設計.

[1]姚人福. 基于嵌入式Web服務器的遠程醫療監護系統的研制[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學，2013.

[2]任鵬玲，李立峰，陳龍圖，等. 養老機構老年人移動體征監測系統設計[J]. 中國醫療器械雜志，2014,38(2)：111- 113.

[3]王中生，楊森，陳國紹，等.基于傳感網絡的居家養老系統設計與實現[J].電子設計工程，2014,22(1)：97- 99.

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[8]杜文忠.吉林某養老福利中心看護定位系統的設置[J].上海建設科技，2014(1):26- 27.

Study of Elder Monitoring System based Distributed Pressure Collecting Technology

GUAN Tianmin1，XIONG Liang1，MA Yufei2

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China； 2.Law School，Shanghai University，Shanghai 200444,China)

Based on the requirement analysis of nursing institutions，a set of elder monitoring system is designed based on distributed pressure collecting technology.This system collects the pressure information of elder activities by using pressure sensor arrays.After processing the singlechip module，the situation of elders will be deermined,and the data of elders situation is transmited by RS- 485 bus to the community-monitoring-center where the community nurses check the signals.

elder monitoring；pressure distribution；RS- 485 bus；real-time monitoring

1673- 9590(2017)01- 0099- 04

2016- 01- 07

大連市科技計劃資助項目(2014A11GX043)

關天民(1963-),男，教授,博士，主要從事先進運動機構與康復機構理論與技術方面的研究

E-mail:gtm@djtu.edu.cn.

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