基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、計(jì) 算 機(jī) 與 現(xiàn) 代 化2012 年第 6 期JISUANJI YU XIANDAIHUA總第 202 期文章編號(hào): 1006-2475( 2012) 06-0077-04基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)王震，劉智斌( 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 珠海 519085)摘要: 介紹基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，重點(diǎn)敘述 RFID 人員定位原理、摔倒檢測(cè)原理和健康監(jiān)測(cè)等傳感器原理和實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在 RFID 標(biāo)簽中錄入老人的身份編號(hào)等信息，當(dāng)老人攜帶標(biāo)簽路過(guò)某一布置了讀卡器的路段時(shí)，系統(tǒng)便能確定該老人位置。運(yùn)用重力加速傳感器，采集加速度變化波形作為摔倒檢測(cè)的依據(jù)。關(guān)鍵詞: 物聯(lián)

2、網(wǎng); 射頻識(shí)別技術(shù); 人員定位; 健康監(jiān)測(cè); 跌倒檢測(cè)中圖分類號(hào): TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: Adoi: 10 3969 /j issn 1006-2475 2012 06 022Design and Implementation of Nursing Home Management System Based on Internet of ThingsWANG Zhen，LIU Zhi-bin( School of Computer，Zhuhai Campus，Beijing Institute of Technology，Zhuhai 519085，China)Abstract: This a

3、rticle introduces the various functions of nursing home management system based on Internet of things，describes the RFID personnel positioning principle，the fall detection principle，the principle of health monitoring sensors and their imple-mentation Through inputting the identification number of el

4、derly and other information in RFID tag，when the elderly carries it and passes a checkpoint，the system can determine the position of the elderly，and uses gravity acceleration sensor to collect the acceleration waveform as the basis for fall detectionKey words: Internet of things; RFID technology; pe

5、rsonnel positioning; health monitoring; fall detection0引言隨著時(shí)代的發(fā)展，一般養(yǎng)老院里的基礎(chǔ)建設(shè)日趨完善，配套了各種娛樂(lè)設(shè)施，如健身場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。這些設(shè)施確實(shí)豐富了老人們的生活，同時(shí)也給老人們帶來(lái)潛在的活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)閳?chǎng)所涉及的范圍大，監(jiān)管人員不可能顧及到每個(gè)角落的每位老人，所以必須采取一種有效的方式來(lái)照顧這些老人。1，基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng) 引入物聯(lián)網(wǎng)2高科技信息技術(shù)，通過(guò)射頻識(shí)別 ( RFID) 、傳感器、無(wú)線傳輸( ZigBee) 等信息傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)老院老人的日常生活進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)定位和實(shí)時(shí)服務(wù)管理，符合未來(lái)養(yǎng)老服務(wù)需求，

6、以應(yīng)對(duì)老齡化帶來(lái)3的諸多問(wèn)題。1 功能描述如圖 1 所示，本養(yǎng)老院系統(tǒng)分為兩個(gè)主要部分:監(jiān)控終端和老人移動(dòng)腕帶終端。整個(gè)養(yǎng)老院系統(tǒng)采圖 1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖用目前比較成熟的 RFID 射頻識(shí)別技術(shù)和 ZigBee 無(wú)4，線傳輸技術(shù)配合體溫、脈搏和重力感應(yīng)等傳感收稿日期: 2011-12-28作者簡(jiǎn)介: 王震( 1980-) ，男，河南泌陽(yáng)人，北京理工大學(xué)珠海學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院講師，碩士，研究方向: 嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)工程; 劉智斌( 1989-) ，男，廣東深圳人，本科生，研究方向: 嵌入式應(yīng)用開發(fā)。78計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化2012 年第 6 期器，基于物聯(lián)網(wǎng)工程的思想設(shè)計(jì)而成。在老人身上配置 RFID 標(biāo)簽和

7、各種傳感器，通過(guò) ZigBee 與監(jiān)控端無(wú)線互聯(lián)，即以老人為對(duì)象組成一個(gè)小型的物聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) RFID 定位、實(shí)時(shí)體溫脈搏健康狀態(tài)檢測(cè)、位置信息查詢和重力感應(yīng)摔倒報(bào)警等功能，為老人的日常生活進(jìn)行精準(zhǔn)位置定位和身體健康指數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。1 1監(jiān)控服務(wù)器端該部分是本系統(tǒng)的核心部分，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)老院的人員綜合管理，主要有以下功能:( 1) 人員管理: 該功能允許管理人員在監(jiān)控終端通過(guò)電腦查詢?nèi)坷先说漠?dāng)前位置分布情況，以及每個(gè)老人當(dāng)前的具體位置和健康狀態(tài)，如血壓、體溫、心圖 2系統(tǒng)框圖2 RFID 人員定位和跌倒檢測(cè)功能原理及實(shí)現(xiàn)率等。2 1RFID 人員定位功能( 2) 事件處理: 該功能允許管理人

