基于液态金属RFID 居家养老安全的智能穿戴感知设计

王宇飞，徐微微，李汭洋，魏萌萌，国宇

（吉林工程技术师范学院，吉林长春，130052）

0 引言

近年来，中国老龄化社会问题日趋严峻，高龄化和空巢化的比重也逐年递增，从数据分析占比来看现今发展趋势是以家庭养老为主的养老监护系统，但老年人的突发疾病是极为不稳定的，对老年人的生命安全有着很大的安全隐患。保障老年人的健康监管和安全防护，可大幅度降低医疗成本和提高国民健康素质，推动社会经济的发展。因此，需要在老年人居家安全方面深入研究。

当前健康养老领域大多为视频监控，存在监管不到位等问题，无法达到预期效果，而监护服方面的研究多集中在人体生理指标信息采集方面，功能多，但衣物较笨重、成本较高，基于ARM、蓝牙或云计算平台等的远程监护系统相对成本较高，对居家环境有一定的要求。针对传统可穿戴传感器的弊端，目前最佳的解决方案是柔性电路打印技术。国内清华大学刘静博士在2011 年提出了液态金属印刷电子技术，基于液态金属的优异电学性能，可以与纺织物、硅胶等柔性材料结合，解决了传统传感器设备体积过大、重量过重，受获能方式的限制行动不易携带等问题，处于国际领先水平。2018 年，国内出现了首枚UHF RFID 无源测温传感器。甚高频RFID 的通信技术解决了可穿戴传感器的能耗问题，大大延长可穿戴设备的工作时间。RFID 技术与传感器相结合形成的新型的RFID 传感器具有重量轻、可打印、低成本、无公害等一系列优势，非常适用于服装上传感器制造[1～5]。

本文研究一种基于无线射频RFID 的可穿戴智能感知的医疗监护系统，由无线化、集成化、智能化实时监测分析结果来协助监测者根据监测对象完成相应的监护目的，价格亲民、易于穿着、性能稳定、保养方便，可以广泛应用于我国的居家养老、社区监护中，为提升我国居家养老的效率和质量，有效解决个人、社区家庭等的养老问题，为国家提出的新的社会养老服务体系和“9073”养老服务格局提供支持。

1 系统整体结构设计

本研究以健康物联网为理论基础，以柔性智能可穿戴RFID 技术在家庭中的健康养老为应用领域，研究液态金属智能居家养老服装的信号传输及动作判别问题。监护系统采用液态金属打印技术设计可穿戴柔性无源传感器，主要解决传统的可穿戴传感器的弊端如不舒适性，不能长时间监测等弊端，制作出液态金属标签后利用转印技术设计以衣物为基材的柔性传感器，然后通过传感器的数量、位置分布等采集监护对象的动作参数，经由无线传感网络传递给RFID 超高频阅读器，进行数据采集及处理；同时由STM32 控制器采集体温、血氧、脉搏等相关生命信息；统计出的居家养老监护对象人体动作特征参数如RSSI 定位信息等送到PC 处理器，形成智能感知系统，实时进行监测分析，当体征信息异常时发出异常声音报警，并进行显示，协助监护人完成相应的监测，保障老年人的健康监测和安全防护，系统结构框图如图1 所示。

图1 系统整体结构框图

2 采集体征数据模块结构

■2.1 血氧脉搏传感器

采用MAX30102 集成脉搏血氧仪和心率监测模块，用于心率脉搏数据的实时采集。此传感器用高度集成化工艺，包括红光LED、红外光LED、光电检测器及低噪声电子电路。可通过软件关断模块，待机电流为零，可运用于低功耗产品中。它包括内部发光二极管，光电探测器，光学元件，以及低噪音的电子设备。通过单片机接口对MAX30102 内部的寄存器进行读写，得到转换后的光强度数值，从而计算出心率值和血氧饱和度[6～7]。

MAX30102 脉搏传感器技术指标：

LED 供电电压：3.3～5V，LED 峰值波长器：660nm/880nm，通信接口电压：1.9-3.3V-5V，检测信号接口：I2C 接口，输出低电平：小于0.2V，低功率心率监测器(＜1mW)。

