基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的養(yǎng)老院人員安全健康監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘 要：為了及時(shí)監(jiān)測(cè)到養(yǎng)老院中每位老人的安全狀況和身體健康狀況，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的養(yǎng)老院人員安全健康監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包含人員定位、摔倒檢測(cè)、心率預(yù)警等功能。人員定位功能分為外出人員定位和院內(nèi)定位，外出人員定位使用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System， GPS)，院內(nèi)定位采用射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification， RFID)。系統(tǒng)使用陀螺儀加速度計(jì)判斷人員是否發(fā)生摔倒。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了人員心率、血壓及摔倒等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警。

　　關(guān)鍵詞：安全監(jiān)控;健康監(jiān)控;Spring MVC;物聯(lián)網(wǎng)

　　1 引言(Introduction)

　　在中國(guó)老齡化不斷加重的背景下，越來(lái)越多的老人將走進(jìn)養(yǎng)老院安度晚年，這為養(yǎng)老院的工作帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)，例如如何能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地了解每位老人的安全健康狀況以及所處位置，在老人發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)救助。因此，設(shè)計(jì)一套能夠滿足養(yǎng)老院看護(hù)管理需求，提高養(yǎng)老院的監(jiān)護(hù)水平和管理效率的養(yǎng)老院智慧護(hù)理系統(tǒng)顯得尤為重要[1-5]。

　　本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的養(yǎng)老院人員安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能：一是安全監(jiān)控;二是健康監(jiān)控;三是人員定位。安全監(jiān)控主要是監(jiān)控人員意外摔倒的情況，實(shí)現(xiàn)摔倒警報(bào)[6-9];健康監(jiān)控主要是監(jiān)控人員活動(dòng)時(shí)的心率、血壓等生命體征[10-15];人員定位主要是監(jiān)控人員的位置信息。該系統(tǒng)由可穿戴設(shè)備和服務(wù)器端兩部分構(gòu)成。可穿戴設(shè)備穿戴在被監(jiān)測(cè)對(duì)象身上，內(nèi)部含有加速度、角速度、心率、血氧等傳感器來(lái)采集人員的安全健康數(shù)據(jù)，并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員安全和健康狀況。服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示、分析等操作，如有摔倒等意外情況發(fā)生，可以及時(shí)通知監(jiān)護(hù)人或者親屬。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(System structure design)

　　本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的養(yǎng)老院人員安全監(jiān)控系統(tǒng)分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分，融合了傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)等。它可以利用可穿戴式的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)收集老人平時(shí)的生理信息(如心率、血氧)、位置信息(通過(guò)GPS和RFID設(shè)備獲得)、姿態(tài)信息(通過(guò)加速度和角速度分析獲得)，并且對(duì)這些信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷摔倒、心率異常等意外情況，并把分析結(jié)果發(fā)送給管理、護(hù)理人員，方便護(hù)理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)(System hardware design)

　　硬件系統(tǒng)主要由處理器模塊、加速度角速度采集模塊、心率血氧采集模塊、GPS模塊、RFID讀卡器模塊、4G通信模塊等幾部分構(gòu)成。處理器提取傳感器信息通過(guò)4G通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　處理器模塊的主要功能是與各模塊交換數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，本系統(tǒng)使用STM32F103C8T6。加速度角速度傳感器模塊的主要功能是采集老人在活動(dòng)時(shí)的加速度和角速度，以此來(lái)判斷他們的姿態(tài)，本系統(tǒng)使用MPU6050。GPS模塊使用GPS實(shí)現(xiàn)老人的外出定位，能夠通過(guò)地圖實(shí)時(shí)了解外出人員的位置，本系統(tǒng)使用ATK-S1216F8-BD。RFID讀卡器模塊使用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)老人的室內(nèi)定位，本系統(tǒng)使用R200-70。心率血氧采集模塊的主要功能是為系統(tǒng)提供心率和血氧數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)使用MAX30102。4G通信模塊使用4G網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，真正做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)使用WH-LTE-7S4 V2。

