基于分布式压力采集技术的养老监护系统

关天民，熊亮，马宇飞

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028； 2.上海大学 法学院，上海 200444)*



基于分布式压力采集技术的养老监护系统

关天民1，熊亮1，马宇飞2

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028； 2.上海大学 法学院，上海 200444)*

通过对养老机构监护问题需求分析，设计了一套基于分布式压力采集技术的养老监护系统.系统利用柔性薄膜网格传感器采集老人活动的压力信息，通过单片机模块分析处理，确认老人的状态，并通过RS- 485总线通信将老人的状态信息传送到监护中心，供监护中心人员分析和监测.

养老监护；压力分布；RS- 485通信总线；实时监测

0 引言

目前我国已经步入老龄化社会，人口老龄化现象严重.截至2012年底，我国老年人口总数达到了1.94亿，占全国人口总数的14.3%，据预测可知，到2020年，我国65岁及以上的老年人口占全国人口总数的比重将达到11.92%[1].养老机构在养老服务体系中占据着非常重要的地位.目前，我国养老机构在监护方面主要还是采用人工监护的方式，护理人员无法实时掌握老人的动态.针对这个问题，国内外许多单位开展了智能养老监护系统的研究[2- 6]，但这些系统存在着操作复杂、实时性差、妨碍活动、价格昂贵等问题，不符合我国养老监护的需求.

针对上述问题，本文提出了一种基于分布式压力采集技术的养老监护系统.该系统包括压力信息采集、实时数据传输、老人行为分析和异常状态警报等功能，具有结构简单、操作方便、人性化、成本低等优点.

1 系统架构设计

为了能够实现对老人实时全面的监护，系统主要由监护终端、RS- 485总线通信、监护中心三部分组成，其框图如图1所示.监护终端是由传感器、调理电路、A/D转换电路及单片机模块等组成，主要完成数据采集处理工作；RS- 485总线通信将各节的信号汇总并传输到监护中心；监护中心主要对数据进行处理，包括老人状态判断显示、数据存储、异常状态警报等.

图1 监护系统框图

系统由铺设在床铺、床铺周围及卫生间门口的6片传感器采集老人活动的压力相关信息信号，经调理电路处理后转换为数字信号，送单片机模块处理.传感器采集的信号经单片机模块处理后，成为老人状态数据串，将老人状态数据串通过RS- 485总线通信传送给监护中心.监护中心接收到数据后，对数据进行解析、判断和保存，若判断老人状态异常，则向护理人员发送警报信息.同时，可通过网络平台共享老人的状态信息.

2 信号采集方案

系统采用柔性薄膜网格传感器[7]进行信号采集，该传感器由大量阵列分布的敏感单元组成，敏感单元感测得到压力信号后，信号首先要经调理电路处理，其中包括行列扫描电路和滤波放大电路，然后将处理后的信号送入A/D转换模块转换为数字信号，再送入单片机模块进行汇总处理.图2为压力采集框图.将所有压敏单元采集的压力信息集总起来则可以得到压力分布状态信息.

图2 压力采集框图

如图3为柔性薄膜网格传感器安放位置，A区为头颈部监测区，B区为躯干监测区，C区为下肢监测区，D、E区为离床监区，F区为卫生间监测区.A、B、C三个监测区的传感器可将躺在床上老人侧身、腿动等动作转换成电信号，经信号调理，传至单片机模块处理.D、E监测区用于监测老人是否正常离床.F监测区用于监测老人是否如厕及是否正常离开卫生间.六个监测区共同协作使对老人的监护更加可靠.六个监测区采集的压力信息汇总到单片机处理后，以数据串的形式通过RS- 485通信总线传送到监护中心.

图3 监测区分布示意图

3 监护系统设计

监护系统软件设计的主要功能是对整个监护系统进行协调与控制，实现监护终端信息采集、处理、发送及监护中心对数据的接收、处理、实时显示与存储，同时对老人出现异常状况进行警报.系统的软件设计主要包括监护终端软件设计和监护中心软件设计.

3.1 监护终端软件设计

监护终端软件设计主要由汇编语言和VB语言进行设计，用于完成压力采集模块的数据采集、单片机模块的数据处理和串行口数据的发送等工作.压力采集模块数据采集程序主要是实现对六个监测区进行顺序采集及中断等；单片机模块的数据处理程序用于对六个监测区采集的数据进行逐个分析，得出六个监测区的压力分布状况，由六个监测区的压力分布状况综合分析，判断出老人的状态，并把老人的状态信息以数据串发送.

系统上电后，首先进行系统监护终端的初始化，启动六个监测区的数据采集，采集完成后，将六个监测区采集依次送入单片机模块进行综合处理，得出老人状态数据，将老人状态数据通过RS- 485通信总线发送到监护中心计算机，数据发送完后，进行下一轮数据采集.监护终端软件流程如图4所示.

图4 监护终端软件流程图

系统监护终端在采集压力分布信息的同时，对压力分布信息进行分析，判断出老人的状态信息，主要是判断觉醒状态、睡姿状态、离床状态、异常滞留等老人状态信息[8].图5为监护中心老人状态查询的软件界面.

图5 老人状态查询软件界面

(1)觉醒状态监测

在床老人觉醒后坐起会导致A、B、C三个监测区压力分布发生变化.这种状态下，A、C监测区的压力分布面积较小，压力分布主要集中在B监测区，通过软件的分析对比，得出老人状态为觉醒状态.

