敬老院環(huán)境的網(wǎng)絡化智能監(jiān)控系統(tǒng)設計

引言

隨著我國老齡化程度的逐步加劇，空巢老人問題凸顯，并已成為老齡化問題的新焦點。據(jù)統(tǒng)計，目前在大城市中空巢家庭已接近30％，而京滬津三直轄市則高達33％以上?？粘怖先松钅芰Σ钜约敖?jīng)濟壓力大，敬老院無疑是他們晚年生活的理想選擇。將全面的網(wǎng)絡化監(jiān)控理念引入敬老院，組建網(wǎng)絡化智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以提高助老助殘服務品質，變革傳統(tǒng)養(yǎng)老方式，主動面對未來養(yǎng)老領域的挑戰(zhàn)。

之前關于助老助殘技術的研究多針對一些特定功能的智能化設備而展開，并未引入全面的網(wǎng)絡化監(jiān)控理念。近年來國內外諸多單位開展了將醫(yī)療、助老助殘全面網(wǎng)絡化的研究。由臺灣大學電子工程系、臺北科技大學電子工程系聯(lián)合開發(fā)的“帶有預警機制的移動護理系統(tǒng)”中，用于測量老人生理參數(shù)的便攜式設備通過藍牙模塊發(fā)射信號，然后接人GSM手機，通過手機短信將信息匯總于監(jiān)護中心。該方法雖經(jīng)GSM擴大了通信范圍，但信號經(jīng)手機中轉使系統(tǒng)結構復雜，增加了成本。此外GSM輻射較大，不宜長時間連續(xù)使用。歐美醫(yī)療機構多通過WLAN(IEEE 802.11)設備接入以太網(wǎng)(IEEE 802.3)，較好地實現(xiàn)了對突發(fā)病例和緊急情況的預警和處理，值得借鑒。

隨著以太網(wǎng)、WLAN技術的不斷成熟，其傳輸速率、安全性和穩(wěn)定性也不斷提高。本文采用WLAN便攜監(jiān)測設備接入以太網(wǎng)，結合RFID、視頻監(jiān)視、數(shù)據(jù)庫及人機界面開發(fā)等熱點技術完成了老人狀況和監(jiān)護中心的無縫銜接。

1系統(tǒng)總體結構

當前我國大型敬老院、福利院大多住宿條件良好，入住率高達100％，排隊入住的情況屢見不鮮。但這些機構中從事醫(yī)療監(jiān)護工作的人員較少且助老助殘設施相對陳舊，技術水平落后，在很大程度上限制了對老人身體健康狀況的了解。

對老人的生命特征、護理情況、活動范圍等信息進行實時監(jiān)測，不僅可以實時了解老人當前的健康狀況，還可預測老人未來的情況。敬老院網(wǎng)絡化智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。老人通過便攜式無線監(jiān)測設備(即圖1中老人身邊設備)不僅能定時獲取血壓、脈搏、體溫等生理參數(shù)，還可通過對有源RFID標簽信號進行識別確定位置，通過基站接入有線網(wǎng)絡將信息匯總于監(jiān)護中心。監(jiān)護中心可實時了解老人的各項信息并將其存儲，以便將來分析查看。如遇緊急狀況，監(jiān)護中心可通過定位信息切換視頻監(jiān)視器，結合生理參數(shù)派出相應救護人員到達確切事發(fā)地進行救治，實現(xiàn)了有限人力資源的優(yōu)化整合，完成了信息和視頻聯(lián)動監(jiān)控、監(jiān)控和救護的協(xié)調統(tǒng)一。


2網(wǎng)絡結構設計

監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡由數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(灰)和視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(黑)兩部分組成，如圖1所示。

2.1數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡結構設計

數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)又分為有線網(wǎng)(以太網(wǎng))和無線網(wǎng)(WLAN)兩部分。

(1)有線數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡

結合傳統(tǒng)工業(yè)控制領域中總線型網(wǎng)絡組網(wǎng)不便、實現(xiàn)成本高等問題，選用組網(wǎng)能力強、可靠性高、速度快、成本低、應用范圍廣的以太網(wǎng)作為有線數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡部分。該部分除了用于匯總無線網(wǎng)絡外，主要用于對老人室內的中大型、移動性差的終端設備進行監(jiān)控，如公寓中的醫(yī)療護理床、空調和活動中心的各類娛樂、康復設備。

(2)無線數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡

WLAN所采用的CSMA／CA(載波監(jiān)聽多路訪問／沖突避免)型介質訪問機制遵守以太網(wǎng)協(xié)議(CSMA／CD，載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測)并與主流網(wǎng)絡操作系統(tǒng)兼容，可通過無線AP完好地接入以太網(wǎng)而不需任何修改；WLAN的輻射遠遠低于普通GSM手機，更為綠色環(huán)保。此外，WLAN相對其他移動通信技術(如Bluetooth、Zig Bee)移動性好，擴展性強，傳輸速率高。

由于涉及WLAN的室外使用，選用TENDA的TWL5401A加裝TENDA 24 dB網(wǎng)狀型定向天線作為無線接入點。TWL5401A是戶外遠距離AP，采用高密封、防腐蝕、抗干擾鋁機殼和IEEE802.3a／PoE以太網(wǎng)電源，覆蓋范圍廣(無障礙2 km)，支持AP、點對多點、中繼和無線客戶端等模式，靈敏度高，配合看門狗和最新無線安全標準WPA2使得無線通信安全可靠。

