基于CLIPS的居家老年人监护系统设计与实现

李亚锋 何 呈 邵雪平

1 山东大学 青岛 266000

2 江苏科技大学 镇江 212000

3 三维通信股份有限公司 杭州 310053

引言

随着年龄增长和其他因素，老年人的生理机能和自理能力在不断衰退，独居老年人的日常生活存在着安全风险[1]。如何智能地监护独居老年人的生命健康，已逐渐演变成一个社会问题。结合利用现代科学技术，设计一套面向独居老年人的智能化健康监护系统，对于提高独居老年人的安全性和生活质量，具有非常积极的意义。

研究发现，由于发展阶段、网络设施和产品价格等因素影响，国内老年人监护系统的技术与国外相比仍存在较大差距。目前，国内智能家居老年人监护系统的水平，远未实现标准化和市场化，系统产业链尚未完全形成，用于照顾老年人的智能监护系统的开发仍处于起步阶段，科学设计和发展有很大空间[2]。现有的国内外老年人监护系统，主要面向特定人群和大型场所进行设计，开发周期长、生产成本高、可拓展性弱且后期维护复杂，无法满足大多数人的消费需求和水平，不适用于居家环境，在一定程度上阻碍了相关产业链的发展和技术的提升[3]。

专家系统具有较好的数据判决和联动控制能力，可以在一定程度上提升家居环境下老人监护系统的性能。然而，已有的结合专家系统的监护系统主要应用于社区医院、重症监护室的场景下，利用专家系统进行数据的预处理，仅针对特殊的心血管疾病患者和重症儿童进行智能化识别、存储和远程监护[4-5]；此外，也有一些智能家居系统利用专家系统进行数据判决和联动控制，但其更多地针对安防、节能和提供舒适生活环境问题[6-7]。在上述系统中，专家系统的功能较为简单，只是实现了数据格式的调整、数据阈值的判断，再通过其他方式进行最终的处理，还无法满足市场的需求。针对以上问题，我们将智能家居、监护系统和专家系统相结合，对数据进行更加智能化的处理，进一步完善现有的方法和功能。

本文针对独居老年人家庭生活中存在的安全隐患，结合智能家居和健康监护技术，设计了一款安全实用的居家老年人监护系统。该系统基于物联网通信和计算机技术，利用智能传感器对老年人健康信息进行检测，通过ZigBee进行无线网络通信，借助CLIPS(C Language Integrated Production System)专家系统对数据智能化处理。系统一旦检测到数据异常，及时对相关人员进行通知和预警，实现老年人健康信息的实时检测与异常处理，同时可与监护者进行实时交互等功能。该系统集智能家居、智能传感器、无线网络和专家系统技术于一体，利用一种远程可视化数据交互的方法，实现智能家居环境下安全可靠的远程管控与监护；此外，其适用于小型场所的监护和部署，实现老年人日常生活的健康监护，提高独居老年人的安全性和生活质量。

1 系统总体设计

图1 系统整体框架

本文设计的居家老年人监护系统，应用了智能传感器、ZigBee和CLIPS专家系统技术。如图1所示，整个系统可分三部分：智能传感器网络、ZigBee无线网络和PC用户端。其中，智能传感网络和无线网络进行通信，完成健康与环境数据的采集和智能家居的控制；无线网络与PC用户端进行通信，实现数据传输；网络摄像头和PC用户端进行通信，完成老年人生活行为的实时监控；PC用户端与专家系统进行交互，实现数据的智能化处理和异常反应。为了实现整个系统模块间的协同稳定运行，我们将CLIPS专家系统嵌入到PC用户端，通过无线网络对传感器采集的老人健康信息和智能家居的状态信息进行高速传输并智能化处理，搭建智能家居和实时监护的一体化系统，实现家居的智能化检测与控制，对老人生活进行健康监测与远程监护。

传感器技术是获取信息的重要手段，已成为世界信息产业发展的重要标志和推动力。ZigBee是一种抗干扰能力强、成本功耗低的无线技术，具有强大的自组网和自我恢复能力，适合应用于工业自动控制和智能家居领域[8]。专家系统利用人工智能和计算机技术模拟人类对问题进行推理判断和过程建模，是人工智能领域研究中最重要和活跃的部分。为满足大数据对智能处理的迫切需求，以模型为主、规则为辅是专家系统未来的发展方向[9]。