　　STM32核心與各個(gè)模塊之間的通信方式如圖2所示。MPU6050通過(guò)I2C接口與STM32實(shí)現(xiàn)通信，MAX30102通過(guò)I2C接口與STM32實(shí)現(xiàn)通信，WH-LTE-7S4 V2通過(guò)串口與STM32實(shí)現(xiàn)通信，ATK-S1216F8-BD通過(guò)串口與STM32實(shí)現(xiàn)通信。

　　4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)(System function design)

　　4.1 人員定位

　　GPS定位在老人外出的時(shí)候使用。通過(guò)GPS模塊采集經(jīng)緯度，然后顯示在地圖上。但是GPS在面對(duì)室內(nèi)定位時(shí)也是有一定困難的。這是由于室內(nèi)墻壁遮擋，衛(wèi)星信號(hào)很難抵達(dá)，因此難以實(shí)現(xiàn)精確定位。據(jù)此，需要引入新的方法實(shí)現(xiàn)人員的室內(nèi)定位，本文采用了基于RFID的定位方法[16-17]。

　　RFID定位適用于老人在室內(nèi)活動(dòng)的情況。RFID定位由標(biāo)簽和讀卡器兩部分組成，將RFID讀卡器布置在事先選好的待測(cè)位置處，有人員佩戴帶有RFID標(biāo)簽的設(shè)備經(jīng)過(guò)時(shí)，可讀取人員佩戴設(shè)備上的RFID標(biāo)簽，代表人員處在此位置。圖3中，將每個(gè)RFID讀卡器分別置于各區(qū)域連接處，預(yù)先設(shè)定好每個(gè)定位點(diǎn)分別代表的位置信息。將RFID標(biāo)簽配置于每個(gè)人的身上，當(dāng)讀卡器檢測(cè)到周邊有RFID標(biāo)簽時(shí)，讀取標(biāo)簽的編號(hào)，并把信息發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息將位置和人員對(duì)應(yīng)起來(lái)，便知道該人員從此經(jīng)過(guò)，由此知道其在哪個(gè)區(qū)域。

　　4.2 摔倒報(bào)警

　　人在日常生活中的活動(dòng)狀態(tài)可分為正常活動(dòng)狀態(tài)與異常活動(dòng)狀態(tài)。正?；顒?dòng)狀態(tài)是指人在生活中處于正常靜、動(dòng)態(tài)姿勢(shì)，如起立、蹲下、坐下、奔跑、走等動(dòng)作;異?；顒?dòng)狀態(tài)即摔倒?fàn)顟B(tài)，具體行為分類如表1所示。根據(jù)表1，本文將事故姿勢(shì)輸出空間分成兩個(gè)維度，即正常狀態(tài)和摔倒?fàn)顟B(tài)。

　　本系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類識(shí)別。首先，對(duì)三軸加速度和三軸角速度求和，然后用加速度、角速度、傾角、速度四個(gè)值分別求最大值、最小值、范圍、方差、均方差、平均值。如此，每組數(shù)據(jù)得到24 個(gè)特征值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，輸出為正?；顒?dòng)和摔倒。

　　本文采集了300 次跌倒數(shù)據(jù)和700多條正常數(shù)據(jù)(包含上下樓梯、行走、奔跑、站立等行為)，并按照7∶3劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集，然后進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練1，000 個(gè)迭代，準(zhǔn)確率達(dá)到98.6%。

　　4.3 心率血氧異常報(bào)警

　　老年人由于身體各個(gè)器官逐漸衰退，會(huì)出現(xiàn)多種心血管疾病，并經(jīng)常發(fā)生頭暈缺氧等情況，因此應(yīng)當(dāng)經(jīng)常監(jiān)測(cè)心率、血氧。本文采用置于手腕上的傳感器來(lái)測(cè)量心率、血氧，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，人體血氧含量的正常值應(yīng)當(dāng)是大于等于95%的，心率應(yīng)當(dāng)保持在60—100 次/分鐘。如果測(cè)量的數(shù)值偏離了上述兩個(gè)數(shù)值，系統(tǒng)將會(huì)及時(shí)發(fā)送消息給護(hù)理人員。

