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1、基于模块化的远程健康智能监护系统刘英豪，代莉莉，黄耀谆，段峰*（南开大学信息技术科学学院，天津 300071）510152025303540摘要：当今社会，老龄化趋势加剧使得家庭环境下的老年人护理需求突增。本文介绍了一种基于模块化的远程健康智能监护系统，利用由多传感器组成的检测模块实时采集老人的生命体征信息，并将其发送到数据中转模块，由中转模块进行初步的处理并传送至社区或养老院的监控室，在监控端可以实现对多个老人的实时监控。本系统利用模块化的思想，将系统分为检测、中转、监控、治疗四大模块。根据实际情况进行组合，即插即用。实验表明本系统可快速的处理老年人的生命体征信息，在出现异常时报警及时，准确
2、率较高，并通过视频对话功能实现了对异常情况的更为准确的判断。关键词：信息处理；健康监护系统；模块化；WiFi 传输；人口老龄化中图分类号：TP274Modularization-based Remote Health Monitoring SystemLiu Yinghao, Dai Lili, Huang Yaozhun, Duan Feng(College of Information Technical Science, Nankai University, TianJin 30071)Abstract: In the coming aging society, the nursing
3、needs of the elderly at home increase rapidly.This paper introduces a kind of remote health monitoring system based on modularization(MRHMS). MRHMS uses multisensory module to detect accurately elderly peoples vital signsinformation in real time, and then sends it on to the data transfer module. The
4、 transfer modulecarries on the preliminary processing and transmits the information to the community nursinghome or the supervisory control. And monitoring terminal can realize real-time monitoring formany old men. This system uses modular thought to divided the system into detection module、transit
5、module、monitoring module and treatment module. According to the actual situation, it canbe done an appropriate combination, plug and play. Results show that this system can quickly dealwith the vital signs. In case of abnormal conditions it can alarm in time, highly accurate, andthrough the function
6、 of video dialogue it can makes a more accurate judgment in the abnormalsituation.Keywords: information processing; remote health guardianship; modularization; WIFI; agingsociety0 引言随着社会的发展，中国人口老龄化趋势日益明显。到 2010 年止，全国 60 岁及以上人口为一亿七千多万人，占总人口的 13.26%1。同时我国的残疾人总数也很高，到 2006 年止，全国各类残疾人的总数为八千多万，占全国总人口的比例为
7、6.34%2,残疾人比例上升较快。老年人和残疾人等在日常生活中都是意外情况高发的人群，由于子女工作繁忙，高楼大厦导致邻里沟通的缺乏，致使“空巢”老人增多，这些老人在没有人看护的情况下，出现意外的后果尤其严重。针对在养老院里的老人或医院里的病人，他们在日常活动中或康复过程中，需要在户外适当的做一些运动，而工作人员不可能时刻陪伴在旁边，若老年人、病人突然出现意外情况同样无法及时发现，也将造成比较严重的结果。目前在老年人健康监护领域，已经产生了很多各式各样的监护系统。如华南理工大学研发的基于视频的社区智能远程健康监护系统3，其利用护理床、生理参数监护仪和摄像头为基金项目：南开大学第十届百项工程基金作
8、者简介：刘英豪，（1991-），男，本科生，自动控制。通信联系人：段峰，（1978-），男，副教授，家庭服务机器人，康复医疗机器人。E-mail: duanf-1-家庭客户端,检测人体生理参数和视频监控被监护对象的身体状况, 并将数据传到医疗中心。4550556065但视频监控很明显不适合监控中心对多个老人进行监控，对老年人健康状况的判断也不准确。同时具体使用也不方便，需要在家里安装大量摄像头，更不适合于隐私的保护。复旦大学研发的基于物联网的健康监护系统4通过物联网技术构建一个集成的家庭健康监护服务物连终端，通过终端连接到健康监护服务广域物联系统来进行老人、病人的监护。但其只限于家庭内部的监护