■2.2 体温检测传感器

采用MAX30100 芯片体温检测模块，具有体积较小，稳定性可靠，可内嵌到服装或穿戴设备等特点，电压极低保证了使用周期，该传感器用来测温的电路主体是桥式电路，其原理是根据内部热敏电阻阻值与输出电压变化判断出使用者的体表温度，其I2C 接口与外设的控制硬件进行串口相连，对寄存器运行参数和二极管的电流进行控制和调节。

3 感知定位模块构成

■3.1 定位组成

无线射频识别有三部分：一是应答器，可理解为标签，以编码格式存储信息，内置天线和耦合元件及芯片；二是应用软件，运用程序及算法对数据归纳处理；三是阅读器，介于终端和标签之间，负责与电子标签进行双向通信，受终端操控且与之串口交互通信。当阅读器向标签进行数据的调取与写入，将调取后的数据进行处理发至系统终端，标签承载的能力越强，它的频率决定系统频段、功率决定射频范围，可按系统要求改变其读写方式。

本感知定位模块由射频标签、阅读器和计算机系统组成。识别到的数据存于标签，阅读器经过电磁场非接触的向标签的信息读取通信，通过无线通信传送到计算机，并进行数据汇总和处理，完成使用者的数据采集[8]。

定位组成包括lmpinj 远场天线、Intel R1000 超高频阅读器、液态金属RFID 无源标签等。

（1）lmpinj 远场天线，发射与接收独立工作，射频范围为902～928MHz，中心频率915MHz，与读写器通过同轴线缆直接连接，使用3 对天线，用于与R1000 的6 个端口连接进行时分复用式收发工作。

（2）阅读器主要负责与电子标签进行双向通信，在RFID 系统中起到非常重要的作用，主要功能是对应答器内相关信息进行读写。Intel R1000 超高频阅读器是英特尔公司开发的一款开发平台，其具有二次开发、小尺寸、功耗低、传输速率高等特点。它涵盖了与标签相互数据通信的所有要求，以STM32 控制器作为与主机通信的控制单元，标签的工作频率为860～960MHz。增加一个简单的8 位单片机可构建完整的RFID 读卡器系统。包括一个集成的接收信号强度指示器（RSSI）指示I 和Q 信号，可测量传入应答机信号或外部射频信号的功率。

（3）采用的RFID 标签无源液态金属标签，其工作频率为860MHz～960MHz（UHF 频段），遵循ISO 18000-6C 标准，天线型号为AZ-9662，标签采用H3 芯片，经典的偶极子天线（Dipole Antenna），天 线 尺 寸17mm×70mm，含 盲 点读取距离可达10m。

■3.2 RSSI 实现定位

射频信号在传播过程中，信号强度会随着传播距离的增大而减小。这种强度的衰减称之为信号的路径损耗，它与信号具体传播环境有关。RSSI（Received signal strength indication）定位方式主要利用了无线射频信号强度的空间衰减特性，而无线电传播路径损耗对RSSI 定位算法的定位精度有很大影响[9]。基于RFID 定位算法的实质是通过将无线射频信号的传播距离与物理特征信号相关联，得出实际传播距离。

读写器天线发射的信号以球面波的形式传播，因此常采用无线电传播路径损耗模型对信号进行分析即需要考虑空间介质引起的路径损耗以及噪声影响，通常用的信号路径损耗模型为：

其中，n 为代表路径损耗随距离增加的速率，即路径损耗系数。d0为已知的远处距离即参考距离，通常取1m，d表示信号发射端与接收端的距离，xσ为均值为0，方差为σ2的高斯随机变量，一般取均值为0，方差为4～10。PL(d)表示天线发射的信号经过距离d衰减之后的路径损耗，则待测点的接收信号强度，即RSSI 值，单位是dB，如式(2)所示：