(2)睡姿状态监测

老人睡姿信息能够通过对A、B、C三个监测区压力分布信息分析得出.A、B、C三个监测区采集在床老人头部、胸部、臀部和腿部等体压信息，并将采集的体压信息送入单片机模块分析处理，根据在床老人人体与垫面接触压力的分布情况和接触形状，对照分析出老人的睡姿信息.同时，睡姿状态的监测为护理人员提供了一个判断卧床老人是否需要帮助翻身以防褥疮的参考.

(3)离床状态监测

离床状态的监测主要是通过D、E两个监测区来实现的.D、E监测区分布在床左右两侧，老人离床必须经过其中的一个监测区.正常离床情况下，老人是双脚踩在监测区，并离开监测区；异常离床主要是老人落床、摔倒等状况.连续的采集D、E监测区的压力分布信号，通过分析：压力分布为双脚形，面积较小，为老人正常离床；压力分布面积较大且变化小，则为老人异常离床.

(4)异常滞留监测

老人在卫生间的滞留时间可作为老人状态的一个参考，当老人在卫生间的滞留时间超过限定滞留时间时，则为异常滞留.本系统采用F监测区对滞留时间进行监测，当老人进入卫生间，F监测区的传感器采集到老人进入的信息并开始计时，当老人离开卫生间，停止计时.计时过程中，若计时超过限定滞留时间，则判断老人为异常滞留.

监护终端监测的上述状态都以状态数据串的形式传送到监护中心，供监护中心实时监控.

3.2 监护中心软件设计

监护中心软件主要由VB语言开发，数据库采用SQL sever 2000构成，分为监护中心界面设计和监护中心功能应用程序设计.

3.2.1 监护中心界面设计

监护中心界面是提供给监护中心监护人员使用的软件界面，利用账号密码进行登录，监护人员可以对管理的所有老人的基本信息进行查看，修改，添加等管理.监护人员通过监护中心界面获知老人的基本信息及老人实时状态等相关信息.在界面设计时要充分根据老人状态实时显示、老人基本信息获知、老人异常状态提示等系统功能进行设计.

图6为系统的主页界面，其包含了系统的界面模块.界面设计主要有以下几个部分：登陆界面、注册界面、信息管理界面、老人状态显示界面、状态警报界面、监护日志界面.

图6 主页软件界面

3.2.2 监护中心功能应用程序

监护中心功能应用程序用于完成数据的接收、数据分析、异常报警、老人状态动态显示、数据存储等.监护中心数据通信模块一直处于监听状态，等待监护终端数据传送请求的到来，当有传送请求到来，响应并接收数据，同时将数据保存到数据库模块中.数据处理模块对监护终端传送来的数据进行分析，并将分析的结果显示在计算机的屏幕上.当有老人异常状态信息出现时，则在计算机上进行提示显示，同时向相关护理人员进行短信警报.数据库模块记录了监护人员信息、老人基本信息和老人状态信息，方便查询，通过网络平台信息共享，可供远程查询.图7是监护中心功能程序流程图.图8是监护中心实时监护界面.

图7 监护中心功能程序流程

图8 实时监护软件界面

4 结论

本文设计了一种基于分布式压力采集技术的养老监护系统.系统的监测是无捆绑、无粘贴的，减轻了老人的心理负担.系统具有老人睡姿监测、觉醒监测、离床警告、异常滞留警告等功能.利用

该系统能够对整个养老院范围内的老人进行实时监护，对老人出现的异常状态进行短信警告，防止意外事故发生，提高对老人的监护质量，同时也减轻了护理人员的工作负担.

系统对老人的基本监护功能已实现，还存在很大的研究和改进空间.该系统将来可从以下几个方面进行研究和改进：

(1)增加更多的生理参数采集，如老人的心率、血氧等.这样可使对老人的监护更加全面可靠;

(2)建立安全可靠的无线网络.提高数据的传输速度和稳定性;

(3)优化监护系统的人性化设计.

[1]姚人福. 基于嵌入式Web服务器的远程医疗监护系统的研制[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学，2013.

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[3]王中生，杨森，陈国绍，等.基于传感网络的居家养老系统设计与实现[J].电子设计工程，2014,22(1)：97- 99.

[4]缪鹏程，孙凤飞.无线远程医疗监护系统的设计[J].电子设计工程，2013,21(6)：21- 33.

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[8]杜文忠.吉林某养老福利中心看护定位系统的设置[J].上海建设科技，2014(1):26- 27.

Study of Elder Monitoring System based Distributed Pressure Collecting Technology

GUAN Tianmin1，XIONG Liang1，MA Yufei2

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China； 2.Law School，Shanghai University，Shanghai 200444,China)

Based on the requirement analysis of nursing institutions，a set of elder monitoring system is designed based on distributed pressure collecting technology.This system collects the pressure information of elder activities by using pressure sensor arrays.After processing the singlechip module，the situation of elders will be deermined,and the data of elders situation is transmited by RS- 485 bus to the community-monitoring-center where the community nurses check the signals.

elder monitoring；pressure distribution；RS- 485 bus；real-time monitoring

1673- 9590(2017)01- 0099- 04

2016- 01- 07

大连市科技计划资助项目(2014A11GX043)

关天民(1963-),男，教授,博士，主要从事先进运动机构与康复机构理论与技术方面的研究

E-mail:gtm@djtu.edu.cn.

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