基于物聯網技術的養老院人員安全健康監控系統設計

　　摘 要：為了及時監測到養老院中每位老人的安全狀況和身體健康狀況，設計了一個基于物聯網技術的養老院人員安全健康監控系統。系統包含人員定位、摔倒檢測、心率預警等功能。人員定位功能分為外出人員定位和院內定位，外出人員定位使用全球定位系統(Global Positioning System， GPS)，院內定位采用射頻識別技術(Radio Frequency Identification， RFID)。系統使用陀螺儀加速度計判斷人員是否發生摔倒。經過測試驗證，系統具有較高的穩定性和可靠性，實現了人員心率、血壓及摔倒等信息的實時監控和報警。

　　關鍵詞：安全監控;健康監控;Spring MVC;物聯網

　　1 引言(Introduction)

　　在中國老齡化不斷加重的背景下，越來越多的老人將走進養老院安度晚年，這為養老院的工作帶來了極大挑戰，例如如何能夠及時、準確地了解每位老人的安全健康狀況以及所處位置，在老人發生危險時能及時發現、及時救助。因此，設計一套能夠滿足養老院看護管理需求，提高養老院的監護水平和管理效率的養老院智慧護理系統顯得尤為重要[1-5]。

　　本文設計的基于物聯網技術的養老院人員安全監控系統的主要功能：一是安全監控;二是健康監控;三是人員定位。安全監控主要是監控人員意外摔倒的情況，實現摔倒警報[6-9];健康監控主要是監控人員活動時的心率、血壓等生命體征[10-15];人員定位主要是監控人員的位置信息。該系統由可穿戴設備和服務器端兩部分構成。可穿戴設備穿戴在被監測對象身上，內部含有加速度、角速度、心率、血氧等傳感器來采集人員的安全健康數據，并通過4G網絡實時上傳到服務器中，實現實時監測人員安全和健康狀況。服務器端進行數據處理、顯示、分析等操作，如有摔倒等意外情況發生，可以及時通知監護人或者親屬。

　　2 系統結構設計(System structure design)

　　本文設計的基于物聯網技術的養老院人員安全監控系統分為下位機和上位機兩部分，融合了傳感器技術、無線通信技術、嵌入式技術等。它可以利用可穿戴式的無線傳感器節點收集老人平時的生理信息(如心率、血氧)、位置信息(通過GPS和RFID設備獲得)、姿態信息(通過加速度和角速度分析獲得)，并且對這些信息進行數據分析，判斷摔倒、心率異常等意外情況，并把分析結果發送給管理、護理人員，方便護理人員及時發現處理。系統整體結構如圖1所示。

　　3 系統硬件設計(System hardware design)

　　硬件系統主要由處理器模塊、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成。處理器提取傳感器信息通過4G通信模塊將數據發送出去。

　　處理器模塊的主要功能是與各模塊交換數據和進行數據處理，本系統使用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時的加速度和角速度，以此來判斷他們的姿態，本系統使用MPU6050。GPS模塊使用GPS實現老人的外出定位，能夠通過地圖實時了解外出人員的位置，本系統使用ATK-S1216F8-BD。RFID讀卡器模塊使用RFID技術實現老人的室內定位，本系統使用R200-70。心率血氧采集模塊的主要功能是為系統提供心率和血氧數據，本系統使用MAX30102。4G通信模塊使用4G網絡，可以實現遠程無線傳輸，真正做到實時監測，本系統使用WH-LTE-7S4 V2。

　　STM32核心與各個模塊之間的通信方式如圖2所示。MPU6050通過I2C接口與STM32實現通信，MAX30102通過I2C接口與STM32實現通信，WH-LTE-7S4 V2通過串口與STM32實現通信，ATK-S1216F8-BD通過串口與STM32實現通信。

　　4 系統功能設計(System function design)

　　4.1 人員定位

　　GPS定位在老人外出的時候使用。通過GPS模塊采集經緯度，然后顯示在地圖上。但是GPS在面對室內定位時也是有一定困難的。這是由于室內墻壁遮擋，衛星信號很難抵達，因此難以實現精確定位。據此，需要引入新的方法實現人員的室內定位，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活動的情況。RFID定位由標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位置處，有人員佩戴帶有RFID標簽的設備經過時，可讀取人員佩戴設備上的RFID標簽，代表人員處在此位置。圖3中，將每個RFID讀卡器分別置于各區域連接處，預先設定好每個定位點分別代表的位置信息。將RFID標簽配置于每個人的身上，當讀卡器檢測到周邊有RFID標簽時，讀取標簽的編號，并把信息發送到上位機。上位機通過讀取數據庫中的信息將位置和人員對應起來，便知道該人員從此經過，由此知道其在哪個區域。

