社區(qū)居家養(yǎng)老健康與環(huán)境傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)珊

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空管理工程學(xué)院, 陜西 西安 710089)

0 引言

我國(guó)社會(huì)老齡化現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，由于獨(dú)生子女家庭比例不斷增加，對(duì)傳統(tǒng)的家庭養(yǎng)老模式帶來(lái)沖擊，受到傳統(tǒng)家庭倫理觀(guān)念的影響，現(xiàn)階段養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的普及率較低，且存在數(shù)量較少、費(fèi)用較高等問(wèn)題和不足，難以滿(mǎn)足未來(lái)市場(chǎng)巨大的養(yǎng)老需求，迫使社區(qū)居家養(yǎng)老模式得到快速地發(fā)展和完善，同家庭養(yǎng)老模式形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，居住在家的老人仍然由子女完成主要的照料工作，同時(shí)由社區(qū)提供包括送飯上門(mén)、醫(yī)療和安全防護(hù)等必要的日常居家服務(wù)。

1 需求分析

實(shí)現(xiàn)安全舒適的居家養(yǎng)老是應(yīng)對(duì)老齡化社會(huì)的重要手段， 快速發(fā)展完善的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、信息、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為智能居家養(yǎng)老提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，促使居家養(yǎng)老系統(tǒng)得到快速發(fā)展，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信、傳感器、嵌入式技術(shù)手段的綜合應(yīng)用已使遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)和控制功能得到有效實(shí)現(xiàn)(通過(guò)監(jiān)控中心和手機(jī)終端即可完成)，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境及老人生理參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取與監(jiān)測(cè)功能，在此基礎(chǔ)上為社區(qū)內(nèi)老人提供一些實(shí)用有針對(duì)性的包括健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境安全監(jiān)控和醫(yī)療等在內(nèi)的服務(wù)，從而確保老人能夠安心舒適地居家養(yǎng)老。近幾年，以生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)為代表的傳感器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在居家養(yǎng)老中通過(guò)使用基于傳感器設(shè)計(jì)的穿戴式采集器實(shí)現(xiàn)了對(duì)老人各項(xiàng)生理參數(shù)與生活環(huán)境的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)控功能，性?xún)r(jià)比較高的ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，在遠(yuǎn)程自動(dòng)控制領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，具有可嵌入各種終端、可靠性高、復(fù)雜度低、容量大等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到構(gòu)建智能居家養(yǎng)老系統(tǒng)中可有效滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行需求。本文使用ZigBee 技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能社區(qū)居家養(yǎng)老系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于家庭內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建，主要為社區(qū)內(nèi)的老年人提供相應(yīng)的養(yǎng)老服務(wù)，由于老年人行動(dòng)不便，比較容易出現(xiàn)人身安全問(wèn)題，本文系統(tǒng)以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、健康醫(yī)療、智能安防功能作為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控居家環(huán)境信息及老人生理參數(shù)，更加貼近老年人的生活實(shí)際情況，以便更好地為社區(qū)居家養(yǎng)老提供高質(zhì)量服務(wù)[1]。

2 智能居家養(yǎng)老系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的居家養(yǎng)老系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)可有效降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，主要由協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，為了在降低功耗的同時(shí)提升系統(tǒng)的處理能力，設(shè)計(jì)采用了 ARM 智能網(wǎng)關(guān)。(1) 在ZigBee 技術(shù)背景下，完成基于多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的家庭傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，包括溫濕度、安防信息等在內(nèi)的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)和包括血糖、血壓、脈搏等在內(nèi)的老年人主要生理參數(shù)，由ZigBee 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成采集過(guò)程，家中的燈光及家電設(shè)備等由ZigBee 控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)相關(guān)控制指令(由監(jiān)控中心發(fā)布)完成控制過(guò)程。(2) 通過(guò)家庭傳感網(wǎng)絡(luò)完成終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的采集，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與智能網(wǎng)關(guān)的通信。(3) 監(jiān)控中心服務(wù)器主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)、通信管理、異常報(bào)警功能。該系統(tǒng)的工作流程為：結(jié)合家庭需求對(duì)家庭傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，在ZigBee接收到節(jié)點(diǎn)信息后會(huì)與預(yù)先設(shè)置閾值間的差異進(jìn)行比較和判斷(發(fā)現(xiàn)異常立即啟動(dòng)警報(bào)裝置)，然后向網(wǎng)關(guān)傳送信息并由其借助網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)監(jiān)控中心傳送ZigBee 感知網(wǎng)絡(luò)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)居家環(huán)境及老人健康情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，家庭網(wǎng)關(guān)判斷接收到的控制信息(來(lái)自監(jiān)控中心)并據(jù)此控制各控制節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)操作[2]。

3 智能居家養(yǎng)老傳感系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

(1) ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)選用了具有RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能的CC2530F256 芯片，包含8kB RAM和256kB可編程閃存空間，通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

不同功能的實(shí)現(xiàn)需要將外圍傳感器或者繼電器開(kāi)關(guān)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連接，主要由協(xié)議棧和應(yīng)用控制程序構(gòu)成的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將接收到的信息(來(lái)自數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn))同預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較(針對(duì)異常及時(shí)啟動(dòng)警報(bào)器)，協(xié)調(diào)器通過(guò) SPI同智能網(wǎng)關(guān)相連并向其傳輸采集到的居家環(huán)境和老人生理參數(shù)信息[3]。

