基于物联网的养老院管理系统设计与实现

计算机与现代化2012年第6期JISUANJIYUXIANDAIHUA总第202期文章编号:1006-2475(2012)06-0077-04基于物联网的养老院管理系统设计与实现王震，刘智斌(北京理工大学珠海学院计算机学院，广东珠海519085)摘要:介绍基于物联网的养老院管理系统的各项功能，重点叙述RFID人员定位原理、摔倒检测原理和健康监测等传感器原理和实现。通过在RFID标签中录入老人的身份编号等信息，当老人携带标签路过某一布置了读卡器的路段时，系统便能确定该老人位置。运用重力加速传感器，采集加速度变化波形作为摔倒检测的依据。关键词:物联网;射频识别技术;人员定位;健康监测;跌倒检测中图分类号:TP311文献标识码:Adoi:10．3969/j．issn．1006-2475．2012．06．022DesignandImplementationofNursingHomeManagementSystemBasedonInternetofThingsWANGZhen，LIUZhi-bin(SchoolofComputer，ZhuhaiCampus，BeijingInstituteofTechnology，Zhuhai519085，China)Abstract:ThisarticleintroducesthevariousfunctionsofnursinghomemanagementsystembasedonInternetofthings，describestheRFIDpersonnelpositioningprinciple，thefalldetectionprinciple，theprincipleofhealthmonitoringsensorsandtheirimple-mentation．ThroughinputtingtheidentificationnumberofelderlyandotherinformationinRFIDtag，whentheelderlycarriesitandpassesacheckpoint，thesystemcandeterminethepositionoftheelderly，andusesgravityaccelerationsensortocollecttheaccelerationwaveformasthebasisforfalldetection．Keywords:Internetofthings;RFIDtechnology;personnelpositioning;healthmonitoring;falldetection0引言随着时代的发展，一般养老院里的基础建设日趋完善，配套了各种娱乐设施，如健身场、运动场。这些设施确实丰富了老人们的生活，同时也给老人们带来潜在的活动风险。因为场所涉及的范围大，监管人员不可能顾及到每个角落的每位老人，所以必须采取一种有效的方式来照顾这些老人。［1］，基于物联网的养老院管理系统引入物联网［2］高科技信息技术，通过射频识别(RFID)、传感器、无线传输(ZigBee)等信息传感设备，实现对养老院老人的日常生活进行远程监控、实时定位和实时服务管理，符合未来养老服务需求，以应对老龄化带来［3］的诸多问题。1功能描述如图1所示，本养老院系统分为两个主要部分:监控终端和老人移动腕带终端。整个养老院系统采图1系统功能结构图用目前比较成熟的RFID射频识别技术和ZigBee无［4］，线传输技术配合体温、脉搏和重力感应等传感收稿日期:2011-12-28作者简介:王震(1980-)，男，河南泌阳人，北京理工大学珠海学院计算机学院讲师，硕士，研究方向:嵌入式与物联网工程;刘智斌(1989-)，男，广东深圳人，本科生，研究方向:嵌入式应用开发。78计算机与现代化2012年第6期器，基于物联网工程的思想设计而成。在老人身上配置RFID标签和各种传感器，通过ZigBee与监控端无线互联，即以老人为对象组成一个小型的物联网。