徐穎超，季 忠

（重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶 400030）

0 引 言

由于經(jīng)濟(jì)和社會等多方面原因，中國老齡人口規(guī)模龐大、發(fā)展迅速，截至2018年末，我國60歲及以上老年人口達(dá)2.49億，占總?cè)丝诘?7.9%[1]。預(yù)測到2050年將達(dá)到4.87億，占全球老年人口的1/4，我國將進(jìn)入重度老齡化平臺期[2]。

老齡人口的增長帶來了一系列社會壓力和挑戰(zhàn)，首先是老齡人口的醫(yī)療和照護(hù)問題。年輕人忙于自己的事業(yè)，導(dǎo)致獨(dú)居老人越來越多。老人在突發(fā)意外情況時(shí)未得到及時(shí)救治會危及生命[3]。

針對獨(dú)居老人的照護(hù)問題，一些研究人員已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究，構(gòu)建了若干不同的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)老院、醫(yī)療機(jī)構(gòu)和居家醫(yī)療監(jiān)護(hù)及室內(nèi)環(huán)境監(jiān)護(hù)[3-8]。主要有以下兩種模式：

（1）基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控模式，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻交互觀察獨(dú)居老人的日常生活，但這種模式會侵犯老人隱私，且遠(yuǎn)端服務(wù)人員很難做到隨時(shí)觀察并做出及時(shí)反應(yīng)。

（2）基于穿戴式設(shè)備的遠(yuǎn)程醫(yī)療照護(hù)和防摔系統(tǒng)，通過佩戴便攜式傳感器，采集獨(dú)居老人的各項(xiàng)生理參數(shù)指標(biāo)。但是該類設(shè)備會讓老人產(chǎn)生束縛感，實(shí)際應(yīng)用中也很難保證老人時(shí)刻佩戴。

綜上所述，本文在不影響居家老人日常生活的前提下提出一種獨(dú)居老人無束縛照護(hù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

獨(dú)居老人無束縛照護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括如下步驟：

（1）通過ZigBee技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)終端節(jié)點(diǎn)監(jiān)測老人日常使用的家居設(shè)備，采集設(shè)備狀態(tài)變化及時(shí)間信息，并將其發(fā)送至協(xié)調(diào)器；

（2）路由器節(jié)點(diǎn)輔助傳輸相關(guān)信息；

（3）協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)后將其發(fā)送到中央處理器；

（4）處理器對老人的行為模式進(jìn)行分析，判定是否與老人日常行為習(xí)慣一致；

（5）當(dāng)活動信息超出老人日常行為習(xí)慣最大閾值范圍時(shí)，自動撥打報(bào)警電話聯(lián)系監(jiān)護(hù)人或社區(qū)平臺；

（6）系統(tǒng)為老人設(shè)置了緊急按鈕，發(fā)生緊急情況時(shí)，老人觸發(fā)此按鈕，聲光報(bào)警器被啟動，自動撥打報(bào)警電話給監(jiān)護(hù)端。監(jiān)護(hù)端接到報(bào)警電話進(jìn)行確認(rèn)并及時(shí)采取相應(yīng)措施，避免意外的發(fā)生。

此外，網(wǎng)關(guān)還將實(shí)時(shí)記錄獨(dú)居老人每天的活動軌跡，同時(shí)監(jiān)測睡眠、用藥、久坐等情況，幫助老人改善身體狀況。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

1.2 系統(tǒng)硬件搭建

1.2.1 器件選型

系統(tǒng)包括網(wǎng)關(guān)處理器、監(jiān)護(hù)端、協(xié)調(diào)器、路由器、終端、輔助器件、家居設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測傳感器等。將CC2530芯片作為主控芯片，它是應(yīng)用于IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE的片上系統(tǒng)解決方案，能以非常低的物料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；家用設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測采用了不同類型的傳感器：床下四個(gè)腳處設(shè)置壓力傳感器、沙發(fā)下設(shè)置壓力傳感器、馬桶底座下設(shè)置壓力傳感器、藥柜下設(shè)置壓力傳感器、電飯煲后設(shè)置電流傳感器、電視機(jī)后設(shè)置電流傳感器，并在他處設(shè)置溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器；輔助器件包括緊急按鈕、聲光報(bào)警燈、語音模塊等。該系統(tǒng)器件選型整理見表1所列。