8、員進(jìn)行緊急事2 1 1RFID 讀寫器模塊描述件處理，如接收老人腕帶發(fā)出的警報(bào)以便及時(shí)處理、RFID 讀寫器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)，能夠幫助或者接收老人的緊急呼叫請(qǐng)求等事件。養(yǎng)老院的工作人員清晰地知道老人當(dāng)前所在位置以( 3) 語(yǔ)音廣播: 該功能允許管理人員在某些情況及周邊的環(huán)境，為工作人員提供極大的幫助，使老人下進(jìn)行廣播。即使在無(wú)人陪同的情況下也能自己去較遠(yuǎn)的地方，一監(jiān)控端軟件基于嵌入式 Linux5操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，般情況下標(biāo)簽內(nèi)寫入的是持卡人身份等信息的編碼。該系統(tǒng)是在 PXA270 平臺(tái)上的一個(gè) ARM Linux 移植版本6，版本號(hào)是 2 6 9。在該 Linux 系統(tǒng)之上，軟件采用 QT

9、-embedded 4 57 來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形界面和多線程8處理等功能。1 2老人移動(dòng)腕帶終端該模塊為系統(tǒng)的移動(dòng)模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人健康狀態(tài)，主要有以下功能:( 1) 健康狀態(tài)監(jiān)測(cè): 該功能通過(guò)腕帶上的傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)老人的血壓、脈搏、體溫等生理特征，并進(jìn)行記錄、比對(duì)。( 2) 發(fā)送警報(bào): 該功能用于老人與監(jiān)控終端進(jìn)行通訊。當(dāng)佩戴腕帶終端的老人摔倒、健康信息異常、或者需要服務(wù)時(shí)向監(jiān)控終端發(fā)出呼叫信息。( 3) RFID 標(biāo)簽定位: 該功能實(shí)現(xiàn)在養(yǎng)老院范圍內(nèi)通過(guò) RFID 射頻識(shí)別卡記錄的標(biāo)簽信息實(shí)現(xiàn)無(wú)線人員定位。腕帶終端是佩戴在老人手腕上的便攜式終端，其程序主要任務(wù)是采集裝備在老人身上的各種傳感器

10、信息，然后經(jīng)過(guò)處理和過(guò)濾后由 ZigBee 無(wú)線發(fā)送到監(jiān)控端。程序是基于 Linux 2 6 24 內(nèi)核的操作系統(tǒng)之上運(yùn)行的，通過(guò) Linux API 系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)多線程處理和中斷處理。由于程序同時(shí)有多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集，因此采用多線程，按鍵操作可以用外部中斷來(lái)9實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。在基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)中設(shè)置了 5 個(gè)檢查點(diǎn)，每一個(gè)檢查點(diǎn)都有一個(gè) RFID 讀寫器模塊，通過(guò)老人手上的腕帶標(biāo)簽對(duì)老人進(jìn)行定位。如圖 3 所示。圖 3RFID 老人定位原理圖2 1 2實(shí)現(xiàn)原理RFID 讀寫器中讀寫模塊的核心部分包括一個(gè)用于控制的微處理器 MF RC500 和一個(gè) RFID 基站芯片

11、。它具有與用戶主系統(tǒng)的串行通信能力，可根據(jù)用戶系統(tǒng)的命令完成對(duì) RFID 卡的讀寫操作，并將所得數(shù)據(jù)返回給處理器系統(tǒng)，這個(gè)處理器系統(tǒng)可以是一個(gè)10。主控板( 1) 本養(yǎng)老院管理系統(tǒng)采用讀卡器與非接觸性IC 卡相結(jié)合的工作原理，在實(shí)現(xiàn)讀寫信息上與傳統(tǒng)的接觸式讀卡器相比有以下突出優(yōu)點(diǎn):RFID 卡具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)通信功能，傳輸速率較快，讀寫距離較遠(yuǎn)，且具有防沖突功能，能在同一時(shí)2012 年第 6 期王震等: 基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7911。收; 數(shù)據(jù)幀的第二字節(jié)表示功能類型號(hào); 后面剩下的間處理多張?jiān)谧x寫器天線內(nèi)的卡片RFID 卡具有唯一的卡片序列號(hào)，該序列號(hào)無(wú)所有字節(jié)表示具體的數(shù)據(jù)。

