居家養(yǎng)老視角下老人過久離床監(jiān)測系統(tǒng)設計

0 引言

研究表明，我國現(xiàn)有60 歲以上的老年人已達2.4億人，占總?cè)丝诘?4.7%，顯示我國已進入老齡化階段^[1]。隨著人口老齡化的加劇，夜間離床現(xiàn)象已成為老年人生活中常見的問題之一，70% 以上有獨居老人的家庭存在居家監(jiān)管難、意外處理不及時、離床后發(fā)病無人知曉等隱患^[2]。特別對于子女遠在異地的獨居空巢老人，夜間發(fā)生異常離床時，如何及時有效的通知到遠程的子女，越來越得到社會的關注和重視。

已進行了多項研究，其中一項研究提出了一種健康監(jiān)測系統(tǒng)，使用智能手表監(jiān)測生命體征，并在出現(xiàn)異常情況時提供警報^[3]。也有研究提出了一種睡眠監(jiān)測系統(tǒng)，使用壓力傳感器檢測床的壓力變化，并在發(fā)生任何異常行為時提供警報^[4]。然而，這些系統(tǒng)沒有專門解決夜間長時間離床的問題以及沒有考慮老年人的正常離床睡眠習慣，可能會影響過久離床誤報或頻繁警報的情況發(fā)生。

1 系統(tǒng)設計

本文提出的老年人夜間過久離床健康預警方案采用傳感器網(wǎng)絡技術對老年人的夜間離床情況進行采集、分析和預警，主要設計有6 個模塊：分別是睡眠狀態(tài)監(jiān)測模塊、主控MCU、電源模塊、flash 存儲模塊、Wi-Fi通訊模塊和SOS 報警模塊。具體來說，我們在老年人床墊舒適層內(nèi)部靠近心臟區(qū)域位置安裝1 個睡眠狀態(tài)監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測老年人的離床狀態(tài)，通過無線網(wǎng)絡與云端服務器連接。老年人發(fā)生夜間過久離床情況時，通過Wi-Fi 通訊模塊或SOS 報警模塊將過久離床消息傳入遠程子女的手機上，實現(xiàn)提醒的功能。系統(tǒng)設計分為兩個部分：硬件設計和軟件設計部分。整體系統(tǒng)設計如圖1 所示。

圖1 整體系統(tǒng)設計框圖

1.1 硬件設計

1.1.1主控MCU

系統(tǒng)采用STM 公司的STM32F030C8 單片機作為主控MCU^[5]，使用單片機自帶的多通道ADC、定時器、UART，GPIO 等資源，通過485 總線和睡眠狀態(tài)監(jiān)測模塊連接，查詢解析睡眠狀態(tài)監(jiān)測模塊的監(jiān)測結(jié)果，同時在主控MCU 設備上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成，存儲；通過串口和Wi-Fi 模塊連接，把本地的睡眠狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)通過協(xié)議上傳到云端，實現(xiàn)用戶手機端App（Application，App）的同步顯示；通過串口和SOS 報警模塊連接，實現(xiàn)用戶手機端短信或手機撥號信號的提醒。

1.1.2 睡眠狀態(tài)監(jiān)測模塊

睡眠狀態(tài)監(jiān)測模塊采用基于壓電薄膜技術的睡眠傳感帶^[6]。壓電薄膜受到壓力的額作用時，其厚度發(fā)生變化，并隨之產(chǎn)生相應的電荷，這些電荷在薄膜的上下電極上積聚，從而產(chǎn)生與作用力大小相對應的電荷。睡眠狀態(tài)監(jiān)測模塊安裝于床墊舒適層下方人體心臟區(qū)域位置，當人體平躺在傳感帶上后，心臟跳動的心沖擊信號和呼吸時的腹部活動，會產(chǎn)生相應的電信號變化到睡眠狀態(tài)監(jiān)測模塊，通過算法得出當前的用戶心率、呼吸等生命體征狀態(tài)，從而獲取用戶的在離床狀態(tài)信息。

1.1.3 Wi-Fi通訊模塊

Wi-Fi技術是如今使用最廣泛的無線通信技術之一，具有低延時，連接穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，適合常在線穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。采用涂鴉智能WBR3 藍牙和Wi-Fi 二合一模塊，模塊兼容藍牙本地綁定連接設備和Wi-Fi 數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。通過藍牙實現(xiàn)設備的本地Wi-Fi 綁定連接后，睡眠狀態(tài)監(jiān)測模塊采集老人的離床信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過主控MCU 進行整合和對比，若出現(xiàn)過久離床情況，則會通過Wi-Fi 或SOS 報警模塊向手機發(fā)送遠程消息提醒及時救助。