表1 器件選型表

1.2.2 無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)硬件

ZigBee支持星型、樹狀和網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀拓?fù)湓诰W(wǎng)絡(luò)容量和通信能力方面更有優(yōu)勢，因此系統(tǒng)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來組建無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通過監(jiān)測設(shè)備獲知老人的活動信息。無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由傳感器、家居設(shè)備、終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。

（1）終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要是居家老人日常活動時(shí)常用的設(shè)備，節(jié)點(diǎn)主要包括：床、水流、電視機(jī)、電飯煲、藥瓶、馬桶、沙發(fā)、門、溫度、煙霧等監(jiān)測單元；另設(shè)置緊急按鈕，安裝在老人容易發(fā)生危險(xiǎn)的地方，當(dāng)老人需要求助時(shí)，只需觸發(fā)按鈕即可完成報(bào)警。終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)功能實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖2（a）～圖2（k）所示，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需考慮這些設(shè)備的防水性能、安裝位置、功耗等問題。

圖2 終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

（2）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)放置于客廳，便于組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)，接收終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送至處理器。協(xié)調(diào)器如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器

（3）路由器節(jié)點(diǎn)

在室內(nèi)環(huán)境，受門、墻阻隔，傳輸信號可能較弱，因此可根據(jù)照護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的具體居家環(huán)境在終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間增加路由器，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)哪芰ΑＢ酚善鞴?jié)點(diǎn)如圖4所示。

圖4 路由器

1.2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件部分

PC端分別與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和報(bào)警節(jié)點(diǎn)通過USB接口連接，如圖5所示。PC端通過協(xié)調(diào)器接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，處理分析后判定是否需要觸發(fā)報(bào)警節(jié)點(diǎn)。其中，報(bào)警節(jié)點(diǎn)用于處理器判定居家老人的狀況是否異?；蛘呃先擞|發(fā)緊急報(bào)警按鈕時(shí)自動向監(jiān)護(hù)端撥打報(bào)警電話。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)軟件

無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的獲取、傳輸，采用事件驅(qū)動方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送。當(dāng)監(jiān)測到居家老人活動事件時(shí)，即喚醒該路數(shù)據(jù)采集功能，根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)編號、傳感器編號、設(shè)備編號標(biāo)記發(fā)生的事件，記錄事件的起止時(shí)間，并在網(wǎng)關(guān)保存。終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)格式以床為例，見表2所列。

表2 數(shù)據(jù)通信格式

1.3.2 基于老人日常行為模式的報(bào)警觸發(fā)

網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)后，判斷活動信息是否滿足預(yù)設(shè)條件；當(dāng)活動信息滿足預(yù)設(shè)條件時(shí)，網(wǎng)關(guān)處理器自動向監(jiān)護(hù)端撥打報(bào)警電話。

首先收集并分析老人居家日常行為習(xí)慣，形成老人完整的日常行為模式信息并存儲在處理器的Access數(shù)據(jù)庫，處理器將活動信息與行為習(xí)慣信息進(jìn)行對比。

同一事件下，當(dāng)活動時(shí)間信息t與習(xí)慣時(shí)間信息T的偏差超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，即|T-t|＞a，處理器判斷活動信息滿足預(yù)設(shè)條件。這里根據(jù)具體事件對閾值進(jìn)行區(qū)分：

（1）老人短時(shí)間內(nèi)容易發(fā)生危險(xiǎn)事件，比如洗澡、上廁所、服藥等，閾值取a=10 min；

（2）需要較長時(shí)間判斷老人發(fā)生危險(xiǎn)的事件，比如睡覺、吃飯、做飯等，閾值取a=30 min；

（3）老人僅僅在家中走動，即系統(tǒng)不會監(jiān)測到具體事件的發(fā)生，通過在客廳、臥室門、廚房門、衛(wèi)生間門共放置5個(gè)紅外傳感器，大致判定老人的位置和活動軌跡，判定老人是否出現(xiàn)異常情況。

當(dāng)處理器判定超出閾值時(shí)，啟動報(bào)警器進(jìn)行聲光報(bào)警，限定時(shí)間內(nèi)老人未取消報(bào)警，處理器自動撥打報(bào)警電話給監(jiān)護(hù)端。

