陳亮亮,滿慶豐

(北京航空航天大學(xué) 機械學(xué)院 機械電子工程系,北京100191)

陳亮亮(碩士研究生),主要研究方向為工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù);滿慶豐(教授),主要研究方向為工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等。

引 言

隨著我國老齡化程度的逐步加劇,空巢老人問題凸顯,并已成為老齡化問題的新焦點。據(jù)統(tǒng)計,目前在大城市中空巢家庭已接近30%,而京滬津三直轄市則高達33%以上[1]?？粘怖先松钅芰Σ钜约敖?jīng)濟壓力大,敬老院無疑是他們晚年生活的理想選擇。將全面的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控理念引入敬老院,組建網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng),可以提高助老助殘服務(wù)品質(zhì),變革傳統(tǒng)養(yǎng)老方式,主動面對未來養(yǎng)老領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

之前關(guān)于助老助殘技術(shù)的研究多針對一些特定功能的智能化設(shè)備而展開[2-5],并未引入全面的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控理念。近年來國內(nèi)外諸多單位開展了將醫(yī)療、助老助殘全面網(wǎng)絡(luò)化的研究[6-7]。由臺灣大學(xué)電子工程系、臺北科技大學(xué)電子工程系聯(lián)合開發(fā)的“帶有預(yù)警機制的移動護理系統(tǒng)”中[8],用于測量老人生理參數(shù)的便攜式設(shè)備通過藍牙模塊發(fā)射信號,然后接入GSM手機,通過手機短信將信息匯總于監(jiān)護中心。該方法雖經(jīng)GSM擴大了通信范圍,但信號經(jīng)手機中轉(zhuǎn)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,增加了成本。此外GSM輻射較大,不宜長時間連續(xù)使用。歐美醫(yī)療機構(gòu)多通過WLAN(IEEE 802.11)設(shè)備接入以太網(wǎng)(IEEE 802.3),較好地實現(xiàn)了對突發(fā)病例和緊急情況的預(yù)警和處理[9-10],值得借鑒。

隨著以太網(wǎng)、WLAN技術(shù)的不斷成熟,其傳輸速率、安全性和穩(wěn)定性也不斷提高。本文采用WLAN便攜監(jiān)測設(shè)備接入以太網(wǎng),結(jié)合RFID、視頻監(jiān)視、數(shù)據(jù)庫及人機界面開發(fā)等熱點技術(shù)完成了老人狀況和監(jiān)護中心的無縫銜接。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

當(dāng)前我國大型敬老院、福利院大多住宿條件良好,入住率高達100%,排隊入住的情況屢見不鮮。但這些機構(gòu)中從事醫(yī)療監(jiān)護工作的人員較少且助老助殘設(shè)施相對陳舊,技術(shù)水平落后,在很大程度上限制了對老人身體健康狀況的了解。

對老人的生命特征、護理情況、活動范圍等信息進行實時監(jiān)測,不僅可以實時了解老人當(dāng)前的健康狀況,還可預(yù)測老人未來的情況。敬老院網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。老人通過便攜式無線監(jiān)測設(shè)備(即圖1中老人身邊設(shè)備)不僅能定時獲取血壓、脈搏、體溫等生理參數(shù),還可通過對有源RFID標(biāo)簽信號進行識別確定位置,通過基站接入有線網(wǎng)絡(luò)將信息匯總于監(jiān)護中心。監(jiān)護中心可實時了解老人的各項信息并將其存儲,以便將來分析查看。如遇緊急狀況,監(jiān)護中心可通過定位信息切換視頻監(jiān)視器,結(jié)合生理參數(shù)派出相應(yīng)救護人員到達確切事發(fā)地進行救治,實現(xiàn)了有限人力資源的優(yōu)化整合,完成了信息和視頻聯(lián)動監(jiān)控、監(jiān)控和救護的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(灰)和視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(黑)兩部分組成,如圖1所示。

圖1 敬老院網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)又分為有線網(wǎng)(以太網(wǎng))和無線網(wǎng)(WLAN)兩部分。

(1)有線數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

結(jié)合傳統(tǒng)工業(yè)控制領(lǐng)域中總線型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)不便、實現(xiàn)成本高等問題,選用組網(wǎng)能力強、可靠性高、速度快、成本低、應(yīng)用范圍廣的以太網(wǎng)作為有線數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)部分。該部分除了用于匯總無線網(wǎng)絡(luò)外,主要用于對老人室內(nèi)的中大型、移動性差的終端設(shè)備進行監(jiān)控,如公寓中的醫(yī)療護理床、空調(diào)和活動中心的各類娛樂、康復(fù)設(shè)備。

(2)無線數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

WLAN所采用的CSMA/CA(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免)型介質(zhì)訪問機制遵守以太網(wǎng)協(xié)議(CSMA/CD,載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)并與主流網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)兼容[11],可通過無線AP完好地接入以太網(wǎng)而不需任何修改;WLAN的輻射遠遠低于普通GSM手機,更為綠色環(huán)保。此外,WLAN相對其他移動通信技術(shù)(如Bluetooth、Zig Bee)移動性好,擴展性強,傳輸速率高。

由于涉及 WLAN的室外使用,選用TENDA的TWL5401A加裝TENDA 24 dB網(wǎng)狀型定向天線作為無線接入點。TWL5401A是戶外遠距離AP,采用高密封、防腐蝕、抗干擾鋁機殼和IEEE802.3af PoE以太網(wǎng)電源,覆蓋范圍廣(無障礙2 km),支持AP、點對多點、中繼和無線客戶端等模式,靈敏度高,配合看門狗和最新無線安全標(biāo)準(zhǔn)WPA2使得無線通信安全可靠。

