家庭老幼監護系統

2019-12-11 10:00:03 物聯網技術 2019年11期

彭榮華 羅志偉 盧忠亮 謝泓松 壽夢藍

摘 要:針對生活中老人與小孩的監護問題,設計一款家庭老幼監護系統。系統采用物聯網技術、微信后臺開發技術、RFID射頻識別技術,可自動在嬰幼兒觸及危險區域以及老人跌倒時做出一定的安防措施并迅速報警及通知監護人,能夠較大程度減少幼兒墜樓等事故,解決老人與幼兒的安全問題。系統設備開發成本低,使用便捷,具有較大的推廣價值。

關鍵詞:物聯網;中遠距離RFID;Cortex-M3+ESP8266;安防監護;跌倒識別算法;微信公眾號后臺

中圖分類號:TP212.9文獻標識碼:A文章編號:2095-1302(2019)11-0-03

0 引 言

當前我國人口不斷增長,但老齡化日益嚴重,中青一代在擔負重大工作壓力的同時,也因無暇顧及家中老人與幼兒安全問題更顯焦慮。嬰幼兒墜樓問題不斷發生,老人跌倒事件屢次出現,至今社會各界尚未提出一個完善的解決方案。

我國城市老年人空巢家庭(包括獨居)的比例已達49.7%。到2020年,中國老年人口將達到2.48億,老齡化比例將達17.17%。由于社區養老機構場地有限,許多老人只能采取居家的方式養老,給養老、醫療等社會保障和服務體系等帶來了巨大壓力。近年來,隨著社會節奏的不斷加快,防范意識不強的兒童由于缺乏有效看護,其正常生活甚至生命受到了嚴重威脅,因此兒童的安全問題已逐步成為社會關注的重要內容之一。

目前,國內在家庭老人及兒童遠程監護方面的研究還不多。2001年首都醫科大學實現了對老人及兒童行動分析及異常報警系統,利用檢測到的信號,主動判斷老人及兒童狀況。但由于采用的家庭醫療監護儀、可控萬向云臺等設備成本較高,無法大面積推廣。2002年美國維吉尼亞大學開展了智能居所監護系統的研究,該系統采用低成本感應器獲取家庭老人及兒童活動數據,通過數據挖掘技術建立老人及兒童活動規律,能夠實現針對不同老人及兒童的實時監護,為家庭安防帶來新的發展機遇。

本文設計的基于物聯網技術的老幼監護系統以居家養老為基礎,社區養老為依托,通過云平臺系統、服務中心建設等信息化手段建立居家養老服務體系,惠及每個家庭中的老人,從而提升養老服務能力。

同時,項目吸取其他相關領域項目經驗,采用低成本傳感器[1]、第三方定制的終端設備,在提高系統可用性的同時,降低用戶使用成本;采用統一的云平臺系統,不僅預測準確,可靠性高,還節約了人力成本,使工作更有效率。針對目前家庭用戶應用需求,設計并開發高效的遠程家庭安防及老幼監護系統。

1 系統功能概述

1.1 總體架構

本文基于智能云生態鏈、無線通信網、超低功耗SOC 芯片技術[2],搭建家庭老幼監護系統。該系統包括若干位置節點和人體節點,位置節點包括中距離RFID讀寫器[3-4]、WiFi模塊及Cortex-M3處理器;人體節點主要是帶有中距離 RFID的射頻標簽[5]、加速度傳感器及WiFi模塊。系統主要包括設備硬件電路設計與調試、距離感應設計及調試、數據采集及上傳調試[6]、無線軟件協議設計及完整系統的實現[7]??傮w架構如圖1所示。

1.2 系統結構

系統結構如圖2所示。

1.3 主要功能

系統處理主要分為接近危險狀態檢測和跌倒檢測,其流程如圖3所示。

跌倒檢測主要依靠加速度傳感器檢測到的加速度信息和傾角信息以及心率傳感器檢測到的脈搏變化狀態[8],共同判斷老人、兒童是否發生了跌倒。危險狀態檢測利用人體紅外傳感器和遠距離RFID,及時發現兒童靠近陽臺、門窗、插座等危險行為,并發出現場和遠程報警,避免家長因一時疏忽而使兒童發生危險。