基于獨(dú)居老人的日常行為活動判定流程如圖6所示。

圖6 老人行為活動判定流程

當(dāng)老人觸發(fā)緊急按鈕后，報(bào)警器啟動并即刻自動撥打報(bào)警電話至監(jiān)護(hù)端。

處理器還需要描繪出老人一天的活動軌跡，并按日期存儲。隨著老人日?；顒榆壽E記錄的增加，將根據(jù)居家老人每天的居家活動事件發(fā)生的時(shí)間范圍，進(jìn)一步通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法自適應(yīng)調(diào)整老人日常行為模式規(guī)律，進(jìn)而對報(bào)警閾值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使其更符合老人的日常行為習(xí)慣，避免誤報(bào)警[9-10]。

1.3.3 用藥、睡眠、久坐情況監(jiān)測及改善

（1）用藥狀況監(jiān)測

系統(tǒng)通過監(jiān)測老人一天不同藥物用藥次數(shù)，判斷老人是否按時(shí)服藥，超出數(shù)據(jù)庫中老人應(yīng)該服藥的時(shí)間時(shí)，處理器通過協(xié)調(diào)器向終端發(fā)送命令，終端語音提醒老人吃藥。

（2）睡眠狀況監(jiān)測

系統(tǒng)通過監(jiān)測老人在床上的翻身次數(shù)評估老人的睡眠質(zhì)量。正常人每晚睡覺時(shí)不會頻繁翻身，翻身次數(shù)過多，睡眠質(zhì)量下降。當(dāng)監(jiān)測到翻身次數(shù)超過20次時(shí)，系統(tǒng)判斷為睡眠質(zhì)量較差。處理器通過協(xié)調(diào)器向終端發(fā)送命令，終端自動播放舒緩音樂輔助老人睡眠。

（3）久坐提醒

基于老人運(yùn)動量較少，系統(tǒng)通過監(jiān)測老人在沙發(fā)上的時(shí)間判斷老人是否久坐。當(dāng)超過一個(gè)小時(shí)時(shí)系統(tǒng)判斷為老人久坐，該時(shí)間也可以通過處理器設(shè)定。處理器通過協(xié)調(diào)器向終端發(fā)送命令，終端播放語音提醒老人起身活動。

2 系統(tǒng)測試

通過采用ZigBee技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測老人的家用設(shè)備，采集設(shè)備狀態(tài)變化及時(shí)間，獲取獨(dú)居老人的活動信息，實(shí)時(shí)描繪老人的活動軌跡，如圖7所示。實(shí)現(xiàn)行為模式判定、報(bào)警、用藥、睡眠、久坐情況監(jiān)測以及改善、數(shù)據(jù)存儲及回放等功能。遠(yuǎn)端接收報(bào)警電話如圖8所示，系統(tǒng)功能測試見表3所列。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)測老人居家活動事件圖

圖8 監(jiān)護(hù)端收到報(bào)警電話

表3 系統(tǒng)功能測試表

圖7中，對于老人外出/回家事件判定如下：系統(tǒng)記錄一天內(nèi)老人第一次（奇數(shù)次）經(jīng)過門口的事件，判定為老人外出；第二次（偶數(shù)次）經(jīng)過門口則判定為老人回家，且外出到回家之間的時(shí)間段，系統(tǒng)未監(jiān)測到其他事件[9-10]。

3 結(jié) 語

系統(tǒng)基于獨(dú)居老人的日常行為模式分析，通過監(jiān)測老人活動軌跡分析老人有無異常狀況，譬如監(jiān)測到獨(dú)居老人洗澡時(shí)暈倒無意識，起床時(shí)間老人仍在床上，做飯時(shí)間無設(shè)備用電，獨(dú)居老人吃藥、睡眠、有無久坐等情況。此外，該系統(tǒng)還考慮了獨(dú)居老人出現(xiàn)昏厥不能主動報(bào)警時(shí)的情況，為系統(tǒng)增加了可自動報(bào)警功能；老人主動報(bào)警時(shí)，只需觸發(fā)緊急按鈕即可。該系統(tǒng)在保障獨(dú)居老人安全的前提下，不侵犯老人隱私、避免穿戴式設(shè)備帶來束縛感，實(shí)現(xiàn)了對獨(dú)居老人的無束縛式智能照護(hù)，有助于老人的慢病治療并預(yù)防突發(fā)情況。