2 系统详细设计与实现

2.1 ZigBee无线网络的设计

本文选用CC2530模块，是TI公司的SoC解决方案，内部集成了Z-Stack协议栈。利用ZigBee协调器组建无线网络，实现网络的初始化、信道的扫描和网络的维护和配置。

2.1.1 协调器节点

协调器节点是无线网络的核心模块，实现ZigBee无线网络建立、地址分配、信息管理和数据传输等工作[10-11]。本文设计的协调器节点与PC用户端进行串口通信，作为网关模块，进行无线网络终端和PC用户端之间的数据传输。ZigBee协调器的工作流程如图2所示。

利用ZigBee协调器组建无线网络，终端节点主动扫描周围的可选网络并向合适的协调器发送连接请求，等待响应。协调器给请求连接的终端节点提供短地址，并发送具有成功连接和网络通讯地址的响应命令，之后终端可正常与协调器进行通信。

图2 ZigBee协调器的工作原理

2.1.2 终端节点

对于终端节点处理模块，选用功能强大的STM32F103系列芯片作为微控制器，芯片基于ARM内核且设计用于高性能和低成本功耗的嵌入式应用[12]。ZigBee终端的工作流程如图3所示。

图3 ZigBee终端的工作原理

本文设计的终端节点分为传感终端与控制终端。在与协调器连接成功后，根据指令进行数据处理和相关操作。其中，传感终端用于检测人体健康和家庭环境信息，控制终端用于家电的状态检测和智能控制。

2.2 传感器网络的设计

2.2.1 人体体温节点

选用MLX90614红外测温模块，进行人体体温测量。该模块选用热电元件作为红外感应部分，具有测量精度高、响应速度快和抗干扰能力强的优点[13]。物体测量温度与模块自身温度共同作用产生输出信号，所选用模块在理想情况下的输出电压为：

其中单位为摄氏度，是灵敏度常数。利用标准I2C协议进行模块通信，从模块内存中读取数据。数据由高8位(DataH)和低8位(DataL)双字节组成，代入下式转换为标准温度数据：

2.2.2 人体心跳血氧节点

选用MAX30102心率血氧模块，进行人体心率和血氧浓度的精准测量。动脉搏动的过程随心跳周期性发生变化，因此模块输出电信号的变化周期等于脉搏频率[14]。读取内存中的氧合血红蛋白浓度和血红蛋白，血氧饱和度可通过下式计算：

利用标准I2C协议读取模块转换后的光强度数值，通过应用软件编写转换算法可以获得模块所测实际数据值，从而计算人体心率和血氧。

2.2.3 环境温湿度节点

选用HTU21D温湿度传感器，部署于老年人的居住场所，对环境的温湿度信息进行采集，与其他检测数据相结合，实现家庭内部环境健康质量的检测[15]。利用标准I2C协议进行模块之间的通信，读取模块内存中的测量数据，将湿度数据代入下式，计算相对湿度：

2.2.4 环境异常气体节点

选用MQ-5可燃气体传感器，用于家庭环境的气体监测。传感器模块具有TTL数字和模拟输出端，利用芯片端口读取模块的测量数据，经转换处理后实现气体检测。

2.2.5 智能控制节点

智慧互联作为智能家居的一项重要特性，被广泛应用于家庭和社区环境中[16]。为了增强系统的普适性，提高系统的灵活度，本文在居家老人监护系统中使用无线插座，实现对家用电器的控制。所设计的无线插座将无线网络与电源插座结合，智能插座可以接收PC用户端的命令，实现相关电器的智能控制。

为保证系统对上述传感器模块测量数据的准确获取，需对一段时间内传感器测量的数据进行处理，若数据平稳变化，取其均值作为传输数据；若数据仅是抖动和突变，取其平稳阶段数据进行传输，从而消除模块所产生的异常值，确保数据的正确与稳定，输入至控制系统，保证系统稳定运行。