1.4 芯片選型

網關和從站監測節點設備由一片Cortex-M3+ESP8266無線模塊組成,通過ESP826無線通信模塊在網關與節點間實現無線通信。節點采用MAX30100心率模塊、MPU6050重力傳感器模塊,搭載可將跌倒姿態檢測信息傳到云平臺的ESP8266 WiFi模塊,以及裝有RFID射頻標簽的手環。

2 系統硬件設備

2.1 識別控制裝置

識別控制裝置采用中距離(0~10 m)有源RFID識別模塊和ESP8266電機,利用簡單的兩圓相交定位模型進行定位和距離計算。識別控制裝置如圖4所示。定位計算如圖5所示。

將得到的位置信息及信號強度等數據進行線性擬合,對位置信息與信號關系進行距離評估,如圖6所示。

圖6中:D為根據信號強度轉換得到的距離(單位:cm);RSSI為信號強度(單位:dBm),使用其絕對值進行計算;L是與天線相關的參數。

在線性處理轉換中,主要針對以下四種情況的信號強度值進行區分計算:

(1)當-22 dBm≤RSSI時,令D=0參與計算處理;

(2)當-41 dBm≤RSSI<-22 dBm時,按照拋物線D=100(L0-RSSI)(L0-L)進行計算;

(3)當-50 dBm≤RSSI<-41 dBm時,按照拋物線D=100+0.6(RSSI+36)2-15進行計算;

(4)其他情況按照拋物線D=1.6(RSSI+34.5)2-180.7進行計算。

依據上述計算方式得到標簽模塊與墻壁的距離:

式中:p=(L1+L2+L3)/2;L1,L2分別為兩個標簽與量設備之間的距離;L3為兩設備之間的距離;L0=-22 dBm;RSSI為信號強度。

2.2 穿戴設備

硬件采用市場主流的STM32f103C8T6作為主控,WiFi模塊采用ESP8266、三引腳的心率傳感器以及六軸的精確陀螺儀MPU6050。

利用六軸陀螺儀進行數據采集,6個原始數據分別對應三個方向上的角速度與角加速度,陀螺儀輸出信號如圖7所示。

關于數據形式的說明如下:

AccX,AccY,AccZ分別指代X,Y,Z三個方向上的加速度;

GyroX,GyroY,GyroZ分別指代X,Y,Z三個方向上的角加速度。

2.3 各種模塊的參數

窗臺插座等危險區域的設定值約為0.8 m(可調整),提醒和報警的時間均為即時發送,并利用蜂鳴器實現報警。各模塊選型見表1所列。

3 系統軟件設計

3.1 優化的跌倒檢測算法

在以往的跌倒識別算法中主要有兩大困難:一是數據采集以及讀取的復雜性;二是平臺提供的數據采樣頻率為

3 Hz,在數據分析的精度和閾值上均無法滿足要求。

本文將設備佩戴在人體腰部,采集正常人體行走、奔跑、上樓、下樓、摔倒等數據,數據采集頻率達到20次/s,采集的數據經單片機運算后即時發送結果至服務器及OneNET。

跌倒算法流程如圖8所示。其中,處理的數據為提取的合速度與合角加速度。測試結果如圖9所示。

3.2 服務器配置

將系統服務器搭建于中國移動互聯網開放平臺OneNET上,通過專用APP實現對移動設備的監測與控制,平臺支持TCP,UDP,MQTT以及自主開發的EDP傳輸協議,還包括多種字符串格式的數據報文體結構。通過建立數據流與指令開關[9],協議傳輸的數據報文體鍵值對在鍵值與數據流名稱對應的情況下,將數值長久保留在平臺的對應數據流中。通過此平臺,將處理后的設備狀態以及檢測后得到的信息發送至用戶,以達到實時監測的效果。

3.3 微信公眾號后臺

系統采用微信公眾號平臺進行開發:一方面利用微信龐大的用戶基數,使用戶體驗更優越,接收消息更及時;另一方面,微信公眾號平臺開發可塑性大,靈活性高,解決了用戶安裝各種特定軟件的困擾。

4 結 語

本文主要基于中遠距RFID,Cortex-M3處理器和ESP8266 無線模塊以及優化的跌倒識別算法構建了一個能夠減少老人及兒童家庭意外事故的監護系統,該系統定位識別準確,結構簡單、穩定,使用方便,是一種值得推廣的物聯網形勢下的新應用。

參 考 文 獻

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