系统可以实现RFID定位、实时体温脉搏健康状态检测、位置信息查询和重力感应摔倒报警等功能，为老人的日常生活进行精准位置定位和身体健康指数实时监控。1．1监控服务器端该部分是本系统的核心部分，实现了养老院的人员综合管理，主要有以下功能:(1)人员管理:该功能允许管理人员在监控终端通过电脑查询全部老人的当前位置分布情况，以及每个老人当前的具体位置和健康状态，如血压、体温、心图2系统框图2RFID人员定位和跌倒检测功能原理及实现率等。2．1RFID人员定位功能(2)事件处理:该功能允许管理人员进行紧急事2．1．1RFID读写器模块描述件处理，如接收老人腕带发出的警报以便及时处理、RFID读写器模块是整个系统的重点，能够帮助或者接收老人的紧急呼叫请求等事件。养老院的工作人员清晰地知道老人当前所在位置以(3)语音广播:该功能允许管理人员在某些情况及周边的环境，为工作人员提供极大的帮助，使老人下进行广播。即使在无人陪同的情况下也能自己去较远的地方，一监控端软件基于嵌入式Linux［5］操作系统设计，般情况下标签内写入的是持卡人身份等信息的编码。该系统是在PXA270平台上的一个ARMLinux移植版本［6］，版本号是2．6．9。在该Linux系统之上，软件采用QT-embedded4．5［7］来实现图形界面和多线程［8］处理等功能。1．2老人移动腕带终端该模块为系统的移动模块，可以实时监测老人健康状态，主要有以下功能:(1)健康状态监测:该功能通过腕带上的传感器，实时检测老人的血压、脉搏、体温等生理特征，并进行记录、比对。(2)发送警报:该功能用于老人与监控终端进行通讯。当佩戴腕带终端的老人摔倒、健康信息异常、或者需要服务时向监控终端发出呼叫信息。(3)RFID标签定位:该功能实现在养老院范围内通过RFID射频识别卡记录的标签信息实现无线人员定位。腕带终端是佩戴在老人手腕上的便携式终端，其程序主要任务是采集装备在老人身上的各种传感器信息，然后经过处理和过滤后由ZigBee无线发送到监控端。程序是基于Linux2．6．24内核的操作系统之上运行的，通过LinuxAPI系统调用，实现多线程处理和中断处理。由于程序同时有多个传感器数据采集，因此采用多线程，按键操作可以用外部中断来［9］实现。系统框图如图2所示。在基于物联网的养老院管理系统中设置了5个检查点，每一个检查点都有一个RFID读写器模块，通过老人手上的腕带标签对老人进行定位。如图3所示。图3RFID老人定位原理图2．1．2实现原理RFID读写器中读写模块的核心部分包括一个用于控制的微处理器MFRC500和一个RFID基站芯片。它具有与用户主系统的串行通信能力，可根据用户系统的命令完成对RFID卡的读写操作，并将所得数据返回给处理器系统，这个处理器系统可以是一个［10］。主控板(1)本养老院管理系统采用读卡器与非接触性IC卡相结合的工作原理，在实现读写信息上与传统的接触式读卡器相比有以下突出优点:①RFID卡具有较强的数据通信功能，传输速率较快，读写距离较远，且具有防冲突功能，能在同一时2012年第6期王震等:基于物联网的养老院管理系统设计与实现79［11］。收;数据帧的第二字节表示功能类型号;后面剩下的间处理多张在读写器天线内的卡片②RFID卡具有唯一的卡片序列号，该序列号无所有字节表示具体的数据。在不同的功能类型的情法复制，因此它具有更高的防伪装性。况下，数据部分的结构都有所不同。按功能类型的不(2)本项目中养老院人员定位实现原理:将同，数据部分定义如表2所示。RFID读写器布置在待测位置处，当有RFID卡经过表2定位功能数据帧结构时读取RFID卡，代表老人刚好经过本路段。如图3功能类型:接收检查点定位信息中将每个RFID读写器分别置于图中各检查点位置，类型号:0x01每个检查点分别代表不同的地理位置信息。例如:大数据部分结构:［NODE］［UID］门口、食堂、住宿区、娱乐室和运动场。