一种新型老人定位与运动监护系统的设计

张斌,吴水才,邵明刚

北京工业大学 生命科学与生物工程学院,北京 100124

[摘 要]目的 针对老年痴呆患者监护问题,设计一种基于STM32L152单片机和Android平台的新型老人定位与运动监护系统,可实现对老人的远程监护。方法 监护系统由定位仪、服务器和监护端手机软件3部分组成。定位仪硬件主要由STM32L152主控芯片和GU620模块组成,通过嵌入式软件设计控制完成老人位置和运动数据的采集,并通过2G网络上传至服务器。服务器软件基于PHP语言和MySQL数据库设计,用于接收、存储定位仪传送的数据。监护端手机软件在Android Studio集成环境下开发,可通过移动网络访问服务器获取老人的实时数据并处理、显示。结果 手机软件可通过统计分析老人的位置和运动信息进行运动检测,发现老人异常状况,实现异常报警。结论 实验结果表明,所设计的新型老人定位与运动监护系统运行稳定,具有良好的定位与运动监护功能,且定位仪能与监护终端进行即时通信。

[关键词]痴呆患者;远程监护;定位;运动检测;异常报警

引言

我国是老年痴呆患者最多的国家[1],占世界老年痴呆发病人数的25%。目前我国65岁以上老人老年性痴呆的患病率高达5%,即每20个老年人中就有一个老年性痴呆患者。老年痴呆患者需要全天候监护,给其照料者以及家庭、社会带了巨大的压力。众多研究表明[2-4],痴呆病人照料者比非痴呆病人照料者的心理健康水平低且照顾负担重,痴呆照料者更倾向于采用消极应对方式。

当前,嵌入式技术和通信技术发展成熟,穿戴式远程监护医疗发展迅速,能够有效解决医院和家庭的痴呆老人照顾问题。目前市场上已有多种远程定位监护产品,但多数是针对大众老人和儿童设计[5-8],而针对老年痴呆患者的穿戴式定位监护系统还很少。本研究针对老年痴呆患者监护问题,在已有技术基础上,设计并实现了一种新型老人定位与运动监护系统,对老人进行远程监护。该系统除了具有实时定位、远程通话、历史轨迹等功能外,还能对老人的运动状况进行监测,如夜间起床、活动异常、停留异常等,及时发现异常状况,实现异常报警。

1 产品的设计

1.1 系统整体设计

新型老人定位监护系统由定位仪、监护服务器和手机监护软件3部分组成,系统构架图,见图1。

图1 系统整体框架

(1)定位仪通过GPS和基站双重定位获得老人的实时位置信息,并采用无缝定位和融合定位技术增加定位准确度[9-12]。通过重力加速度模块获得老人的运动信息,同时采用自适应计步算法进行计步[13]、计算步频和移动距离。然后将位置和运动信息上传至监护服务器。

(2)监护服务器以PC机作为载体接收、储存和推送实时信息[14-16]。监护服务器接收到定位仪上传的信息后,会对信息处理和储存。

(3)监护端手机软件可通过移动网络访问监护服务器,获得老人的实时位置和运动状况等信息,并在手机上显示。手机软件后台Service会对获取的信息进行分析,若有异常则启动手机报警,提示监护人关注老人状况。

此外手机可以与定位仪之间进行短信双向通信。若手机无法通过监护服务器获得老人实时信息,可通过软件“紧急定位”功能向定位仪发送短信命令,定位仪收到命令后会将老人位置信息(经纬度值)以短信的形式发回到手机,手机软件获取和识别短信信息,提取位置和运动等信息并显示。

1.2 定位仪设计

定位仪硬件采用意法半导体的低功耗单片机STM32L152作为主控芯片,拓展GU620、存储、电源等模块,结构框图,见图2。其中GU620模块集成了2G、GPS、重力加速度等模块,并自带基站定位功能。

图2 定位仪硬件结构图

STM32L152单片机与GU620芯片之间通过串口通信。STM32L152单片机通过GU620芯片获取GPS、基站、重力加速度等信息,将获取的信息进行处理,计算距离、步数、步频、运动时间等,并将信息数据打包,通过GU620芯片2G功能,使用AT命令连接服务器,将信息上传。定位仪功能流程,见图3。

图3 定位仪软件功能流程图

1.2.1 STM32L152单片机

STM32L152单片机是意法半导体公司开发研制的一款低功耗、高效率的32位处理芯片,具有极高的性价比。该模块内核为Cortex-M3,采用超低漏电流工艺、时钟门控技术、降低运行功耗等技术,在Standy Mode下最低功耗为300 nA,更加适合低功耗的应用。在低功耗的同时还具有高速处理计算能力,非常适合解决一些实时性的问题。新型老人定位监护系统定位仪对数据的实时计算能力要求较高,该单片机非常适合本系统的应用。