1.1.4 SOS報警模塊

當出現(xiàn)過久離床達到一定情況時，通過SOS（Save Our Souls，SOS）報警模塊^[7]實現(xiàn)主動報警與異常狀態(tài)自動報警。SOS 報警器通過內(nèi)置的聯(lián)網(wǎng)模塊，快速接入涂鴉體系，將警報信息上傳云端，可遠程通知相關人員，也可以通過聲音、光線向周圍發(fā)出報警，起到威懾、警示的作用。

1.2 軟件設計

1）獲取老年人最近正常夜間離床時間情況，確定正常離床時間離散變異性系數(shù)^[8]。通過床墊傳感器獲取老年人最近的夜間離床時間情況。這些數(shù)據(jù)可以存儲在云端數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)分析和處理。為了確定較合適的過久離床數(shù)據(jù)離散變異性系數(shù)閾值，我們需要對老年人的正常離床時間數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計。具體方法如下：計算老年人最近每晚離床時間的離散變異性系數(shù)，作為過久離床時間數(shù)據(jù)離散變異性系數(shù), 計算公式如下：變異系數(shù)C·V = ( 標準偏差SD/ 平均值Mean)×100%

2）對正常離床時間變異性系數(shù)進行統(tǒng)計和分析，確定一組較合適的離散變異性系數(shù)閾值。過久離床離散變異性系數(shù)閾值的確定需要考慮老年人的個體差異、生理狀況等因素。一般來說，離散變異性系數(shù)閾值可以根據(jù)老年人的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)合老年人的生理狀況和行為習慣進行調(diào)整和優(yōu)化。

3）根據(jù)過久離床的時間情況，通過遠程消息或SOS報警的方式通知異地的子女，從而達到不同情況下遠程健康預警的目的。

4）調(diào)整優(yōu)化正常離床時間數(shù)據(jù)集

通過對老年人的離床時間數(shù)據(jù)進行分析和處理，將過久離床時間段從正常離床時間數(shù)據(jù)集中刪除，將正常離床時間數(shù)據(jù)集進行重新統(tǒng)計和分析，調(diào)整優(yōu)化正常離床時間數(shù)據(jù)集，以便更加準確地判斷老年人的夜間離床情況。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件工作流程

2 分析與討論

為了驗證本文提出的老年人夜間過久離床健康預警方案的有效性，進行了一系列實驗模擬。實驗采用睡眠傳感器作為數(shù)據(jù)采集設備，通過對5 名用戶的正常離床時間數(shù)據(jù)變異系數(shù)進行分析，分別按4 倍和6 倍正常離床時間數(shù)據(jù)變異系數(shù)，得到過久離床消息提醒預測時間和過久離床SOS 報警預測時間，得到了以下結(jié)果：

1）不同用戶由于生活習慣或其他因素的影響，正常離床時間是不一樣，過久離床預測時間也不一樣，可以解決不同用戶對過久離床時間方案的個性化需求；

2）通過基于對正常離床時間數(shù)據(jù)變異系數(shù)倍數(shù)的調(diào)整，可以實現(xiàn)對過久離床靈敏度效果的優(yōu)化；

3）根據(jù)用戶夜間過久離床的時間情況程度，通過消息或SOS 報警的方式通知遠程終端，可以提醒用戶的離床健康狀況。具體測試數(shù)據(jù)及相關結(jié)果如表1所示。技術細節(jié)、預警的準確性和可靠性還可以得到進一步的提高和優(yōu)化，如結(jié)合老年人的其他生理指標進行綜合判斷，在閾值優(yōu)化等場景采取靈活的調(diào)整策略，又如基于深度學習的夜間離床預測模型等，以進一步提高老年人夜間離床的監(jiān)測和預警效果。

表1 不同過久離床時間預測VS實際測量結(jié)果

參考文獻：

[1] 朱建明,徐佩梁,史永梅,等.我國老齡化社會狀況分析與對策研究[J].經(jīng)濟師,2023(4):295.

[2] 李強,艾靜蕊,徐書彤.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的老人居家安全管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].工業(yè)技術與職業(yè)教育,2022,20(3):25-27+108.

[3] 張陽,李勇,王宇.基于智能手表的老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)[J].環(huán)境智能與人性化計算,2019,10(2),663-673.

[4] 吳春彩,陳玉春.一種用于監(jiān)測睡眠呼吸暫停綜合癥的壓力敏感床單[J].傳感器,2016,16(4):465.

[5] 陳翔,楊廣春,徐鵬.基于STM32的氧含量測量模塊設計[J].電子與封裝,2020,20(5):24-29.

[6] 高翔,李敏,蘇將豪,等.基于PVDF壓電電纜的睡眠質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電子器件,2022,45(4):991-996.

[7] 高開文.老人養(yǎng)老安全服務市場探析[J].中國安防,2022(6):88-92.

[8] 王立.標志變異系數(shù)在統(tǒng)計分析中的作用[J].科技與企業(yè),2014(21):191.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）