独居老人无束缚照护系统的实现方法研究

徐颖超，季 忠

（重庆大学 生物工程学院，重庆 400030）

0 引 言

由于经济和社会等多方面原因，中国老龄人口规模庞大、发展迅速，截至2018年末，我国60岁及以上老年人口达2.49亿，占总人口的17.9%[1]。预测到2050年将达到4.87亿，占全球老年人口的1/4，我国将进入重度老龄化平台期[2]。

老龄人口的增长带来了一系列社会压力和挑战，首先是老龄人口的医疗和照护问题。年轻人忙于自己的事业，导致独居老人越来越多。老人在突发意外情况时未得到及时救治会危及生命[3]。

针对独居老人的照护问题，一些研究人员已经进行了相关研究，构建了若干不同的远程监护系统，实现养老院、医疗机构和居家医疗监护及室内环境监护[3-8]。主要有以下两种模式：

（1）基于物联网远程视频监控模式，通过远程监控、视频交互观察独居老人的日常生活，但这种模式会侵犯老人隐私，且远端服务人员很难做到随时观察并做出及时反应。

（2）基于穿戴式设备的远程医疗照护和防摔系统，通过佩戴便携式传感器，采集独居老人的各项生理参数指标。但是该类设备会让老人产生束缚感，实际应用中也很难保证老人时刻佩戴。

综上所述，本文在不影响居家老人日常生活的前提下提出一种独居老人无束缚照护系统。

1 系统设计

1.1 系统方案设计

独居老人无束缚照护系统的实现包括如下步骤：

（1）通过ZigBee技术组建无线传感器网络，经终端节点监测老人日常使用的家居设备，采集设备状态变化及时间信息，并将其发送至协调器；

（2）路由器节点辅助传输相关信息；

（3）协调器接收数据后将其发送到中央处理器；

（4）处理器对老人的行为模式进行分析，判定是否与老人日常行为习惯一致；

（5）当活动信息超出老人日常行为习惯最大阈值范围时，自动拨打报警电话联系监护人或社区平台；

（6）系统为老人设置了紧急按钮，发生紧急情况时，老人触发此按钮，声光报警器被启动，自动拨打报警电话给监护端。监护端接到报警电话进行确认并及时采取相应措施，避免意外的发生。

此外，网关还将实时记录独居老人每天的活动轨迹，同时监测睡眠、用药、久坐等情况，帮助老人改善身体状况。系统框架如图1所示。

图1 系统框架

1.2 系统硬件搭建

1.2.1 器件选型

系统包括网关处理器、监护端、协调器、路由器、终端、辅助器件、家居设备状态监测传感器等。将CC2530芯片作为主控芯片，它是应用于IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE的片上系统解决方案，能以非常低的物料成本建立强大的网络节点；家用设备状态的监测采用了不同类型的传感器：床下四个脚处设置压力传感器、沙发下设置压力传感器、马桶底座下设置压力传感器、药柜下设置压力传感器、电饭煲后设置电流传感器、电视机后设置电流传感器，并在他处设置温度传感器、烟雾传感器、红外传感器；辅助器件包括紧急按钮、声光报警灯、语音模块等。该系统器件选型整理见表1所列。

表1 器件选型表

1.2.2 无线传感器监测网络硬件

ZigBee支持星型、树状和网状拓扑网络。网状拓扑在网络容量和通信能力方面更有优势，因此系统采用网状拓扑结构来组建无线传感器监测网络，通过监测设备获知老人的活动信息。无线传感监测网络由传感器、家居设备、终端节点、路由器节点及协调器节点组成。

（1）终端监测节点

终端监测节点主要是居家老人日常活动时常用的设备，节点主要包括：床、水流、电视机、电饭煲、药瓶、马桶、沙发、门、温度、烟雾等监测单元；另设置紧急按钮，安装在老人容易发生危险的地方，当老人需要求助时，只需触发按钮即可完成报警。终端监测节点功能实验设置如图2（a）～图2（k）所示，实际应用时还需考虑这些设备的防水性能、安装位置、功耗等问题。

图2 终端监测节点

（2）协调器节点

协调器节点放置于客厅，便于组建无线传感网络、管理网络，接收终端监测节点数据传送至处理器。协调器如图3所示。

图3 协调器

（3）路由器节点

在室内环境，受门、墙阻隔，传输信号可能较弱，因此可根据照护系统应用时的具体居家环境在终端节点和协调器之间增加路由器，提高无线传感器网络信息传输的能力。路由器节点如图4所示。

图4 路由器

1.2.3 网关节点硬件部分

PC端分别与协调器节点和报警节点通过USB接口连接，如图5所示。PC端通过协调器接收无线传感网络采集的数据，处理分析后判定是否需要触发报警节点。其中，报警节点用于处理器判定居家老人的状况是否异常或者老人触发紧急报警按钮时自动向监护端拨打报警电话。

