基于云架构老人看护系统研究与设计
赵一权于忠清
（青岛大学信息工程学院，山东 青岛 266071）
【摘要】分析了传统老人看护系统的缺点，设计和实现了新型的老人看护系统。系统采用压力传感器采集老人的生活起居信号，通过ZigBee中心节点收集各个终端数据，树莓派将中心节点的数据转发到后台服务器，后台服务器对老人数据进行行为判断，并存储判断结果。看护人员可以通过GPRS或者Internet，登录网站实时查看老人的生活规律信息。当系统检测到异常时，能够通过百度云平台将报警短信发送到看护人员的手机上。系统基于企业服务总线架构，可扩展性高、互操作性强，降低了系统功能扩展和维护成本。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 老人看护；压力传感器；云平台
【Abstract】This paper analyzes the shortcomings of the traditional elderly nursing system. It completes the design and implementation of a new elderly care system. The system collects living signal of the elderly by pressure sensors. Then, the ZigBee node receives data from ZigBee terminals. Raspberry pi forward those data to data server. The server can make sure the behavior type through analyzing the data of the elderly and store the results. Caregivers can login in website to check the living status of the elderly via GPRS or Internet. When it detects abnormal behavior, the system can send alarm messages to caregivers’ mobile phone by Baidu cloud platform. The system based on Enterprise Service Bus architecture has high scalability and strong interoperability. This reduces the costs of the system expansion and maintenance.
【Key words】Elderly care system；Pressure sensor；Cloud platform
0引言
中国经过30年的改革开放，，中国老龄化问题越来越突出。第六次人口普查数据显示，60岁以上的人口为1.8亿，比例已经超过联合国关于老龄化国家的定义，而且据估计老年人口比例还在不断增大[1]。通过对中国国情的分析，老人们亟需一种能够对他们的身体状况和行为习惯进行监督和报警系统。主要原因有以下两个方面：
一方面，绝大多数青壮年人员每天都忙于在外打拼，没有心思和精力照顾家中的父母或者爷爷奶奶，所以如何看护好这些人已成为一个社会问题；政府主管部门也希望对居家养老的老人能够实时监护，在老人出现突发状况时可以最短时间内处理。目前缺少更经济便捷的手段为居家养老安全问题提供及时的响应服务。
另一方面，随着中国科学技术的迅速发展，已经可以通过技术手段对居家老人进行智能化的看护和行为监控；然而由于技术发展不成熟，系统集成度不高和不利于扩展等问题，导致系统开发和维护成本上升，致使现有老人看护解决方案不能够有效地集成到各个系统中。
一些发达国家，进入老龄化社会的时间早，科技发达、养老体系完善，有很多专门为老年人设计的智能看护和行为检测系统，包括一些疾病的智能检测和分析。
经过对国外老人看护系统的研究总结发现[2-6]，从简单的老人行为检测报警到实现老人居家养老智能系统，都涉及到两大部分：老人信息的采集，记录、存储和分析如行走路线、是否跌倒和生活起居等数据，涉及到传感器的应用、采集数据的硬件设计和行为检测算法的设计；发生异常后的报警机制，从一开始的响铃到后来利用互联网技术实现医生的远程访问和看护人的实时监督和看护。
中国的高校和研究机构对老人看护方面的研究案例中[7-10]，主要利用RFID技术、传感器技术、gps系统和无线通信技术解决了老人跌倒检测、老人居家位置检测和老人身体生理信号的采集与上传等一些具体问题，并指出了物联网技术对于居家养老系统的重要性。鉴于以上的老人看护系统功能单一，扩展能力差，不利推广等缺点，本文设计和实现了基于云架构的老人远程看护系统，满足了大量老人看护用户的应用需求，大大降低用户的看护成本。
1系统整体设计
本文通过压力传感器成功将老人白天和夜晚的活动情况记录下来，当危险状况发生时能够通过短信推送报警信息，系统记录的作息时间能够清晰地记录老人的生活起居时间点，有利于老人异常情况的检测。
系统采用了自制压力垫、单片机来收集压力信号信息，通过Zigbee组网技术把各个Zigbee节点收集到的老人的压力信息发送到一个中心节点上，中心节点再通过树莓派将信息转发到后台服务器，用户通过浏览器或者手机app能够实时查看老人的生活作息，并对老人的信息。系统采用了云架构的设计，更易于后期的系统维护和功能的扩展。
1.1系统架构
看护系统共分为四个层：数据采集与处理、数据接收与发送、数据库以及各种服务器、用户终端访问。信号获取层组成单元包括压力传感器、单片机和Zigbee数据发送终端；数据转发层组成单元包括数据接收节点和作为网关的树莓派；云平台组成单元包括数据库、各种服务器以及其他云服务；用户访问终端单元主要包括手机和PC浏览器。前两层通过特定协议实现中心节点与采集终端的通信和数据收发；Zigbee中心节点通过树莓派将数据传送到云平台上，处理和存储；云平台中各个服务器之间互相独立又互相联系，共同为用户提供云服务。
1.2系统各功能模块的设计
信号获取层的核心部分是MCU控制单元，当检测到智能压力传感器信号改变时，就会将采集到的数据信息转换为二进制数据发送给Zigbee终端设备，终端设备接收到数据后将二进制数据加上每个设备的地址信息发送到中心节点上。