2.3 基于CLIPS的数据处理与监护机制

CLIPS是一种产生式的高效正向推理系统，促进了工业生产、医疗事业和其他领域的发展与进步。CLIPS专家系统由事实库(存储推理所需数据)、知识库(所有规则和规则表)和推理机(提供对系统操作的全面控制)组成[17]。

2.3.1 CLIPS的总体设计

本文设计的监护系统，可以实现对老年人健康和家居环境信息的智能处理和异常反应。所搭建的专家系统，将实时检测的数据和命令与所建的知识库进行匹配和推理，判断老年人的健康情况，分析家居环境的相关情况，并给出指导建议。专家系统的总体结构如图4所示。系统通过对各功能模块的协调调用，实现对老年人健康和家居环境异常状况的实时监测。

图4 专家系统的总体框图

2.3.2 事实库模块

事实表示CLIPS中已知的数据信息，代表事实列表中的一段信息，是规则调用数据的基本单元。在本文中，为了实现数据的智能化处理，提高专家系统的推理速率和准确度，同时便于系统功能的优化调整以及新功能的增添，我们进行了处理模板和事实的自定义设计，实现系统的处理过程模块化，具体操作如下。

1)自定义模板：重复利用CLIPS中相同的关系结构和关系名。本文定义了4个模板：阈值模板，用于检测数据的阈值控制；数据模块，用于保存传感器检测的数据；修改模块，用于事实数据的修改；结果模块，用于推理结果的存储。自定义模板的格式为：

2)自定义事实：自动声明一组事实，添加到事实库内。本文对老年人健康、家庭环境和智能家电的相关阈值以及推理结果，进行自定义事实的生成，用于专家系统的初始化。自定义事实的格式为：

2.3.3 知识库模块

为了提高匹配效率，CLIPS使用了规则的预编译技术和快速匹配算法RETE[18]。由于知识库的启发式智能搜索方式，有序化和结构化的数据会加快推理机的推理速率，本文设计了5个规则模块：阈值检测模块、更新模块、健康信息模块、环境信息模块和推理模块，用于对数据的综合推理以及推理结果的生成。此外，为了保证数据的真实性和准确性，我们设计了信息纠正规则模块，在保证正常运行的情况下，对一段时间内的信息进行数据分析，判断正在处理数据的正确性，并进行后续的操作，对错误数据进行修正，保证系统的稳定性、安全性和智能化。

2.3.4 推理机模块

根据所建知识库，利用所采集的老年人健康和家居环境数据，将数据预处理后生成相关CLIPS格式的事实，通过事实库与知识库之间的识别和匹配，完成系统的推理工作并能够输出推理结果。

推理流程如图5所示，专家系统读取并解析传入的数据流，生成已定义格式的事实并存入事实库；利用RETE快速匹配算法对事实库内的事实和已定义规则库内的规则进行匹配，凭借预设的冲突消除机制确保推理工作的正常进行；生成最后的诊断结果，回传系统前端实现可视化。

图5 推理流程图

2.3.5 CLIPS专家系统的应用

目前有很多编程语言，支持将CLIPS嵌入到其他系统中，实现专家系统的调用。系统选用CLIPSNet组件嵌入方式，实现了专家系统与PC用户端的交互，进行数据的智能处理与异常反应[19]。

2.4 PC用户端的设计与实现

本文有关用户端的研究与系统开发均在Windows10操作系统、Intel (R) Core(TM) i5-9400F CPU、16G运行内存和GTX1660显卡的配置下进行，选用IP摄像头，安装Visual Studio、CLIPS 6.30等开发软件。

为了保证老年人生活场所的智能化以及身体健康的实时性监护，我们在系统中加入了远程管控和异常提醒的功能：根据专家系统的推理结果，在保证安全的情况下，监护者可以实现对智能家庭设备的远程控制；若老年人身体异常，系统会及时向相关人员发出相应的提示信息，实现对老年人的及时医治和健康帮助。

2.4.1 用户端界面

本文设计的PC用户端是在Visual Studio集成开发环境下，基于C#语言的.NET框架开发。具体如图6所示，PC用户端主要由以下模块构成：系统端口设置、信息显示、智能检测和控制、参数设置、推理结果显示、异常提醒和远程监控部分。