無線終端集脈搏、血壓、溫度傳感器于一體。首先利用光電傳感器通過測試血液對光強的吸收能力間接測脈搏數(shù)，然后用壓力傳感器測血壓，最后通過溫度傳感器測體溫。老人定位屬精度較低的區(qū)域定位，故根據(jù)RFID信號采用質心定位算法便可滿足要求。無線終端可采用TI公司的醫(yī)用低功耗芯片，如OPT101光電傳感器和FG47x系列MCU。RFID方面可選擇北京烽火聯(lián)拓或上海秀派公司的有源標簽和閱讀器。

2.2視頻監(jiān)控網(wǎng)絡結構設計

視頻監(jiān)控網(wǎng)絡由各類監(jiān)控攝像機(全景型、低照度型等)、監(jiān)護中心大屏幕和視頻傳輸線路組成，該系統(tǒng)協(xié)同數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡實現(xiàn)影像定位的聯(lián)動監(jiān)護，如圖1所示。在需要晝夜監(jiān)視的區(qū)域可選SONY SSC-DC59xx系列攝像機，確保達到低照度監(jiān)視要求。

3網(wǎng)絡通信協(xié)議的分析與應用

Ethernet／IP在以太網(wǎng)的基礎上引入了TCP／IP，故通過使用Socket可簡化監(jiān)控軟件的制作。此外，其抽象監(jiān)控節(jié)點為對象模型，提供了一套完整的數(shù)據(jù)訪問規(guī)程，促進了產品的標準化。最后，通過商用以太網(wǎng)硬件便可支撐Ethernet／IP底層通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)方便，性價比高。

3.1通信協(xié)議結構和數(shù)據(jù)封裝

Ethernet／IP的協(xié)議層次結構如圖2所示。其在TCP／IP之上定義了數(shù)據(jù)封裝、應用和傳輸層以及用戶層。應用和傳輸層中定義了數(shù)據(jù)訪問規(guī)程(顯式、I／O信息)，用戶層可自定義應用對象及其對應設備行規(guī)。



Ethernet／IP數(shù)據(jù)封裝在協(xié)議總體數(shù)據(jù)封裝(以太網(wǎng)幀)中的位置如下所示，有關Ethernet／IP的具體封裝格式請參看協(xié)議卷。



3.2無線終端通信模塊

以無線終端的通信模塊為例，將其節(jié)點內部路徑化，建立對象模型如圖3所示。


數(shù)據(jù)訪問規(guī)程：Ethernet／IP的數(shù)據(jù)訪問基于應用連接，確保了數(shù)據(jù)的安全和可靠。若尚未建立顯式或I／O連接，需通過未連接報文管理器(UCMM)將報文送至報文路由器派發(fā)。通過UCMM信息經(jīng)連接管理對象可建立顯式或I／O連接。顯式連接用于不定期數(shù)據(jù)訪問(如血壓值)，采用TCP問答的形式；I／O連接則通過UDP傳遞現(xiàn)場實時信息(如實時位置)。

應用對象及其設備行規(guī)：建立電子血壓儀、體溫計以及實時定位模塊的應用對象如圖4所示。集合對象對后兩者的測量值綁定形成設備行規(guī)2。設備行規(guī)定義了現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)的通信組織形式，行規(guī)1、2如圖4所示。


以上述設備行規(guī)形式組織的數(shù)據(jù)首先被Ethernet／IP封裝在其命令相關數(shù)據(jù)域中，之后依次加上IP、TCP頭放人以太網(wǎng)幀中，從現(xiàn)場上傳到監(jiān)護中心。

4監(jiān)護中心網(wǎng)絡化監(jiān)控軟件設計

系統(tǒng)監(jiān)控軟件綜合了網(wǎng)絡編程、人機界面開發(fā)和數(shù)據(jù)庫技術。在開發(fā)時涉及基于Socket的多線程網(wǎng)絡編程，鑒于VC++對多線程的有力支持及其代碼執(zhí)行效率高等特點，選其為開發(fā)語言?？紤]到數(shù)量眾多的實時數(shù)據(jù)及其處理效率問題，更為了確保數(shù)據(jù)的安全，選用SQLserver作為系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫。為了減少開發(fā)代碼量，提高軟件執(zhí)行性能，選用ADO對數(shù)據(jù)庫進行操作。

監(jiān)控軟件功能流程展示了監(jiān)護中心對某一現(xiàn)場節(jié)點從建立連接到數(shù)據(jù)通信的整個過程。

結語

將全面的網(wǎng)絡化監(jiān)控理念運用到敬老院環(huán)境中，通過對以太網(wǎng)、WLAN、RFID和視頻監(jiān)視等技術的綜合應用完成了系統(tǒng)組網(wǎng)，在真正意義上實現(xiàn)了對老人全方位、全天候的聯(lián)動監(jiān)護。此外，在將Ethernet／IP協(xié)議引人助老助殘網(wǎng)絡的同時，給出了監(jiān)控軟件開發(fā)流程，完整地提供了一套安全可行的敬老院網(wǎng)絡化智能監(jiān)控方案，值得相關項目開發(fā)參考。