图5 网关节点

1.3 系统软件设计

1.3.1 无线传感器监测网络软件

无线传感器监测网络数据的获取、传输，采用事件驱动方式进行数据采集、发送。当监测到居家老人活动事件时，即唤醒该路数据采集功能，根据终端节点编号、传感器编号、设备编号标记发生的事件，记录事件的起止时间，并在网关保存。终端节点发送数据格式以床为例，见表2所列。

表2 数据通信格式

1.3.2 基于老人日常行为模式的报警触发

网关接收数据后，判断活动信息是否满足预设条件；当活动信息满足预设条件时，网关处理器自动向监护端拨打报警电话。

首先收集并分析老人居家日常行为习惯，形成老人完整的日常行为模式信息并存储在处理器的Access数据库，处理器将活动信息与行为习惯信息进行对比。

同一事件下，当活动时间信息t与习惯时间信息T的偏差超过预设阈值时，即|T-t|＞a，处理器判断活动信息满足预设条件。这里根据具体事件对阈值进行区分：

（1）老人短时间内容易发生危险事件，比如洗澡、上厕所、服药等，阈值取a=10 min；

（2）需要较长时间判断老人发生危险的事件，比如睡觉、吃饭、做饭等，阈值取a=30 min；

（3）老人仅仅在家中走动，即系统不会监测到具体事件的发生，通过在客厅、卧室门、厨房门、卫生间门共放置5个红外传感器，大致判定老人的位置和活动轨迹，判定老人是否出现异常情况。

当处理器判定超出阈值时，启动报警器进行声光报警，限定时间内老人未取消报警，处理器自动拨打报警电话给监护端。

基于独居老人的日常行为活动判定流程如图6所示。

图6 老人行为活动判定流程

当老人触发紧急按钮后，报警器启动并即刻自动拨打报警电话至监护端。

处理器还需要描绘出老人一天的活动轨迹，并按日期存储。随着老人日常活动轨迹记录的增加，将根据居家老人每天的居家活动事件发生的时间范围，进一步通过机器学习方法自适应调整老人日常行为模式规律，进而对报警阈值进行自适应调整，使其更符合老人的日常行为习惯，避免误报警[9-10]。

1.3.3 用药、睡眠、久坐情况监测及改善

（1）用药状况监测

系统通过监测老人一天不同药物用药次数，判断老人是否按时服药，超出数据库中老人应该服药的时间时，处理器通过协调器向终端发送命令，终端语音提醒老人吃药。

（2）睡眠状况监测

系统通过监测老人在床上的翻身次数评估老人的睡眠质量。正常人每晚睡觉时不会频繁翻身，翻身次数过多，睡眠质量下降。当监测到翻身次数超过20次时，系统判断为睡眠质量较差。处理器通过协调器向终端发送命令，终端自动播放舒缓音乐辅助老人睡眠。

（3）久坐提醒

基于老人运动量较少，系统通过监测老人在沙发上的时间判断老人是否久坐。当超过一个小时时系统判断为老人久坐，该时间也可以通过处理器设定。处理器通过协调器向终端发送命令，终端播放语音提醒老人起身活动。

2 系统测试

通过采用ZigBee技术组建无线传感器网络监测老人的家用设备，采集设备状态变化及时间，获取独居老人的活动信息，实时描绘老人的活动轨迹，如图7所示。实现行为模式判定、报警、用药、睡眠、久坐情况监测以及改善、数据存储及回放等功能。远端接收报警电话如图8所示，系统功能测试见表3所列。

图7 系统监测老人居家活动事件图

图8 监护端收到报警电话

表3 系统功能测试表

图7中，对于老人外出/回家事件判定如下：系统记录一天内老人第一次（奇数次）经过门口的事件，判定为老人外出；第二次（偶数次）经过门口则判定为老人回家，且外出到回家之间的时间段，系统未监测到其他事件[9-10]。

3 结 语

系统基于独居老人的日常行为模式分析，通过监测老人活动轨迹分析老人有无异常状况，譬如监测到独居老人洗澡时晕倒无意识，起床时间老人仍在床上，做饭时间无设备用电，独居老人吃药、睡眠、有无久坐等情况。此外，该系统还考虑了独居老人出现昏厥不能主动报警时的情况，为系统增加了可自动报警功能；老人主动报警时，只需触发紧急按钮即可。该系统在保障独居老人安全的前提下，不侵犯老人隐私、避免穿戴式设备带来束缚感，实现了对独居老人的无束缚式智能照护，有助于老人的慢病治疗并预防突发情况。