12、在不同的功能類型的情法復(fù)制，因此它具有更高的防偽裝性。況下，數(shù)據(jù)部分的結(jié)構(gòu)都有所不同。按功能類型的不( 2) 本項(xiàng)目中養(yǎng)老院人員定位實(shí)現(xiàn)原理: 將同，數(shù)據(jù)部分定義如表 2 所示。RFID 讀寫器布置在待測(cè)位置處，當(dāng)有 RFID 卡經(jīng)過(guò)表 2定位功能數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)時(shí)讀取 RFID 卡，代表老人剛好經(jīng)過(guò)本路段。如圖 3功能類型: 接收檢查點(diǎn)定位信息中將每個(gè) RFID 讀寫器分別置于圖中各檢查點(diǎn)位置，類型號(hào): 0x01每個(gè)檢查點(diǎn)分別代表不同的地理位置信息。例如: 大數(shù)據(jù)部分結(jié)構(gòu):NODEUID門口、食堂、住宿區(qū)、娛樂(lè)室和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。而 RFID 標(biāo)簽說(shuō)明:檢查點(diǎn)號(hào)用戶號(hào)卡配置于每個(gè)老人的腕帶上，當(dāng)老人佩戴的

13、腕帶經(jīng)過(guò)大小:1 字節(jié)2 字節(jié)每一個(gè)檢查點(diǎn)時(shí)，讀寫器將從老人的 RFID 卡上讀取檢查點(diǎn)的定位信息只有當(dāng)檢查點(diǎn)檢測(cè)到老人的老人的身份信息，并把信息發(fā)送到監(jiān)控終端。監(jiān)控終電子標(biāo)簽經(jīng)過(guò)時(shí)便會(huì)發(fā)送，其中第一字節(jié)表示檢查點(diǎn)端便知道該老人剛從某個(gè)區(qū)域移動(dòng)至另一個(gè)區(qū)域。的 ID，接下來(lái)的兩個(gè)字節(jié)表示檢測(cè)到的電子標(biāo)簽的RFID 讀卡程序流程圖如圖 4 所示。用戶號(hào)。圖 4RFID 讀卡程序流程圖2 1 3RFID 數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)為了方便養(yǎng)老院監(jiān)控端程序處理串口所接收的數(shù)據(jù)時(shí)遵循系統(tǒng)定義的協(xié)議，每一幀數(shù)據(jù)定義描述如表 1 所示。2 2人員跌倒檢測(cè)功能在大多數(shù)時(shí)候，養(yǎng)老院的老年人行動(dòng)的節(jié)奏相對(duì)比較慢，因此在整個(gè)行

14、動(dòng)過(guò)程中，其加速度矢量變化不大。本系統(tǒng)利用加速度這個(gè)矢量值來(lái)判斷老人是12。具體實(shí)現(xiàn)原理如下:否摔倒加速度傳感器被固定在老人身上，在加速度傳感器上定義 Y 軸為曲線，它在正常靜止?fàn)顟B(tài)下為-1g; 同時(shí)定義 X 軸和 Z 軸的加速度曲線，其正常靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)該為 0g; 一根矢量曲線是三軸加速度的矢量和，正常靜止?fàn)顟B(tài)下為 + 1g。( 1) 正常狀態(tài)分析: 一般情況下，老人的動(dòng)作幅度不大，加速度變化值不大。( 2) 跌倒過(guò)程分析: 跌倒過(guò)程中的加速度變化明顯，主要有以下 4 個(gè)特征:失重: 在跌倒開始發(fā)生的失重現(xiàn)象。對(duì)于一般跌倒，合加速度小于 1g。撞擊: 人體撞擊之后，跌倒與地面發(fā)生強(qiáng)烈撞擊，在