9、，老人在室外活动时无法进行有效的监护。同时其整个系统比较庞大，建设成本、运营成本等都比较高昂，信息共享时安全性也得不到保证。印度防御性生物工程和电气化实验室（DEBEL）研发的智能背心：穿戴式多参数远程生理监测系统5，是通过将传感器及其驱动电路微型化，将其安装在人们日常穿的衣服上，实现对人体生命体征信息的测量及发送。该方法虽然前景很好，但目前由于受目前硬件技术的限制，传感器的智能性及微型化程度不足，难以在人体运动的情况下准确的测得生命体征数据。而且如此多传感器及电路的能耗也成为一个限制因素。而基于模块化的远程健康智能监护系统，采用了模块化的设计思想，根据使用的环境不同，将采用不同的模块相组合，
10、形成一个完整的监护及治疗系统。该系统可以实时监测老人、病人的主要生命信息，如体温、心跳等，同时检测老人所处的方位，出现意外则立刻报警，附带治疗装置，保障了老年人、残疾人的生命和健康安全，缓解由于老龄化带来的医疗问题和社会问题。1 基于模块化的远程健康智能监护系统本系统共分为四大模块：检测模块，中转模块，监控模块和治疗模块。图 1 模块化监控系统结构图Fig. 1 The structure of the entire system检测模块检测模块的功能为获取信息，包括老年人、残疾人的生命体征信息和位置信息。生命体-2-征信息用来判断老年人的正常与否；因老人可能在户外活动或者位于养老院中的老人可
11、能在707580859095100不同的房间里活动，所以获取老人的位置信息可以在检测到老人异常时及时发现老人。利用多传感器来检测老人体温、心率、血压、呼吸频率四大基本生命体征信息，将信号滤波、A/D 转换后传入单片机控制电路，把数据转换为统一的格式，然后通过 WIFI 传输到中转模块的中转处理器中。同时在老人身上安装加速度传感器，以检测老人是否跌倒。在检测老年人位置方面，室外时利用 GPS 检测，室内时利用无线传感网络检测。将检测到的数据输入到中转处理器中，以确定老年人的位置。中转模块因为老年人或残疾人一般行动不便，在室内、室外活动时经常借助轮椅或助步器，所以将中转模块及检测模块的 GPS 和
12、无线传感网络接收器附在老人使用的助步器上。中转模块是一个信号中转站，主要是由于 WIFI 传输距离比较短，其可以在传感器与服务器之间起到中继的作用。中转模块核心是一个中转处理器，接收来自检测模块的传感器信息，对其进行处理并在界面上显示，然后将数据以规定的格式每隔固定时间发送到服务器。同时在轮椅或助步器上安装有触摸显示屏，具有视频通话功能。监护人员可以在发觉老人生命体征异常时，首先通过视频功能查看老人的状况，如果确定有危险的话将立即前往急救。监控模块监控模块将安放在类似监控室、办公室等医院、养老院、社区工作人员办公的场所。这部分核心装置是了一个装了 Linux 系统服务器，服务器接收来自中转模块
13、的信息，然后通过里面安装的 SIGverse 模拟仿真系统进行处理6，可以进行多个病人的监控。同时，附带报警装置，在被监控的病人出现意外时立刻发出警报，以使监护人员及时发现并前往救治。治疗模块本模块是附加可选的模块，可以附加一些简易的治疗装置来治疗一些慢性的疾病，如用电刺激治疗仪治疗足下垂疾病。功能性电刺激已经证明对中风类疾病有较好好的效果7,可以将足下垂治疗仪安放在腿及脚踝上，由监控人员遥控其开关，实现对老人的远程治疗。2 数据传输标准化接口生命体征数据由传感器进行检测，传入单片机控制电路进行初步的处理，然后需要将其发送到服务中心。传统的方法一般是利用 GPRS 网络直接传到监控服务中心8，
14、但 GPRS 网络传输速率低且需要付费，所以这里采用 WIFI 的方式进行传输。传感器数据通过 WIFI 传入中转处理器中，在中转处理器中对生命体征数据进行分析、处理。而因为传感器有多个，GPS 及无线传感网络等也需要向中转处理器输入信息，所以这里需要一个“即插即用”的模块化接口。“即插即用”体系结构的各种组成部分都是以已有的接口为基础,由这些部分组成的体系结构能够容纳目前存在的各种不同的总线和设备结构,并考虑到将来的设计9。这里采用串口及虚拟串口作为输入信息的标准化接口。105-3-110图 2 数据传输流程图Fig. 2 The flow chart of data transmissio
15、n串口通信协议简单，稳定性高，只需要设置一下波特率、停止位、奇偶校验就可以和设115120125130135备进行通信。所以其可以通过一些虚拟网络串口及 USB 转串口驱动等方式来大量使用。虚拟网络串口可以用 VSPM 软件来实现，该软件可以通过设置 IP 地址，通过 WIFI 将生命体征信息从传感器传到中转处理器中；同时也可以由中转处理器向传感器中发送信息，如由中转处理器远程控制治疗模块的装置的开关。GPS、无线传感网络等硬件通过有线接入电脑的 USB 接口，通过 USB 转串口驱动来利用 COM 口输入数据。3 数据的处理及位置显示3.1 数据处理如图 3 为数据处理的流程图。在初始化参数
16、时，程序将保存用户从界面上输入的生命体征上下限，如体温的正常范围。如果用户没有输入，则程序采用默认的范围。在接收到数据后，先将数据分别存储到相应的一个 txt 文件中，防止因意外而丢失。然后对数据进行处理和显示，有异常则进行报警。开始初始化串口、生命体征上下限、参数设定COM口、波特率，然后打开串口接收数据，显示相应生命体征信息及位置信息符合设定的范围是140否异常报警，将报警信号传到服务器将数据传到服务器145图 3 生命体征信息处理软件流程图Fig. 3 The processing procedure of the vital signals-4-3.2 位置显示在室外，用 GPS 检测