1.2.2 GU620芯片

GU620是合方圆公司自主研发生产的一款集成度高、低功耗、低价位的工业级芯片,非常适合对尺寸、功耗要求较高的应用开发,芯片内部结构,见图4。该模块集成2G、GPS、基站定位、G-Sensor等功能,且灵敏度高。芯片2G模块内嵌TCP/IP协议,支持多链接、语音和短信通信,支持GSM标准AT命令。芯片内置的GPS模块是基于MTK公司的成熟芯片组设计开发,可进行高达66个PRN信道的卫星跟踪,首次定位时间<28 s。老人定位监护产品要求具有通信功能,要求定位准确、定位时间短,本系统选用GU620芯片可满足系统性能需要。

1.3 服务器软件设计

服务器软件设计基于PHP语言和MySQL数据库,主要用来接收、储存定位仪和手机监护软件上传的数据,以及响应请求并向手机端推送数据,其软件结构,见图5。

图4 GU620模块内部结构框图

图5 服务器软件结构图

定位仪将数据以数据帧的形式通过2G网络发送给服务器,数据帧格式,见表1。其中“帧头标识”用来区分不同设备。服务器通过解析该命令获得各数据值,并按不同设备区分存储到数据库中。当手机端向服务器发送请求时,服务器根据相应请求,将数据打包发给手机。

表1 数据帧格式

1.4 手机监护软件设计

手机监护软件基于Android平台设计,在Android Studio集成开发环境下实现,使用JAVA语言编程。软件共有注册登录、实时定位、离线地图、运动监护、夜间监护、一键通话、历史轨迹、异常检测等功能。手机软件功能,见图6。

图6 手机软件功能框图

1.4.1 实时定位

痴呆老人记忆障碍,出门行走极易迷路,且老人认知功能受损,无法正常与人交流,因此痴呆老人的找回尤为困难。该功能模块可获取老人的实时位置并在手机上显示,若老人走丢则可在最短的时间找回老人。软件通过嵌入百度地图完成实时位置的显示。首先调用百度地图API,在Activity中嵌入百度地图MapView显示地图。进入该界面后,手机数据接收线程启动,同时调用“LocationClient.start()”方法启动监护人手机定位。软件通过数据接收线程循环访问服务器,使用POST方式获取老人实时经纬度信息,然后解析数据为经纬度形式,使用百度地图“addOverlay()”方法将位置在地图上显示。

该模块可在百度地图上同时显示监护人、老人的位置,方便对比辨识,功能流程,见图7。若由于手机无线网络差等原因短时间无法获取老人位置,可按“紧急定位”按钮,手机将给定位仪发送定位命令短信,定位仪收到命令后将经纬度信息以短信的形式返回。手机收到定位短信,软件后台Service自动拦截并提取经纬度信息,在地图上显示老人位置。离开该界面时关闭数据获取线程和定位功能,防止占用手机内存。

图7 实时定位功能流程图

1.4.2 运动监护

该模块用来监护老人日常运动,显示老人的走路步数、运动路程、体能消耗等信息,其功能流程,见图8。该功能数据的获取和处理在后台Service中进行。Service每隔5 min访问服务器获取数据一次,然后解析出步数、步频、路程等数据,同时获取注册时填写的身高、体重等老人个人信息,并使用式(1)计算步行体能消耗[17]

图8 运动监护功能流程图

将每次计算的体能数据存入手机本地数据库,当前体能消耗计算如式(2)所示。

式中Wn为当前总的步行体能消耗值;Wi为当天第i次获取运行数据所计算的体能消耗值。

体能消耗计算完成后,Service使用“Broadcast”广播将步数、路程、步行体能消耗等数据发送到运动监护模块,使用“TextView”控件在界面上显示。

1.4.3 夜间监护

痴呆老人一旦处于认知障碍状态,其行为表现异常,即使在夜间也可能会频繁的活动,因此,夜间监护尤为重要。“夜间监护”功能用来检测、记录老人夜间起床活动状况,还可以进行夜间监护功能开、关操作。该功能数据的获取和处理在后台Service中进行。Service每隔5 min访问服务器获取数据一次,得到老人的步数、步频、路程等信息。夜间监护异常检测主要是基于步频、路程来进行的。软件将每次获取的步频数据求取平均值,并且计算相邻两次获取的路程之差。如果连续15 min检测到步频较高,则认为老人夜间起床,活动频繁,启动手机报警提示;若同时检测到老人位移同时连续变化,则认为老人夜间起床且有长距离行走或者外出行为,启动手机报警提示。功能流程,见图9。