15、合加速度曲線中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化很大的曲線波形。靜止: 正常情況下，人在跌倒后，很少會(huì)馬上站起來(lái)，會(huì)有短暫的靜止?fàn)顟B(tài)。在合曲線上會(huì)出現(xiàn)一段平穩(wěn)過(guò)渡期。比較合矢量曲線: 跌倒之后，人體發(fā)生位置偏移，人體的方向會(huì)與原靜止的姿態(tài)不同，根據(jù)這時(shí)與原靜止?fàn)顟B(tài)的比較可以得出，老人是處于跌倒表 1基本數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù):LNFNxxxx 說(shuō)明:后續(xù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度功能類型號(hào)數(shù)據(jù)部分?jǐn)?shù)據(jù)大小:1 字節(jié)1 字節(jié)LN-1 字節(jié)數(shù)據(jù)幀的第一字節(jié)表示接下來(lái)還有多少字節(jié)的數(shù)據(jù)要接收，這是為了方便接收程序控制數(shù)據(jù)的接13狀態(tài)。3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)14，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用 SQLite3 數(shù)據(jù)文件保存在監(jiān)控端服務(wù)器，由監(jiān)控端程序負(fù)責(zé)維護(hù)。數(shù)

16、據(jù)庫(kù)中主要的實(shí)體與關(guān)系設(shè)計(jì)如圖 5 所示。80計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化2012 年第 6 期圖 5數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體-關(guān)系圖根據(jù)圖 5 可以看出，簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)庫(kù)主要維護(hù)了 3 個(gè)表。其所定義的老人表中維護(hù)養(yǎng)老院中老人的基本信息，包括個(gè)人信息、健康狀態(tài)值和所處區(qū)域位置;另外地圖檢查點(diǎn)和地圖區(qū)域兩個(gè)表則描述整個(gè)養(yǎng)老院區(qū)域劃分和檢查點(diǎn)布置情況。由于一個(gè)檢查點(diǎn)連接了兩個(gè)區(qū)域，分別在檢查點(diǎn)兩側(cè)，因此檢查點(diǎn)實(shí)體表中有 oneside、anotherside 兩個(gè)屬性，分別表示與檢查點(diǎn)相鄰兩個(gè)區(qū)域的區(qū)域號(hào)。這樣不僅可以很方便地處理人員的定位，而且可以適應(yīng)地形的變換，如果需要將系統(tǒng)換到另一個(gè)養(yǎng)老院地形的情況下，則只要把數(shù)據(jù)庫(kù)的區(qū)

17、域節(jié)點(diǎn)信息按其地形重新更改替換就可以直接使用。4 結(jié)束語(yǔ)基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)作為一個(gè)有實(shí)際意義的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用方案，是老齡化問(wèn)題的重要應(yīng)對(duì)策略。未來(lái)世界是物聯(lián)網(wǎng)的世界，引入物聯(lián)網(wǎng)這新一代高科技信息技術(shù)，通過(guò)射頻識(shí)別、傳感器、無(wú)線傳輸?shù)刃畔鞲性O(shè)備，按預(yù)定的協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)老院的老人日常生活處于遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)定位和實(shí)時(shí)管理狀態(tài)，符合未來(lái)養(yǎng)老服務(wù)方向，應(yīng)對(duì)老齡化帶來(lái)的諸多問(wèn)題。目前整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了地圖查詢功能、事件處理功能、RFID 定位功能、ZigBee 無(wú)線傳輸功能、脈搏體溫狀態(tài)檢測(cè)功能和跌倒檢測(cè)報(bào)警功能等，其中人員定位和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能已取得比較好的效果。參考文獻(xiàn):1吳功宜 智慧的物聯(lián)網(wǎng)

18、: 感知中國(guó)和世界的技術(shù)M北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，20102馬建 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論M 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，20113鄭和喜 WSN RFID 物聯(lián)網(wǎng)原理與應(yīng)用M 北京: 電子工業(yè)出版社，20104張亞瓊，杜永貴 基于 CC2430 的 ZigBee 智能傳感器網(wǎng)絡(luò)研究及應(yīng)用J 儀表技術(shù)，2008( 4) : 3-4，75羅苑棠，楊宗德 嵌入式 Linux 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例精講M 北京: 電子工業(yè)出版社，20076石秀民，魏洪興 嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用基于 XScale與 LinuxM 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社，20077蔡志明，盧傳福，李立夏，等 精通 Qt4 編程M 北京:電子工業(yè)出版社，20088成潔，盧紫毅 Linux 窗口程序設(shè)計(jì)Qt4 精彩實(shí)例分析M 北京: 清華大學(xué)出版社，20089鄭靈翔，等 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開發(fā)M 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，200610 萊蕪市杰訊電子有限公司 MF_RC500 中文數(shù)據(jù)手冊(cè)Z 萊蕪市杰訊電子有限公司，200711 單承贛 射頻識(shí)別( RFID) 原理與應(yīng)用M 北京: 電子工業(yè)出版社，200812 Ning Jia 三軸加速度傳感器在跌倒檢測(cè)中的應(yīng)用DB / OL http: / /www analogcn html