　　4.2 摔倒報警

　　人在日常生活中的活動狀態可分為正常活動狀態與異常活動狀態。正常活動狀態是指人在生活中處于正常靜、動態姿勢，如起立、蹲下、坐下、奔跑、走等動作;異常活動狀態即摔倒狀態，具體行為分類如表1所示。根據表1，本文將事故姿勢輸出空間分成兩個維度，即正常狀態和摔倒狀態。

　　本系統采用BP神經網絡進行分類識別。首先，對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，每組數據得到24 個特征值作為神經網絡輸入，輸出為正常活動和摔倒。

　　本文采集了300 次跌倒數據和700多條正常數據(包含上下樓梯、行走、奔跑、站立等行為)，并按照7∶3劃分訓練集和測試集，然后進行訓練，訓練1，000 個迭代，準確率達到98.6%。

　　4.3 心率血氧異常報警

　　老年人由于身體各個器官逐漸衰退，會出現多種心血管疾病，并經常發生頭暈缺氧等情況，因此應當經常監測心率、血氧。本文采用置于手腕上的傳感器來測量心率、血氧，并將數據發送到上位機。一般來說，人體血氧含量的正常值應當是大于等于95%的，心率應當保持在60—100 次/分鐘。如果測量的數值偏離了上述兩個數值，系統將會及時發送消息給護理人員。

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

　　下位機處理流程如圖4所示。(1)配置連接信息：配置數據發送的目標IP、端口號，配置成功后，下位機可以實現和平臺的通信。(2)設備初始化：系統在上電后，STM32首先初始化GPIO口、串口、DMA、硬件I2C、SDIO、RTC實時時鐘等。在STM32自身硬件外設初始化完成后，系統完成對各種傳感器的初始化操作，包括解除休眠狀態、設置采樣頻率。(3)發送數據：判斷該設備是否連接，是否正在運行，然后以設定頻率讀取傳感器數據，通過4G網絡發送出去，并通過接受應答信息判斷有無成功發送。

　　6 上位機設計(Design of upper computer)

　　6.1 上位機開發工具選擇

　　上位機系統采用了B/S架構(Browser/Server， 瀏覽器/服務器模式)，用戶可以通過電腦瀏覽器或手機瀏覽器查看記錄。整個系統是在IntelliJ IDEA集成開發環境下完成的，使用基于Java語言的Spring MVC框架進行設計，以主流的MVC開發模式進行代碼的編寫。數據庫方面選用了開源的MySQL作為數據庫，服務器使用的是免費的Tomcat服務器。前端使用Bootstrap前端框架，Highcharts為圖表顯示工具。

　　6.2 上位機功能模塊設計

　　上位機系統主要包含信息監控、人員管理、設備管理、RFID定位點管理幾個模塊，整體結構如圖5所示。信息監控模塊展示當前使用設備人員的姓名、年齡、心率、血氧、位置以及是否摔倒。人員管理模塊是對養老院內的老人進行信息登記的入口，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。設備管理模塊負責管理所有連接的下位機，使用下位機前需要先填寫下位機信息并將下位機和人員進行綁定。RFID定位點管理模塊則負責管理所有定位點的標簽信息，負責將標簽編號與實際地點進行對應。

　　6.3 上位機數據庫結構設計

　　數據庫是數據的集合，數據庫中的表與現實世界的實體相對應，表與表的關系直接反映現實世界實體之間的關系。

　　數據庫的設計概念是通過一組描述現實世界中實體和實體間的聯系，將現實世界轉化為信息世界。通過對數據庫的需求分析，針對養老院管理系統的應用環境抽象出了各個實體，確定了實體的屬性及實體間的聯系。數據庫ER圖如圖6所示，使用Navicat創建的數據庫模型如圖7所示。

　　7 結論(Conclusion)

　　本文采用RFID技術、4G通信技術等物聯網技術結合加速度、角速度、心率、血氧等傳感器設計了一個基于物聯網的養老院人員管理系統，實現了人員定位、摔倒監控和心率血氧報警。系統設計簡單，使用方便，通過4G通信模塊，實現了及時和可靠的數據傳送，并選擇Spring MVC、Bootstrap等技術設計上位機，實現了對多個目標的同時監測、統一管理，切實加強了養老院人員的管理，具有一定的現實價值。經測試，該系統運行穩定，采集數據準確，實現了人員的安全健康監控。

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