而RFID标签说明:检查点号用户号卡配置于每个老人的腕带上，当老人佩戴的腕带经过大小:1字节2字节每一个检查点时，读写器将从老人的RFID卡上读取检查点的定位信息只有当检查点检测到老人的老人的身份信息，并把信息发送到监控终端。监控终电子标签经过时便会发送，其中第一字节表示检查点端便知道该老人刚从某个区域移动至另一个区域。的ID，接下来的两个字节表示检测到的电子标签的RFID读卡程序流程图如图4所示。用户号。图4RFID读卡程序流程图2．1．3RFID数据通信实现为了方便养老院监控端程序处理串口所接收的数据时遵循系统定义的协议，每一帧数据定义描述如表1所示。2．2人员跌倒检测功能在大多数时候，养老院的老年人行动的节奏相对比较慢，因此在整个行动过程中，其加速度矢量变化不大。本系统利用加速度这个矢量值来判断老人是［12］。具体实现原理如下:否摔倒加速度传感器被固定在老人身上，在加速度传感器上定义Y轴为曲线，它在正常静止状态下为-1g;同时定义X轴和Z轴的加速度曲线，其正常静止状态下应该为0g;一根矢量曲线是三轴加速度的矢量和，正常静止状态下为+1g。(1)正常状态分析:一般情况下，老人的动作幅度不大，加速度变化值不大。(2)跌倒过程分析:跌倒过程中的加速度变化明显，主要有以下4个特征:①失重:在跌倒开始发生的失重现象。对于一般跌倒，合加速度小于1g。②撞击:人体撞击之后，跌倒与地面发生强烈撞击，在合加速度曲线中会产生一个变化很大的曲线波形。③静止:正常情况下，人在跌倒后，很少会马上站起来，会有短暂的静止状态。在合曲线上会出现一段平稳过渡期。④比较合矢量曲线:跌倒之后，人体发生位置偏移，人体的方向会与原静止的姿态不同，根据这时与原静止状态的比较可以得出，老人是处于跌倒表1基本数据帧结构数据:［LN］［FN］［xxxx．．．］说明:后续数据长度功能类型号数据部分数据大小:1字节1字节LN-1字节数据帧的第一字节表示接下来还有多少字节的数据要接收，这是为了方便接收程序控制数据的接［13］状态。3系统数据库设计［14］，本系统的数据库采用SQLite3数据文件保存在监控端服务器，由监控端程序负责维护。数据库中主要的实体与关系设计如图5所示。80计算机与现代化2012年第6期图5数据库实体-关系图根据图5可以看出，简化的数据库主要维护了3个表。其所定义的老人表中维护养老院中老人的基本信息，包括个人信息、健康状态值和所处区域位置;另外地图检查点和地图区域两个表则描述整个养老院区域划分和检查点布置情况。由于一个检查点连接了两个区域，分别在检查点两侧，因此检查点实体表中有oneside、anotherside两个属性，分别表示与检查点相邻两个区域的区域号。这样不仅可以很方便地处理人员的定位，而且可以适应地形的变换，如果需要将系统换到另一个养老院地形的情况下，则只要把数据库的区域节点信息按其地形重新更改替换就可以直接使用。4结束语基于物联网的养老院管理系统作为一个有实际意义的物联网系统应用方案，是老龄化问题的重要应对策略。未来世界是物联网的世界，引入物联网这新一代高科技信息技术，通过射频识别、传感器、无线传输等信息传感设备，按预定的协议，以实现对养老院的老人日常生活处于远程监控、实时定位和实时管理状态，符合未来养老服务方向，应对老龄化带来的诸多问题。目前整个系统中实现了地图查询功能、事件处理功能、RFID定位功能、ZigBee无线传输功能、脉搏体温状态检测功能和跌倒检测报警功能等，其中人员定位和状态监测等功能已取得比较好的效果。参考文献:［1］吴功宜．智慧的物联网:感知中国和世界的技术［M］．北京:机械工业出版社，2010．［2］马建．物联网技术概论［M］．北京:机械工业出版社，2011．［3］郑和喜．WSNRFID物联网原理与应用［M］．北京:电子工业出版社，2010．［4］张亚琼，杜永贵．基于CC2430的ZigBee智能传感器网络研究及应用［J］．仪表技术，2008(4):3-4，7．［5］罗苑棠，杨宗德．嵌