图9 夜间监护功能流程图

1.4.4 异常检测

该功能主要针对老人日常活动进行监护,若有活动异常、停留异常,则提醒监护人关注老人状况。活动异常是指老人的活动频率持续高于日常平均活动水平,停留异常是指老人在某一地点停留时间过长。数据的获取和异常检测是在后台Service中进行的,Service同样是每隔5 min访问服务器一次,获取老人的步频、位置数据。活动异常的检测是基于步频和位置变化来进行的,首先要选取一个步频阈值,若步频高于阈值持续30 min,则认为老人活动过于频繁,为异常状态,开启手机报警提示监护人关注老人状况。如果步频为零或者接近于零,且位移数据没有变化,持续一定时间(时间数值由监护人设定),则认为老人在某地停留时间过长,开启手机报警提示监护人关注老人状况。功能流程,见图10。

图10 异常检测功能流程图

步频阈值的选取,首先计算每次访问服务器获取步频的平均值,然后在每天的不为零步频平均值中,选取中值作为当天阈值,用来动态更新实际阈值。在一周每天选取的当天阈值中选取中值作为实际阈值,用来作为活动异常检测的步频阈值,依次每天更新,保持阈值动态调节。实际阈值的计算如式(3)所示。

式中Me为实际阈值,作为检测运动异常的依据;M为每天选取的当天阈值。

当天阈值的计算如式(4)所示。

式中M表示每天的当天阈值;Xn表示阈值计算当天,步频均值中的第n个不为零的步频均值。

1.4.5 其他功能实现

初次使用软件会进入注册登录界面,用户可以在此界面使用手机号码作为用户名注册,同时完善个人信息,如姓名、年龄、体重等。点击“保存”后,软件会在手机SD卡“HealthCare”文件夹下建立以用户名命名的后缀为“.txt”的文件,来保存用户信息。登录完成后软件会自动跳转到功能菜单界面。

离线地图功能是通过调用百度地图API,获取离线地图资源,然后下载管理,以增加定位速度。

历史轨迹功能,是以天为单位,通过选定具体日期来查询、下载服务器存储的位置数据,然后解析下载的数据,在百度地图上的依次显示、播放。

一键通话功能是通过调用Intent方法来完成定位仪呼叫的。点击“一键通话”按钮后,软件会调用手机拨号功能呼叫预设的定位仪SIM号码。定位仪接到呼叫,自动完成接听,完成和老人的通话。

2 系统测试

定位仪依靠锂电池供电,可固定在老人胸部或者腰间,开机即可采集位置和运动信息并上传。监护端手机软件可运行在任何不低于Android 4.0.0版本的智能手机或终端设备上。本系统使用小米智能手机进行测试。系统功能展示,见图11。

图11 系统功能展示图

注:a.老人实时定位;b.老人运动状况监护;c.历史轨迹播放;d.老人状况异常提醒。

3 总结

本研究针对老年痴呆患者监护问题,设计了一种基于STM32L152单片机和Android平台的新型老人定位和运动监护系统,并对该系统的各部分功能及设计方法进行了详细介绍。该系统可通过定位仪获取老人的实时位置和运动状况等信息,并上传服务器储存和处理,同时通过手机可监测老人状况异常并报警提示,实现对痴呆老人的远程监护。实验结果表明,该系统功能正常,运行稳定。后续将继续完善定位监护系统功能,在服务器中增加数据的处理和分析功能,增加对老人的运动分析。

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本文编辑 袁隽玲

Design of a New Positioning and Physical Activity Monitoring System for the Elderly

ZHANG Bin, WU Shui-cai, SHAO Ming-gang
College of Life Science and Bio-engi neer ing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

Abstract:Objective In order to solve the problem of caring for patients with dementia, we designed a new type for old man positioning and movement monitoring system based on STM32L152 single chip microcomputer and Android platform, so as to realize the remote monitoring for the old man. Methods The monitoring system was composed of 3 parts, including a positioning device, a server, and a monitoring-terminal mobile phone software. The positioning device was composed of the master chip and GU620, which could collect the position and physical activity data of elderly and uploaded the data to the server by 2G network. The server software, which was designed based on the PHP language and MySQL, was used to receive and store the data that uploaded by the positioning device. The monitoringterminal mobile phone software, which was developed under the integration environment of Android Studio, was used to get, process and display the data of the server through the mobile network. Results This system could realize abnormal alarm when the abnormal situation was found. And this process was accomplished through the statistical analysis of elderly’s location and movement information. Conclusion The experimental results showed that the designed system was stable, and the positioning and activity monitoring functions was satisfactory. In addition, the instant messaging between the positioning device and the monitoring terminal could be realized.

Key words:dementia patients; tele-monitoring; positioning; physical activity monitoring; abnormal alarm

[中图分类号]TP391.4

[文献标识码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.06.007

[文章编号]1674-1633(2017)06-0023-05

收稿日期:2017-01-05

修回日期:2017-02-10

基金项目:国家自然科学基金(71661167001);北京工业大学大科研计划项目(015000514316006)。

通讯作者:吴水才,教授,主要研究方向为生物医学信号与图像处理、生物医学电子与医疗仪器。

通讯作者邮箱:wushuicai@bjut.edu.cn