無線終端集脈搏、血壓、溫度傳感器于一體。首先利用光電傳感器通過測試血液對光強的吸收能力間接測脈搏數(shù),然后用壓力傳感器測血壓[12],最后通過溫度傳感器測體溫。老人定位屬精度較低的區(qū)域定位,故根據(jù)RFID信號采用質(zhì)心定位算法[13]便可滿足要求。無線終端可采用TI公司的醫(yī)用低功耗芯片,如 OPT101光電傳感器和 FG47x系列MCU。RFID方面可選擇北京烽火聯(lián)拓或上海秀派公司的有源標(biāo)簽和閱讀器。

2.2 視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由各類監(jiān)控攝像機(全景型、低照度型等)、監(jiān)護中心大屏幕和視頻傳輸線路組成,該系統(tǒng)協(xié)同數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)影像定位的聯(lián)動監(jiān)護,如圖1所示。在需要晝夜監(jiān)視的區(qū)域可選SONY SSC-DC59xx系列攝像機,確保達到低照度監(jiān)視要求。

3 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的分析與應(yīng)用

Ethernet/IP在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入了TCP/IP,故通過使用Socket可簡化監(jiān)控軟件的制作。此外,其抽象監(jiān)控節(jié)點為對象模型,提供了一套完整的數(shù)據(jù)訪問規(guī)程,促進了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化。最后,通過商用以太網(wǎng)硬件便可支撐Ethernet/IP底層通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)方便,性價比高。

3.1 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)封裝

Ethernet/IP的協(xié)議層次結(jié)構(gòu)如圖 2所示。其在TCP/IP之上定義了數(shù)據(jù)封裝、應(yīng)用和傳輸層以及用戶層。應(yīng)用和傳輸層中定義了數(shù)據(jù)訪問規(guī)程(顯式、I/O信息),用戶層可自定義應(yīng)用對象及其對應(yīng)設(shè)備行規(guī)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議層次結(jié)構(gòu)

Ethernet/IP數(shù)據(jù)封裝在協(xié)議總體數(shù)據(jù)封裝(以太網(wǎng)幀)中的位置如下所示,有關(guān)Ethernet/IP的具體封裝格式請參看協(xié)議卷。

Ethernet/IP數(shù)據(jù)封裝以太網(wǎng)頭 IP頭 TCP頭封裝頭 命令相關(guān)數(shù)據(jù)協(xié)議尾

3.2 無線終端通信模塊

以無線終端的通信模塊為例,將其節(jié)點內(nèi)部路徑化,建立對象模型如圖3所示。

圖3 無線終端的對象模型

數(shù)據(jù)訪問規(guī)程:Ethernet/IP的數(shù)據(jù)訪問基于應(yīng)用連接,確保了數(shù)據(jù)的安全和可靠。若尚未建立顯式或I/O連接,需通過未連接報文管理器(UCMM)將報文送至報文路由器派發(fā)。通過UCMM信息經(jīng)連接管理對象可建立顯式或I/O連接[14]。顯式連接用于不定期數(shù)據(jù)訪問(如血壓值),采用TCP問答的形式;I/O連接則通過UDP傳遞現(xiàn)場實時信息(如實時位置)。

應(yīng)用對象及其設(shè)備行規(guī):建立電子血壓儀、體溫計以及實時定位模塊的應(yīng)用對象如圖4所示。集合對象對后兩者的測量值綁定形成設(shè)備行規(guī)2。設(shè)備行規(guī)定義了現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)的通信組織形式,行規(guī) 1、2如圖4所示。

圖4 無線終端應(yīng)用對象設(shè)備行規(guī)

以上述設(shè)備行規(guī)形式組織的數(shù)據(jù)首先被Ethernet/IP封裝在其命令相關(guān)數(shù)據(jù)域中,之后依次加上IP、TCP頭放入以太網(wǎng)幀中,從現(xiàn)場上傳到監(jiān)護中心。

4 監(jiān)護中心網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控軟件設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)控軟件綜合了網(wǎng)絡(luò)編程、人機界面開發(fā)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)。在開發(fā)時涉及基于Socket的多線程網(wǎng)絡(luò)編程,鑒于VC++對多線程的有力支持及其代碼執(zhí)行效率高等特點,選其為開發(fā)語言。考慮到數(shù)量眾多的實時數(shù)據(jù)及其處理效率問題,更為了確保數(shù)據(jù)的安全,選用SQLserver作為系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫。為了減少開發(fā)代碼量,提高軟件執(zhí)行性能,選用ADO對數(shù)據(jù)庫進行操作。

監(jiān)控軟件功能流程展示了監(jiān)護中心對某一現(xiàn)場節(jié)點從建立連接到數(shù)據(jù)通信的整個過程。

流程圖和監(jiān)控軟件關(guān)鍵功能的實現(xiàn)(網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)控節(jié)點數(shù)據(jù)的獲取過程及基于ADO的數(shù)據(jù)庫存儲操作)見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

結(jié) 語

將全面的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控理念運用到敬老院環(huán)境中,通過對以太網(wǎng)、WLAN、RFID和視頻監(jiān)視等技術(shù)的綜合應(yīng)用完成了系統(tǒng)組網(wǎng),在真正意義上實現(xiàn)了對老人全方位、全天候的聯(lián)動監(jiān)護。此外,在將Ethernet/IP協(xié)議引入助老助殘網(wǎng)絡(luò)的同時,給出了監(jiān)控軟件開發(fā)流程,完整地提供了一套安全可行的敬老院網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控方案,值得相關(guān)項目開發(fā)參考。

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