数据转发层数据获取层和服务器之间的桥梁，因此必须保证这一层能够接收到Zigbee终端的二进制信息正确地转发给后台数据服务器。其中，树莓派充当了一个数据转发中心，它实时的读取Zigbee中心节点上的数据，通过Internet与后台服务器建立socket连接，连接成功后将数据以设计好的格式发送出去。
云平台设计：WebService服务器，为Web端与手机端应用提供接口支持，如用户注册与登录、权限管理、老人管理、设备管理等平台支持服务器；平台支持服务器，老人看护系统独立运行时，充当Socket接收器，收集设备发送的消息并判断动作的具体类型，老人看护系统与家庭服务总线平台对接后，从家庭服务总线平台提供的接口获取最新的动作信息，判断动作的具体类型；平台支持服务器结合设置的作息时间规则，判断动作是否需要报警，如果需要，记录报警信息，推送到手机，以及根据设定的紧急联系人手机号发送报警短信。
户终端访问：用户通过手机端应用或者PC浏览器注册账号，添加和删除设备信息，管理老人信息，设置作息时间和报警紧急联系电话等操作。
Web访问给用户提供流畅和丰富的功能设置：不仅可以管理设备信息和老人信息，还可以设置睡眠提醒，查询老人历史睡眠，管理多个老人和多台设备。Web端访问设置多级管理员，分别负责不同的功能各个管理员只能管理相应下一级的管理员的操作权限，不能越级管理，功能职责分明。
无论手机端是从GPRS网络接入和是从无线网络接入，都可以登录注册账号，一键添加老人和绑定设备。同一个用户可以添加多个老人和设备，管理方便，实时查看，短信报警。
2系统测试和结果展示
系统对老人压力信号获取层进行了测试，并对各种行为情况进行了总结归类。测试分为三组，如图6所示，每一条红线代表一条传感器垫子。每一个测试组中，测试了六种老人的姿势，并记录了相应的传感器的数据。第一组中两条传感器垫子互相平行，并且与枕头平行放置；第二组中两条传感器垫子互相平行，并与枕头成某个角度放置；第三组中两条传感器垫子首尾相连，与枕头成某个角度放置。
用户通过网站注册自己的账户，并可以添加多个需要看护的老人信息，添加多台设备信息，以及为每个老人添加看护设备。图7所示，为老人2014年十月份前六天的做事时间表。
图7四条线分别代表了不同的作息时间，分别为早上起床时间、午休时间、午休结束时间、晚上就寝时间。因为老人中午睡觉时间很短，所以看起来中间两条线互相重合。当我们把鼠标移动到这条线上时，会显示出是午休开始时间和结束时间。在图中我们可以看到，老人在10月2日和3日没有午休。当我们点击下面的数字时，回跳到那天的睡眠页面，页面上会显示出老人一整天的睡眠状况。如果老人在设定的时间内还没有起床，系统会通过云平台将提醒信息发送给老人看护人员，并将此信息存储在数据库中，下次登录网站的时候展示给用户。
3总结和展望
本文设计和实现的老人看护系统，对几个老人经过了一年多的生活起居检测，能够很好地完成记录老人生活起居的任务。系统能够实时的记录老人在家中行为信息和睡眠信息，并且对老人的异常行为和作息时间能够及时的报警。它省去了传统老人看护系统需要老人穿戴设备的繁琐过程，让老人感觉不到被监视。系统的架构使得系统更容易扩展和升级。下一阶段我们将在老人家中添加更多的智能传感器设备，记录更全的老人行为信息，为老人异常行为检测提供更准确的判断。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
［1］彭莎莎，邹菀.中国人口老龄化现状及特征分析[J].产业与科技论坛,2013,12（11）.
［2］EricCampo,MarieChan,WalidBourennaneandDanielEstève.Behaviourmonitoringoftheelderlybytrajectoriesanalysis[C]//32ndAnnualInternationalConferenceoftheIEEEEMBSBuenosAires.Argentina.2010.
［3］MitsushiroOgawa,RyojiSuzuki,SakukoOtake,TakeshiIzutsd,TsutomuIwaya,TatsuoTogawa.Longtermremotebehavioralmonitoringofelderlybyusingsensorsinstalledinordinaryhouses[C]//2ndAnnualIntemationalIEEE-EMBSSpecialTopicConferenceonMicrotechnologiesinMedicine&Biology.2002.
［4］DeanM.Karantonis,MichaelR.Narayanan,MerrynMathie,NigelH.LovellandBrankoG.Celler.ImplementationofaReal-TimeHumanMovementClassifierUsingaTriaxialAccelerometerforAmbulatoryMonitoring[J].IEEETranscactionsonInformationTechnologyinBiomedicine,Vol.10,No.1,January2006.
［5］Y.Charlon,W.Bourennane,F.Bettahar,E.Campo.Activitymonitoringsystemforelderlyinacontextofsmarthome[J].Digitaltechnologiesforhealthcare,2013.
［6］M.J.Rantz,M.Skubic,S.J.Miller,J.Krampe.UsingTechnologytoEnhanceAginginPlace[Z].
［7］汪东,葛万成,王云光,宣蔚晶,顾文良.老人居家看护系统的设计和实现[J].JournalofClinicalRehabilitativeTissueEngineeringResearch.Vol.13,No.35,August27,2009.
［8］石欣,熊庆宇,雷璐宁.基于压力传感器的跌倒检测系统研究[J].ChineseJournalofscientificInstrument.Vol.31,No.3,March,2009.
［9］畅新爱.基于家居物联网的老人看护系统[J].HouseholdApplianceTechnology,2011.
［10］钟敏,唐凯晔,邱亮.基于无线传感网的养老助老交互系统设计与实现[J].现代建筑电气.No.4Vol.4（SerialNo.40）,2013.
［责任编辑：刘展］