(2) 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)將內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為外部通信網(wǎng)協(xié)議，用于管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信及傳感器網(wǎng)絡(luò)，先啟動(dòng) ZigBee 協(xié)調(diào)器完成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，基于所形成的星型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將接收采集到的信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送，監(jiān)控中心將相應(yīng)的控制指令經(jīng)網(wǎng)關(guān)和ZigBee 控制節(jié)點(diǎn)傳輸給各終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。選用工作頻率高達(dá)72 MHz的STM32微處理器作為智能網(wǎng)關(guān)的主處理器，針對(duì)ZigBee 家庭內(nèi)部感知網(wǎng)使用接口(以太網(wǎng)和 GPRS)連接公共網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，用戶(hù)在PC端或手機(jī)中安裝該系統(tǒng)即可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看居家老人具體情況。智能網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)[4]，如圖3所示。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

(3) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理網(wǎng)絡(luò)的ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將由終端節(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)向已建立起無(wú)線(xiàn)連接(通過(guò) GPRS、以太網(wǎng)模塊)的網(wǎng)關(guān)傳送，實(shí)現(xiàn)同Internet間的連接，以確保監(jiān)控中心準(zhǔn)確高效地接收到數(shù)據(jù)信息，協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)間借助CC2530 射頻模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信過(guò)程。

3.2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(1) 在MyE-clipse平臺(tái)通過(guò) Java 語(yǔ)言的使用完成監(jiān)控中心應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，根據(jù)居家老人主要生理指標(biāo)(包括血壓、心跳、體溫等)以及居家環(huán)境(包括溫濕度、安防、煙霧等)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息實(shí)現(xiàn)更有針對(duì)性的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)功能，對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，為監(jiān)護(hù)人處理危險(xiǎn)情況提供依據(jù)；針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理可以通過(guò)相應(yīng)的管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，手機(jī)客戶(hù)端對(duì)監(jiān)控中心進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)便可以實(shí)現(xiàn)雙向通信；在檢測(cè)到室內(nèi)環(huán)境有異常或老人某項(xiàng)生理指標(biāo)超過(guò)閾值時(shí)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警提示，提醒監(jiān)護(hù)人員及時(shí)應(yīng)對(duì)異常情況[5]。

(2) 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)流程，如圖4所示。

圖4 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)流程

基于ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議的終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感模塊實(shí)現(xiàn)同協(xié)調(diào)器間的采集信息和指令的收發(fā)功能[6]。

(3) 基于STM32微處理器的智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)，將TCP/IP(采用Z-Stack-CC2530協(xié)議棧)和ZigBee協(xié)議棧嵌入到STM32中以確保網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程的有效實(shí)現(xiàn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)向STM32微控制器發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，再通過(guò)Z-Stack-CC2530協(xié)議棧向監(jiān)控中心傳送ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)的信息，監(jiān)控中心返回相應(yīng)的控制指令[7]。通過(guò)嵌入式Linux平臺(tái)設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)來(lái)提高集成度，同時(shí)降低了系統(tǒng)能耗，開(kāi)機(jī)后自動(dòng)執(zhí)行負(fù)責(zé)創(chuàng)建各子系統(tǒng)命名管，通過(guò)submit命令將其向CGI文件傳送，主程序會(huì)快速找到對(duì)應(yīng)程序(通過(guò)switch語(yǔ)句完成)[8]。

社區(qū)監(jiān)測(cè)中心通過(guò)Internet連接嵌入式Web服務(wù)器，據(jù)此執(zhí)行主要功能處理操作(無(wú)需安裝專(zhuān)用軟件)，降低智能終端資源消耗且提高了維護(hù)升級(jí)的便利性。

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

以某一具體的家庭環(huán)境作為本文系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)所，為測(cè)試本文系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用重復(fù)和對(duì)比的測(cè)試方式，在室內(nèi)安裝監(jiān)控中心，并且構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)室內(nèi)老人的主要生理參數(shù)進(jìn)行采集，以四位居家老人為例，對(duì)其體溫、血壓等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，如表1、表2所示。

表1 生理參數(shù)測(cè)量值與傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果

表2 室內(nèi)環(huán)境測(cè)量值與傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果

該系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)單一測(cè)量模式的結(jié)果基本吻合，說(shuō)明該系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測(cè)功能和無(wú)線(xiàn)傳輸功能，傳感器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心在室內(nèi)出現(xiàn)生理參數(shù)異常及煤氣泄漏等異常環(huán)境時(shí)均能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)提示，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[9]。

4 總結(jié)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)居家老人健康的全面監(jiān)測(cè)，本文通過(guò)使用ZigBee 感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種居家養(yǎng)老系統(tǒng)，通過(guò)安裝布置的終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)完成對(duì)相關(guān)信息及設(shè)備(包括室內(nèi)環(huán)境、老人各項(xiàng)生理參數(shù)、家電設(shè)備等)的采集和控制功能，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量及功能可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行拓展，系統(tǒng)監(jiān)控中心負(fù)責(zé)處理實(shí)時(shí)接收到的采集信息，一旦發(fā)現(xiàn)異常能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)居家老人健康與安全的遠(yuǎn)程高效監(jiān)測(cè)過(guò)程。測(cè)試結(jié)果表明本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能均得到有效實(shí)現(xiàn)，具有較高的可擴(kuò)展性、安全性和穩(wěn)定性，功耗較少且響應(yīng)及時(shí)。