彭榮華 羅志偉 盧忠亮 謝泓松 壽夢藍

摘 要：針對生活中老人與小孩的監(jiān)護問題，設(shè)計一款家庭老幼監(jiān)護系統(tǒng)。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微信后臺開發(fā)技術(shù)、RFID射頻識別技術(shù)，可自動在嬰幼兒觸及危險區(qū)域以及老人跌倒時做出一定的安防措施并迅速報警及通知監(jiān)護人，能夠較大程度減少幼兒墜樓等事故，解決老人與幼兒的安全問題。系統(tǒng)設(shè)備開發(fā)成本低，使用便捷，具有較大的推廣價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);中遠距離RFID;Cortex-M3+ESP8266;安防監(jiān)護;跌倒識別算法;微信公眾號后臺

中圖分類號：TP212.9文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-0-03

0 引 言

當(dāng)前我國人口不斷增長，但老齡化日益嚴(yán)重，中青一代在擔(dān)負(fù)重大工作壓力的同時，也因無暇顧及家中老人與幼兒安全問題更顯焦慮。嬰幼兒墜樓問題不斷發(fā)生，老人跌倒事件屢次出現(xiàn)，至今社會各界尚未提出一個完善的解決方案。

我國城市老年人空巢家庭（包括獨居）的比例已達49.7%。到2020年，中國老年人口將達到2.48億，老齡化比例將達17.17%。由于社區(qū)養(yǎng)老機構(gòu)場地有限，許多老人只能采取居家的方式養(yǎng)老，給養(yǎng)老、醫(yī)療等社會保障和服務(wù)體系等帶來了巨大壓力。近年來，隨著社會節(jié)奏的不斷加快，防范意識不強的兒童由于缺乏有效看護，其正常生活甚至生命受到了嚴(yán)重威脅，因此兒童的安全問題已逐步成為社會關(guān)注的重要內(nèi)容之一。

目前，國內(nèi)在家庭老人及兒童遠程監(jiān)護方面的研究還不多。2001年首都醫(yī)科大學(xué)實現(xiàn)了對老人及兒童行動分析及異常報警系統(tǒng)，利用檢測到的信號，主動判斷老人及兒童狀況。但由于采用的家庭醫(yī)療監(jiān)護儀、可控萬向云臺等設(shè)備成本較高，無法大面積推廣。2002年美國維吉尼亞大學(xué)開展了智能居所監(jiān)護系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)采用低成本感應(yīng)器獲取家庭老人及兒童活動數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立老人及兒童活動規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)針對不同老人及兒童的實時監(jiān)護，為家庭安防帶來新的發(fā)展機遇。

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的老幼監(jiān)護系統(tǒng)以居家養(yǎng)老為基礎(chǔ)，社區(qū)養(yǎng)老為依托，通過云平臺系統(tǒng)、服務(wù)中心建設(shè)等信息化手段建立居家養(yǎng)老服務(wù)體系，惠及每個家庭中的老人，從而提升養(yǎng)老服務(wù)能力。

同時，項目吸取其他相關(guān)領(lǐng)域項目經(jīng)驗，采用低成本傳感器[1]、第三方定制的終端設(shè)備，在提高系統(tǒng)可用性的同時，降低用戶使用成本;采用統(tǒng)一的云平臺系統(tǒng)，不僅預(yù)測準(zhǔn)確，可靠性高，還節(jié)約了人力成本，使工作更有效率。針對目前家庭用戶應(yīng)用需求，設(shè)計并開發(fā)高效的遠程家庭安防及老幼監(jiān)護系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能概述

1.1 總體架構(gòu)

本文基于智能云生態(tài)鏈、無線通信網(wǎng)、超低功耗SOC 芯片技術(shù)[2]，搭建家庭老幼監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括若干位置節(jié)點和人體節(jié)點，位置節(jié)點包括中距離RFID讀寫器[3-4]、WiFi模塊及Cortex-M3處理器;人體節(jié)點主要是帶有中距離 RFID的射頻標(biāo)簽[5]、加速度傳感器及WiFi模塊。系統(tǒng)主要包括設(shè)備硬件電路設(shè)計與調(diào)試、距離感應(yīng)設(shè)計及調(diào)試、數(shù)據(jù)采集及上傳調(diào)試[6]、無線軟件協(xié)議設(shè)計及完整系統(tǒng)的實現(xiàn)[7]。總體架構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 主要功能

系統(tǒng)處理主要分為接近危險狀態(tài)檢測和跌倒檢測，其流程如圖3所示。

跌倒檢測主要依靠加速度傳感器檢測到的加速度信息和傾角信息以及心率傳感器檢測到的脈搏變化狀態(tài)[8]，共同判斷老人、兒童是否發(fā)生了跌倒。危險狀態(tài)檢測利用人體紅外傳感器和遠距離RFID，及時發(fā)現(xiàn)兒童靠近陽臺、門窗、插座等危險行為，并發(fā)出現(xiàn)場和遠程報警，避免家長因一時疏忽而使兒童發(fā)生危險。