　　5 下位機(jī)處理流程(Lower computer processing flow)

　　下位機(jī)處理流程如圖4所示。(1)配置連接信息：配置數(shù)據(jù)發(fā)送的目標(biāo)IP、端口號(hào)，配置成功后，下位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)和平臺(tái)的通信。(2)設(shè)備初始化：系統(tǒng)在上電后，STM32首先初始化GPIO口、串口、DMA、硬件I2C、SDIO、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。在STM32自身硬件外設(shè)初始化完成后，系統(tǒng)完成對(duì)各種傳感器的初始化操作，包括解除休眠狀態(tài)、設(shè)置采樣頻率。(3)發(fā)送數(shù)據(jù)：判斷該設(shè)備是否連接，是否正在運(yùn)行，然后以設(shè)定頻率讀取傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，并通過(guò)接受應(yīng)答信息判斷有無(wú)成功發(fā)送。

　　6 上位機(jī)設(shè)計(jì)(Design of upper computer)

　　6.1 上位機(jī)開(kāi)發(fā)工具選擇

　　上位機(jī)系統(tǒng)采用了B/S架構(gòu)(Browser/Server， 瀏覽器/服務(wù)器模式)，用戶可以通過(guò)電腦瀏覽器或手機(jī)瀏覽器查看記錄。整個(gè)系統(tǒng)是在IntelliJ IDEA集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成的，使用基于Java語(yǔ)言的Spring MVC框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，以主流的MVC開(kāi)發(fā)模式進(jìn)行代碼的編寫(xiě)。數(shù)據(jù)庫(kù)方面選用了開(kāi)源的MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)器使用的是免費(fèi)的Tomcat服務(wù)器。前端使用Bootstrap前端框架，Highcharts為圖表顯示工具。

　　6.2 上位機(jī)功能模塊設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)系統(tǒng)主要包含信息監(jiān)控、人員管理、設(shè)備管理、RFID定位點(diǎn)管理幾個(gè)模塊，整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。信息監(jiān)控模塊展示當(dāng)前使用設(shè)備人員的姓名、年齡、心率、血氧、位置以及是否摔倒。人員管理模塊是對(duì)養(yǎng)老院內(nèi)的老人進(jìn)行信息登記的入口，錄入老人的姓名、生日、身高、體重等，并上傳照片，管理人員可以添加、刪除、修改老人的信息。設(shè)備管理模塊負(fù)責(zé)管理所有連接的下位機(jī)，使用下位機(jī)前需要先填寫(xiě)下位機(jī)信息并將下位機(jī)和人員進(jìn)行綁定。RFID定位點(diǎn)管理模塊則負(fù)責(zé)管理所有定位點(diǎn)的標(biāo)簽信息，負(fù)責(zé)將標(biāo)簽編號(hào)與實(shí)際地點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)。

　　6.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)的集合，數(shù)據(jù)庫(kù)中的表與現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體相對(duì)應(yīng)，表與表的關(guān)系直接反映現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體之間的關(guān)系。

　　數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)概念是通過(guò)一組描述現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體和實(shí)體間的聯(lián)系，將現(xiàn)實(shí)世界轉(zhuǎn)化為信息世界。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的需求分析，針對(duì)養(yǎng)老院管理系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境抽象出了各個(gè)實(shí)體，確定了實(shí)體的屬性及實(shí)體間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)庫(kù)ER圖如圖6所示，使用Navicat創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫(kù)模型如圖7所示。

　　7 結(jié)論(Conclusion)

　　本文采用RFID技術(shù)、4G通信技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合加速度、角速度、心率、血氧等傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老院人員管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人員定位、摔倒監(jiān)控和心率血氧報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便，通過(guò)4G通信模塊，實(shí)現(xiàn)了及時(shí)和可靠的數(shù)據(jù)傳送，并選擇Spring MVC、Bootstrap等技術(shù)設(shè)計(jì)上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)一管理，切實(shí)加強(qiáng)了養(yǎng)老院人員的管理，具有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了人員的安全健康監(jiān)控。

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