敬老院環(huán)境的網(wǎng)絡(luò )化智能監控系統設計

引言

隨著(zhù)我國老齡化程度的逐步加劇，空巢老人問(wèn)題凸顯，并已成為老齡化問(wèn)題的新焦點(diǎn)。據統計，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(wú)疑是他們晚年生活的理想選擇。將全面的網(wǎng)絡(luò )化監控理念引入敬老院，組建網(wǎng)絡(luò )化智能監控系統，可以提高助老助殘服務(wù)品質(zhì)，變革傳統養老方式，主動(dòng)面對未來(lái)養老領(lǐng)域的挑戰。

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

隨著(zhù)以太網(wǎng)、WLAN技術(shù)的不斷成熟，其傳輸速率、安全性和穩定性也不斷提高。本文采用WLAN便攜監測設備接入以太網(wǎng)，結合RFID、視頻監視、數據庫及人機界面開(kāi)發(fā)等熱點(diǎn)技術(shù)完成了老人狀況和監護中心的無(wú)縫銜接。

1系統總體結構

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(jiàn)不鮮。但這些機構中從事醫療監護工作的人員較少且助老助殘設施相對陳舊，技術(shù)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(dòng)范圍等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，不僅可以實(shí)時(shí)了解老人當前的健康狀況，還可預測老人未來(lái)的情況。敬老院網(wǎng)絡(luò )化智能監控系統的總體結構如圖1所示。老人通過(guò)便攜式無(wú)線(xiàn)監測設備(即圖1中老人身邊設備)不僅能定時(shí)獲取血壓、脈搏、體溫等生理參數，還可通過(guò)對有源RFID標簽信號進(jìn)行識別確定位置，通過(guò)基站接入有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將信息匯總于監護中心。監護中心可實(shí)時(shí)了解老人的各項信息并將其存儲，以便將來(lái)分析查看。如遇緊急狀況，監護中心可通過(guò)定位信息切換視頻監視器，結合生理參數派出相應救護人員到達確切事發(fā)地進(jìn)行救治，實(shí)現了有限人力資源的優(yōu)化整合，完成了信息和視頻聯(lián)動(dòng)監控、監控和救護的協(xié)調統一。


2網(wǎng)絡(luò )結構設計

監控系統網(wǎng)絡(luò )由數據監控網(wǎng)絡(luò )(灰)和視頻監控網(wǎng)絡(luò )(黑)兩部分組成，如圖1所示。

2.1數據監控網(wǎng)絡(luò )結構設計

數據監控網(wǎng)又分為有線(xiàn)網(wǎng)(以太網(wǎng))和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)(WLAN)兩部分。

(1)有線(xiàn)數據監控網(wǎng)絡(luò )

結合傳統工業(yè)控制領(lǐng)域中總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)不便、實(shí)現成本高等問(wèn)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(xiàn)數據監控網(wǎng)絡(luò )部分。該部分除了用于匯總無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )外，主要用于對老人室內的中大型、移動(dòng)性差的終端設備進(jìn)行監控，如公寓中的醫療護理床、空調和活動(dòng)中心的各類(lèi)娛樂(lè )、康復設備。

(2)無(wú)線(xiàn)數據監控網(wǎng)絡(luò )

WLAN所采用的CSMA／CA(載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)／沖突避免)型介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)機制遵守以太網(wǎng)協(xié)議(CSMA／CD，載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)／沖突檢測)并與主流網(wǎng)絡(luò )操作系統兼容，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(dòng)通信技術(shù)(如Bluetooth、Zig Bee)移動(dòng)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(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)。TWL5401A是戶(hù)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(wú)障礙2 km)，支持AP、點(diǎn)對多點(diǎn)、中繼和無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端等模式，靈敏度高，配合看門(mén)狗和最新無(wú)線(xiàn)安全標準WPA2使得無(wú)線(xiàn)通信安全可靠。

無(wú)線(xiàn)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(guò)測試血液對光強的吸收能力間接測脈搏數，然后用壓力傳感器測血壓，最后通過(guò)溫度傳感器測體溫。老人定位屬精度較低的區域定位，故根據RFID信號采用質(zhì)心定位算法便可滿(mǎn)足要求。無(wú)線(xiàn)終端可采用TI公司的醫用低功耗芯片，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視頻監控網(wǎng)絡(luò )結構設計

視頻監控網(wǎng)絡(luò )由各類(lèi)監控攝像機(全景型、低照度型等)、監護中心大屏幕和視頻傳輸線(xiàn)路組成，該系統協(xié)同數據監控網(wǎng)絡(luò )實(shí)現影像定位的聯(lián)動(dòng)監護，如圖1所示。在需要晝夜監視的區域可選SONY SSC-DC59xx系列攝像機，確保達到低照度監視要求。

3網(wǎng)絡(luò )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(guò)使用Socket可簡(jiǎn)化監控軟件的制作。此外，其抽象監控節點(diǎn)為對象模型，提供了一套完整的數據訪(fǎng)問(wèn)規程，促進(jìn)了產(chǎn)品的標準化。最后，通過(guò)商用以太網(wǎng)硬件便可支撐Ethernet／IP底層通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現方便，性?xún)r(jià)比高。

3.1通信協(xié)議結構和數據封裝

Ethernet／IP的協(xié)議層次結構如圖2所示。其在TCP／IP之上定義了數據封裝、應用和傳輸層以及用戶(hù)層。應用和傳輸層中定義了數據訪(fǎng)問(wèn)規程(顯式、I／O信息)，用戶(hù)層可自定義應用對象及其對應設備行規。



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



3.2無(wú)線(xiàn)終端通信模塊

以無(wú)線(xiàn)終端的通信模塊為例，將其節點(diǎn)內部路徑化，建立對象模型如圖3所示。


數據訪(fǎng)問(wèn)規程：Ethernet／IP的數據訪(fǎng)問(wèn)基于應用連接，確保了數據的安全和可靠。若尚未建立顯式或I／O連接，需通過(guò)未連接報文管理器(UCMM)將報文送至報文路由器派發(fā)。通過(guò)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據訪(fǎng)問(wèn)(如血壓值)，采用TCP問(wèn)答的形式；I／O連接則通過(guò)UDP傳遞現場(chǎng)實(shí)時(shí)信息(如實(shí)時(shí)位置)。

應用對象及其設備行規：建立電子血壓儀、體溫計以及實(shí)時(shí)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2。設備行規定義了現場(chǎng)所測數據的通信組織形式，行規1、2如圖4所示。


以上述設備行規形式組織的數據首先被Ethernet／IP封裝在其命令相關(guān)數據域中，之后依次加上IP、TCP頭放人以太網(wǎng)幀中，從現場(chǎng)上傳到監護中心。

4監護中心網(wǎng)絡(luò )化監控軟件設計

系統監控軟件綜合了網(wǎng)絡(luò )編程、人機界面開(kāi)發(fā)和數據庫技術(shù)。在開(kāi)發(fā)時(shí)涉及基于Socket的多線(xiàn)程網(wǎng)絡(luò )編程，鑒于VC++對多線(xiàn)程的有力支持及其代碼執行效率高等特點(diǎn)，選其為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言?？紤]到數量眾多的實(shí)時(shí)數據及其處理效率問(wèn)題，更為了確保數據的安全，選用SQLserver作為系統后臺數據庫。為了減少開(kāi)發(fā)代碼量，提高軟件執行性能，選用ADO對數據庫進(jìn)行操作。

監控軟件功能流程展示了監護中心對某一現場(chǎng)節點(diǎn)從建立連接到數據通信的整個(gè)過(guò)程。

結語(yǔ)

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