1.4 芯片選型

網(wǎng)關(guān)和從站監(jiān)測節(jié)點設(shè)備由一片Cortex-M3+ESP8266無線模塊組成，通過ESP826無線通信模塊在網(wǎng)關(guān)與節(jié)點間實現(xiàn)無線通信。節(jié)點采用MAX30100心率模塊、MPU6050重力傳感器模塊，搭載可將跌倒姿態(tài)檢測信息傳到云平臺的ESP8266 WiFi模塊，以及裝有RFID射頻標(biāo)簽的手環(huán)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)備

2.1 識別控制裝置

識別控制裝置采用中距離（0～10 m）有源RFID識別模塊和ESP8266電機，利用簡單的兩圓相交定位模型進行定位和距離計算。識別控制裝置如圖4所示。定位計算如圖5所示。

將得到的位置信息及信號強度等數(shù)據(jù)進行線性擬合，對位置信息與信號關(guān)系進行距離評估，如圖6所示。

圖6中：D為根據(jù)信號強度轉(zhuǎn)換得到的距離（單位：cm）;RSSI為信號強度（單位：dBm），使用其絕對值進行計算;L是與天線相關(guān)的參數(shù)。

在線性處理轉(zhuǎn)換中，主要針對以下四種情況的信號強度值進行區(qū)分計算：

（1）當(dāng)-22 dBm≤RSSI時，令D=0參與計算處理;

（2）當(dāng)-41 dBm≤RSSI<-22 dBm時，按照拋物線D=100（L0-RSSI）（L0-L）進行計算;

（3）當(dāng)-50 dBm≤RSSI<-41 dBm時，按照拋物線D=100+0.6（RSSI+36）2-15進行計算;

（4）其他情況按照拋物線D=1.6（RSSI+34.5）2-180.7進行計算。

依據(jù)上述計算方式得到標(biāo)簽?zāi)K與墻壁的距離：

式中：p=（L1+L2+L3）/2;L1，L2分別為兩個標(biāo)簽與量設(shè)備之間的距離;L3為兩設(shè)備之間的距離;L0=-22 dBm;RSSI為信號強度。

2.2 穿戴設(shè)備

硬件采用市場主流的STM32f103C8T6作為主控，WiFi模塊采用ESP8266、三引腳的心率傳感器以及六軸的精確陀螺儀MPU6050。

利用六軸陀螺儀進行數(shù)據(jù)采集，6個原始數(shù)據(jù)分別對應(yīng)三個方向上的角速度與角加速度，陀螺儀輸出信號如圖7所示。

關(guān)于數(shù)據(jù)形式的說明如下：

AccX，AccY，AccZ分別指代X，Y，Z三個方向上的加速度;

GyroX，GyroY，GyroZ分別指代X，Y，Z三個方向上的角加速度。

2.3 各種模塊的參數(shù)

窗臺插座等危險區(qū)域的設(shè)定值約為0.8 m（可調(diào)整），提醒和報警的時間均為即時發(fā)送，并利用蜂鳴器實現(xiàn)報警。各模塊選型見表1所列。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 優(yōu)化的跌倒檢測算法

在以往的跌倒識別算法中主要有兩大困難：一是數(shù)據(jù)采集以及讀取的復(fù)雜性;二是平臺提供的數(shù)據(jù)采樣頻率為

3 Hz，在數(shù)據(jù)分析的精度和閾值上均無法滿足要求。

本文將設(shè)備佩戴在人體腰部，采集正常人體行走、奔跑、上樓、下樓、摔倒等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率達到20次/s，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機運算后即時發(fā)送結(jié)果至服務(wù)器及OneNET。

跌倒算法流程如圖8所示。其中，處理的數(shù)據(jù)為提取的合速度與合角加速度。測試結(jié)果如圖9所示。

3.2 服務(wù)器配置

將系統(tǒng)服務(wù)器搭建于中國移動互聯(lián)網(wǎng)開放平臺OneNET上，通過專用APP實現(xiàn)對移動設(shè)備的監(jiān)測與控制，平臺支持TCP，UDP，MQTT以及自主開發(fā)的EDP傳輸協(xié)議，還包括多種字符串格式的數(shù)據(jù)報文體結(jié)構(gòu)。通過建立數(shù)據(jù)流與指令開關(guān)[9]，協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報文體鍵值對在鍵值與數(shù)據(jù)流名稱對應(yīng)的情況下，將數(shù)值長久保留在平臺的對應(yīng)數(shù)據(jù)流中。通過此平臺，將處理后的設(shè)備狀態(tài)以及檢測后得到的信息發(fā)送至用戶，以達到實時監(jiān)測的效果。

3.3 微信公眾號后臺

系統(tǒng)采用微信公眾號平臺進行開發(fā)：一方面利用微信龐大的用戶基數(shù)，使用戶體驗更優(yōu)越，接收消息更及時;另一方面，微信公眾號平臺開發(fā)可塑性大，靈活性高，解決了用戶安裝各種特定軟件的困擾。

4 結(jié) 語

本文主要基于中遠距RFID，Cortex-M3處理器和ESP8266 無線模塊以及優(yōu)化的跌倒識別算法構(gòu)建了一個能夠減少老人及兒童家庭意外事故的監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)定位識別準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，使用方便，是一種值得推廣的物聯(lián)網(wǎng)形勢下的新應(yīng)用。

參 考 文 獻

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