基于物聯網的養老小區監護系統的研究＊

郭文會，張 瑩

（蘭州理工大學技術工程學院，甘肅 蘭州 730050）

中國老年人的身體健康不容樂觀。根據對全國老年人的健康水平調查，只有20%～25%的老年人主要器官處于健康狀態。糖尿病、高血糖癥、慢性炎性支氣管炎、肺水腫和類風濕關節炎是老年人患病率高的急性疾病。根據中國城市中老年保健服務機構的調查，老年人看病率略高于其他年齡人群，住院手術率也明顯高于其他年齡人群。

目前，中國老年人患者很多，醫生相對較少，去醫院治病比較困難，費用也很高。當前的大多數監視和測試儀器都基于標準臺式計算機，具有成本高，體積大和不靈活的特點。而且，它們大多數是國外產品，設備的成本相對較高，只能在大型醫療衛生機構進行使用，不能完全滿足老年人個體和家庭的潛在醫療需求[1]。而內置智能應用程序的健康監控系統，可以更有效地解決當前問題。本系統開發成本低，體積小，重量輕，非常方便靈活。可以實現家庭與社區醫療衛生機構共同對養老小區的老年人身體進行實時監測。它還具有很強的實用價值和現實意義，能帶來很高的經濟效益[2]。

1 總體設計結構

1.1 系統體系結構

系統分為六大部分：分別為老年人自身攜帶的健康監護儀，4G 網絡，互聯網、服務器、養老小區值班人員上位PC 機,手機APP。如圖1 所示。

1.2 功能特點

圖1 系統總體結構

該系統的主要功能包括檢測老年人生理參數和生命體征。醫務人員可以通過網絡遠程通信判斷被監測人員的身體狀況，早日發現老年人的慢性病，還能及時治愈老年人的突發疾病。它具有十分先進的實時數據采集方法和非常靈活的網絡重組功能。

2 功能模塊設計

2.1 健康監護儀

健康監護儀的原理是使用各種傳感器，這些傳感器連續監測老年人的生理參數。還可以實現對老年人的生命體征實時監測，運用GPS＋4G 網絡技術完成老人的精確定位，利用4 G 技術實現實時傳輸老年人身體狀況信息，由專業醫務人員對綜合數據進行完整的統計判斷和及時的反饋與救助服務，并努力實現監護系統全面的智能化，實現老年人健康家庭監控和緊急救援以及語音消息警報和數據存儲智能化。

由心電信號采集電路、心音信號調理電路、體溫信號調理電路、脈搏信號調理電路、血壓信號調理電路、老人看護電路組成一臺完整的健康監護儀，如圖2 所示。

圖2 健康監護儀硬件組成

2.1.1 心電信號采集電路

在人體心臟各個部位的激發過程中，有內部規則的信號轉換。信號轉換的電位變化會及時記錄為調用函數。記錄調用函數變化的曲線稱為心電圖。該電路通過前端放大，高通濾波器控制電路，次級放大電路連接和二階低通濾波器電路元件，雙T 有源陷波濾波器和電平提升電路來收集老年人的心臟電信號。

2.1.2 心音信號調理電路

心音是指由心肌收縮，心臟瓣膜關閉和血液沖擊引起的振動產生的聲音。該聲音通過心音換能器轉換為相應的電信號，稱為心音圖。心音換能器用于有效提取和處理心音信號，放大和濾除無關噪聲和環境噪聲，可以輸出清晰穩定的心音信號[3]。

2.1.3 體溫信號調理電路

正常人的平均直腸溫度為37.3℃。選擇AD590作為溫度傳感器。AD590 是美國模擬器公司生產的單芯片集成溫度感測電流源。流經該設備的電流等于設備環境的熱力學溫度。AD590 的溫度范圍為-55℃～150℃。電源電壓范圍為4v～30v，測量精度高。

2.1.4 脈搏信號調理電路

脈搏波是以心跳為足夠動力的血管內傳導通路引起的體積變化和振動的一種常見現象。它還可以反映人體血管和血管內系統的重要功能，包括體液代謝的重要功能。指套式光電技術傳感器采用光電技術三極管采集脈搏信號。

2.1.5 血壓信號調理電路

MPS2100 壓力傳感器用于測量血壓壓力值。MPS2100 半導體壓力傳感器是專門為血壓檢測而設計的。它可以將壓力轉換為具有良好線性度的毫伏級差模電壓信號。輸出電壓與施加的壓力精確成比例。

2.1.6 老人看護電路

老人看護電路可對老年人行動姿態進行實時監測，實現對老年人的準確定位。該電路以MPU6050六軸運動組件對老年人姿態進行檢測，通過GPS+4G 網絡對老年人進行雙定位，同時擁有錄音模塊與語音模塊，即老年人遇突發情況，自主開啟錄音模式，記錄事發現場狀況，語言模塊給出請求幫助信息，并提醒施救者已開啟錄音，可以放心救助。

老人看護電路通過解算陀螺儀和加速度計的信息完成對老年人行動姿態的判斷。系統分為主控芯片、姿態檢測、全球定位以及電源等模塊。姿態檢測模塊核心為MPU6050 六軸運動組件，給出三軸加速度與角速度信息，并應用PID 算法完成對數據的處理，實現對老年人行動姿態的精確判斷；定位選用GPS+4G 網絡，使得定位更精準。

2.2 4G 網絡及網關

4G 網絡是第四代手機移動網絡通信的基本標準和核心技術。4G 融合了3G 和混音技術，可以采集各種彩色圖像數據。4G 直接下載數據傳輸速率不低于100Mbps，是目前新建家庭光纖寬帶聯通寬帶的25 倍，完全可以滿足幾乎現有用戶對通信業務的市場需求，網關是連接4G 網絡和互聯網之間的邊界設備。它在這一體系中起著重要的橋梁建設作用。網關接收到老年人生理指標和生命體征等數據后，首先對綜合數據包進行分析和處理，然后將處理后的信息發送給養老小區值班人員的上位PC 機，并將數據存儲到服務器的數據庫。

2.3 上位PC 機及手機App

養老小區值班人員上位PC 機，安裝了專用的監護系統軟件，軟件采用良好的人機交換窗口。具有實時顯示采集數據、智能判斷、及時報警和數據統計等多種功能[4]。

手機App 具有養老小區值班人員上位PC 機相似的基本功能，可隨時隨地查詢養老小區老年人的生理指標和生命體征，對突發事件及時報警。其可移動性的特點為養老小區的老年人監護帶來了極大的便利。

3 服務器管理軟件

用目前最流行的Windows 平臺應用程序開發環境visual studio，采用visual C++進行基于物聯網的養老小區監護系統的研制。具有數據采集、智能診斷、即時通訊、突發事件報警等功能[5]。

4 結論

系統中的健康監護儀具有操作容易簡單、體積小、便攜型、低功耗等特點。適合老年人使用。該系統可以實時監測老年人生理指標和生命體征、對養老小區的老年人及時醫治和救助。本系統集成度高、動態響應特性良好、實時性強。優化了報警精度，實用性強，是移動醫療和遠程醫療網絡的典型案例。