图6 PC用户端主界面

2.4.2 串口通信

通过串口实现PC用户端与ZigBee协调器节点之间的数据通信。系统根据通信帧结构来解析数据，将相关数据显示在用户端界面。同时，将解析数据传递给内部专家系统，进行智能信号处理。监护者可根据专家系统的推理结果，进行相关的异常处理操作。

2.4.3 专家系统交互

利用C#调用组件内有关CLIPS推理机的推理函数，控制CLIPS推理机的运行，实现专家系统与PC用户端正常交互和稳定运行。对CLIPS的调用如图7所示，通过对组件函数的调用，实现与CLIPS的信息交互，将推理结果显示在用户端主界面。

2.4.4 异常提醒

本文设计的异常提醒模块由短信和邮件构成。利用C#语言实现用户端与SMS短信通平台和SMTP服务器的连接，完成短信和邮件的实时发送。监护者可以根据推理结果，发送短信或邮件给最近医护人员或其他人员，及时对老年人进行医治和帮助。

2.4.5 远程监控

本文设计的远程监控部分，利用OpenCV与摄像头进行通信，实时获取摄像头捕获的视频数据，通过网络回传至PC用户端，实现了老年人生活行为的实时监护。

图7 CLIPS的调用过程

3 测试与分析

3.1 用户端测试

搭建ZigBee无线网络，运行PC用户端，选择合适的串口端口和IP地址并设置系统相关参数。主界面测试结果如图8所示。

经测试，主界面运行正常：ZigBee完成组网工作，将传感器获取的老年人健康、家庭环境和家电状态的相关信息显示在界面相应位置；专家系统能够根据数据进行正常推理工作，将推理结果与建议显示在界面相应位置；摄像头完成远程链接，将老年人行为的视频信息显示在界面相应位置。

3.2 专家系统推理测试

对PC用户端传递数据进行解析和处理，测试专家系统事实库、规则库和推理机模块的性能。选用波特率为9 600bit/s，进行2 000次相关测试，详情如表1所示。

经过测试可知，专家系统的设计模块可以正常运行，分析和处理用户端传入的数据，在综合所有规则进行最后决策时，考虑到多个规则之间的关联和置信度，会在最终的数值方面有些许偏差，但不影响总体的结果判断。

3.3 串口通信测试

本文设计的专家系统可实现每秒多次推理和信息更新，足以进行异常状况的推理，执行相关措施。在实验室环境下，选用不同波特率的串口传输速率，分别进行1 000次测试，计算一段时间内专家系统的推理准确性。如表2所示。

测试结果可知，串口传输速率偏高时，对专家系统推理工作具有一定的影响，会降低推理结果的准确度。真实情况下，不需要过高的波特率对数据进行传输，9 600bit/s波特率便满足需求。总体来看，所设计的监护系统运行稳定，完成数据的采集、处理、传输和推理，有较为完善的交互功能和人性化体验。

3.4 异常提醒测试

为便于与家属互动，设计了系统短信与邮件推送提醒模块。选用不同邮箱平台，对短信和邮件模块进行测试，结果表明，短信和邮件提醒模块运行正常，可及时准确的发送短信和邮件给指定人。

图8 主界面测试图

表1 专家系统准确度测试

表2 传输速率对推理结果的影响

4 结束语

现有的国内外老年人监护系统，绝大多数尚未与智能家居技术相结合，开发成本偏高且后期维护复杂，无法满足社会的应用需求和消费水平。针对这一问题，基于物联网通信和计算机技术，本文设计了一套智能化的居家老年人监护系统。该系统结合智能传感器、ZigBee无线网络和CLIPS专家系统技术，设计开发PC用户端，实现了数据的可视化与可操作性。系统集成了CLIPS专家系统，将智能家居与监护系统相结合，利用无线通信和传感器技术，用一种远程可视化数据交互的方法，实现智能家居环境下安全可靠的远程管控与监护。经过测试，该系统可以提高独居老年人的健康安全和生活质量。同时系统在小型居家环境的可适应性、可拓展性和可维护性较强。下一步将针对被监护者的数量和应用场景进行拓展，实现多人监护以及养老院等复杂环境下的实际应用，对使用者的安全与隐私进行信息保护。