17、老人所处的位置。GPS 的精确度为十米，完全满足定位老人位置的需要。当老人在室外移动时，经纬度值也会随之变化。监控人员可实时看到老人位置的移150动，老人也可以通过中转处理器的界面得知自己的位置信息。通过事先标定好的老人活动区域的经纬度值，很容易确定老人的具体位置。155160图 4 老人室外移动时的位置经纬度变化Fig. 4 The latitude and longitude change when old people is moving outdoors165在室内时，用无线传感网络来定位老人的位置，这种方式适用于养老院、医院等场所。在老人可能会活动的房间中安装无线传感网络装置，这些装
18、置将一直发送无线信号。老人身上或其辅助活动的助步器上将安装有无线传感网络的接收装置，当其更靠近某个房间时，会接收到本房间的特有的无线网络信号，可以通过这个信号判断出老人位于哪个房间。这样可170以对老人在室内的位置实时监控，方便管理；同时当老人突发异常时，可以及时赶到进行急救。175180185Fig.5图 5 老人室内移动时的房间号的变化The change of the room numbers when old people is moving indoors数据被中转处理器接收后，按固定的间隔时间及格式通过 Internet 网络发送到服务器10。服务器可以对多个老人进行监控，其内部的
19、 SIGVerse 系统可以用三维仿真图显示老人的具190体位置。这样监控人员通过监控界面不仅可以看到老人位置的数据信息，还可以利用SIGViewer 客户端直接查看仿真图，进而非常容易的判断老人的位置。-5-如图 6 所示，503 和 504 为试验的两个房间，黄色的方块代表老人。当老人由 504 移动到 503 后，方块会跳到 503。当老人走进别的房间时，方块也会根据无线传感网络的信号进行相应的跳动，实时的标志老人的位置。195图 6 老人位置的 SIGViewer 仿真图Fig. 6 The picture of the SIGViewer simulation for the old
20、 mans position2002052104 生命体征信息显示及报警4.1 生命体征信息这个显示区分为四部分，分别显示体温、心率、呼吸频率和血压的信息。以体温显示区域为例，体温测量值后面的框显示实测的体温值，下面为“上限报警值”和“下限报警值”，这个在程序启动后，可以对上下限报警值进行修改。程序将以修改的上下限报警值为准，若无修改以默认值为准。上限报警值和下限报警值的旁边有图块报警显示区，正常为绿色，超出上限或低于下限相应的就会变红色，进行报警。图 7 体温:正常、过高、过低显示及报警Fig. 7 Temperature display and alert when it is norma
21、l, overtop or too low-6-4.2 跌倒报警老年人在行走时容易跌倒，若跌倒后其生命体征正常，却无力站起，也将对老人的生命造成严重的威胁。所以本系统添加了加速度传感器，来测老人是否跌倒。老人跌倒的一瞬间，X、Y、Z 三个方向上的加速度会出现相应的变化，根据这个来判断老人是否跌倒。如下图215所示，老人在 X 方向上加速度较大，所以进行了跌倒报警。图 8跌倒报警Fig. 8 Fall alarm4.3 视频交流220225当系统报警时，监护人员在第一时间可以打开监控端的视频呼叫功能，与老人身边助步器上安装的中转处理器接通，就可以通过与中转处理器相连的触摸显示屏上的摄像头观察老人
22、的情况。这样可以判断老人是否真的有了异常，防止了因误报而造成的损失。如果老人确实发生了异常，则可以根据老人的症状有准备的赶去急救。图 9 视频交流Fig, 9 Communication via video link-7-5 结论本文给出了一种基于模块化的远程健康智能监护系统，其采用了模块化的思想，将各部分做成了一个个相对独立的模块，然后通过统一的接口来进行连接，实现对老人的智能监控。230通过传感器测得生命体征信息对老人的健康状况进行判断，准确度较高；同时利用加速度传感器测老人是否跌倒，更有利的保障的了老人的安全。视频交流功能可以极大的减少错报的概率，更有利于发生异常时急救的准备。中转处理器
23、的处理程序有友好的界面，方便了信息的交互。还可以进一步的对获取的生命体征数据进行挖掘，根据长时间的数据积累，拟合出该用户的更为精确的浮动范围，以在发生意外时能够更为有效的发现。235参考文献 (References)1 中华人民共和国国家统计局.2010 年第六次全国人口普查主要数据公报Z.2010.2 中华人民共和国国家统计局.2006 年第二次全国残疾人抽样调查主要数据公报Z.2006.3 林兆花,谢存禧.基于视频的社区智能远程健康监护系统研究J. 数采与监控，2008(02):7779.2402452504 周红.基于物联网的远程健康监护服务系统设计与实现D.上海：复旦大学，2010.5
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25、M. van Riel，P. H. Veltink. Control of triceps surae stimulation based on shankorientation using a uniaxial gyroscope during gaitJ. Med Biol Eng Comput,2009 47:1181-11888 秦毅.基于无线网络的远程医疗监护系统的设计与实现D.成都：电子科技大学，2011.9 洪志敏.即插即用技术的讨论J.电子技术，2000,6:343510 Chih-Ming Chen. Web-based remote human pulse monitoring system with intelligent data analysis for homehealth careJ . Expert Systems with Applications, 2011, 38: 20112019-8-