式中Pt为发送端的发射功率，当d0=1m时的RSSI0为：

未知标签与阅读器距离d即测距模型如式(4)所示：

RSSI为接收端接收信号强度的均值，单位是dB，在监测者标签所处区域中，设定明确标签坐标作为参考值，当阅读器与设备上的标签和这些坐标标签进行数据读取时，判断获取到的场强值RSSI，处理后经控制单元的数据处理，从而确定标签坐标位置，实现定位。

软件环境：操作系统选取Windows 11 系统，处理器为12th Gen Intel(R) Core(TM) i9-12900K 3.20 GHz，使用NVIDIA GeForce GTX 3090Ti 显卡。

硬件环境：无线感知信道分析系统，频率范围为800MHz～1000MHz，实时带宽为20 MHz，最大模数转换采样率为200 MS/s；模数转换采样精度为14 bits；z 识别信道为10 个。

整体工作流程如图2 所示：首先由给各传感器节点上电，进行传感器数据的初始化，然后由各传感器进行体征信息的采集，送到控制器进行存储处理，接下来判断接收端天线是否有射频信号输入，如果没有信息输入则跳回继续采集，如果有信号输入则读取指令信号输出数据，控制器接收交由计算机处理数据，当体征参数在健康范围内时，参数项白色填充，进行数据库存储，由显示器进行参数显示；当不在健康范围内时，参数项红色填充，进行声音报警处理，然后再存储数据于数据库中，由显示器进行参数显示。

图2 系统流程图

4 系统检测

本设计目的是实现传感器能够对人体健康信息拥有多元化读取数据和感知信息，为了减少运行功耗，可拆分成正常对人体、对设备周围环境、对使用者移动中人体三部分进行感知，搭建的硬件系统平台，各设备具体功能如下：（1）节点，完成各测试节点的相关功能；（2）IPEX 同轴线，测试天线输出信号；（3）频谱仪，测试信号频谱；（4）USB 线，提供设备供电；（5）串口线，烧写程序；（6）PC 电脑，程序编写、编译、下载和信号处理；（7）示波器，查看各节点相关波形。

首先确认每个硬件单元与主控单元连接稳定，考虑时间成本以调试体温采集模块效果作为整个采集单元的参考值，在建立连接上电后感知电路与主控电路及芯片先发送命令，感知模块接到命令开始运行。经过对节点硬件系统的测试，包括节点感知功能测试、信号的测试、通信能力等测试，完成测试平台的搭建。

通过对数据调用的处理运算可达到理想程度，快速建立通信网络，调试之后检查是否存在出错点位。建立网络后所有相应的数据都能在终端界面管理和存储，数据信息接收图如图3 所示。

图3 数据信息接收图

当进行环境感知功能时，利用温湿度芯片进行温湿度数据的感知；当进行体征感知功能时，利用血氧脉搏检测传感器芯片实现血氧脉搏的采集；当进行运动检测功能，利用标签定位感知，完成节点定位，对接收到的信息以坐标及经纬度形式显示和存储，所有接收的数据存储于数据库；在终端对各项数据的阈值进行设定，就能以此对异常身体数据预警，当身体某项数据大于阈值则这项数据会变成红色，最终达到预警的效果，在系统上实现全部设计的功能。

5 结束语

在系统的设计中，考虑到我国养老建设体系匮乏与大多数老年人养老问题的巨大需求现状，结合对国内外无线监护系统的研究现状与技术成果，研究一种基于液态金属RFID的可穿戴智能感知技术，主要从人体随身携带的多个便携式传感器采集终端得到采集信息，通过无线传感网络传输到智能终端，经过实时分析和智能判断监测体征信息情况，当有异常数值时触发阈值报警，最后将实时数据和报警信息传输到监护平台，保障了对目标信息提取和传输的完整性。经过综合测试来看，其运行稳定、系统集成度高、适配能力强、佩戴简单行动方便，可以提高信息判断的正确率，既能获取较为准确的体征参数，也避免设备植入或体检采样给老人带来的身心痛苦，对居家养老人群带来许多便利，有很好的应用市场前景。