敬老院环境的网络化智能监控系统设计

引言

随着我国老龄化程度的逐步加剧，空巢老人问题凸显，并已成为老龄化问题的新焦点。据统计，目前在大城市中空巢家庭已接近30％，而京沪津三直辖市则高达33％以上。空巢老人生活能力差以及经济压力大，敬老院无疑是他们晚年生活的理想选择。将全面的网络化监控理念引入敬老院，组建网络化智能监控系统，可以提高助老助残服务品质，变革传统养老方式，主动面对未来养老领域的挑战。

之前关于助老助残技术的研究多针对一些特定功能的智能化设备而展开，并未引入全面的网络化监控理念。近年来国内外诸多单位开展了将医疗、助老助残全面网络化的研究。由台湾大学电子工程系、台北科技大学电子工程系联合开发的“带有预警机制的移动护理系统”中，用于测量老人生理参数的便携式设备通过蓝牙模块发射信号，然后接人GSM手机，通过手机短信将信息汇总于监护中心。该方法虽经GSM扩大了通信范围，但信号经手机中转使系统结构复杂，增加了成本。此外GSM辐射较大，不宜长时间连续使用。欧美医疗机构多通过WLAN(IEEE 802.11)设备接入以太网(IEEE 802.3)，较好地实现了对突发病例和紧急情况的预警和处理，值得借鉴。

随着以太网、WLAN技术的不断成熟，其传输速率、安全性和稳定性也不断提高。本文采用WLAN便携监测设备接入以太网，结合RFID、视频监视、数据库及人机界面开发等热点技术完成了老人状况和监护中心的无缝衔接。

1系统总体结构

当前我国大型敬老院、福利院大多住宿条件良好，入住率高达100％，排队入住的情况屡见不鲜。但这些机构中从事医疗监护工作的人员较少且助老助残设施相对陈旧，技术水平落后，在很大程度上限制了对老人身体健康状况的了解。

对老人的生命特征、护理情况、活动范围等信息进行实时监测，不仅可以实时了解老人当前的健康状况，还可预测老人未来的情况。敬老院网络化智能监控系统的总体结构如图1所示。老人通过便携式无线监测设备(即图1中老人身边设备)不仅能定时获取血压、脉搏、体温等生理参数，还可通过对有源RFID标签信号进行识别确定位置，通过基站接入有线网络将信息汇总于监护中心。监护中心可实时了解老人的各项信息并将其存储，以便将来分析查看。如遇紧急状况，监护中心可通过定位信息切换视频监视器，结合生理参数派出相应救护人员到达确切事发地进行救治，实现了有限人力资源的优化整合，完成了信息和视频联动监控、监控和救护的协调统一。


2网络结构设计

监控系统网络由数据监控网络(灰)和视频监控网络(黑)两部分组成，如图1所示。

2.1数据监控网络结构设计

数据监控网又分为有线网(以太网)和无线网(WLAN)两部分。

(1)有线数据监控网络

结合传统工业控制领域中总线型网络组网不便、实现成本高等问题，选用组网能力强、可靠性高、速度快、成本低、应用范围广的以太网作为有线数据监控网络部分。该部分除了用于汇总无线网络外，主要用于对老人室内的中大型、移动性差的终端设备进行监控，如公寓中的医疗护理床、空调和活动中心的各类娱乐、康复设备。

(2)无线数据监控网络

WLAN所采用的CSMA／CA(载波监听多路访问／冲突避免)型介质访问机制遵守以太网协议(CSMA／CD，载波监听多路访问／冲突检测)并与主流网络操作系统兼容，可通过无线AP完好地接入以太网而不需任何修改；WLAN的辐射远远低于普通GSM手机，更为绿色环保。此外，WLAN相对其他移动通信技术(如Bluetooth、Zig Bee)移动性好，扩展性强，传输速率高。

由于涉及WLAN的室外使用，选用TENDA的TWL5401A加装TENDA 24 dB网状型定向天线作为无线接入点。TWL5401A是户外远距离AP，采用高密封、防腐蚀、抗干扰铝机壳和IEEE802.3a／PoE以太网电源，覆盖范围广(无障碍2 km)，支持AP、点对多点、中继和无线客户端等模式，灵敏度高，配合看门狗和最新无线安全标准WPA2使得无线通信安全可靠。

 无线终端集脉搏、血压、温度传感器于一体。首先利用光电传感器通过测试血液对光强的吸收能力间接测脉搏数，然后用压力传感器测血压，最后通过温度传感器测体温。老人定位属精度较低的区域定位，故根据RFID信号采用质心定位算法便可满足要求。无线终端可采用TI公司的医用低功耗芯片，如OPT101光电传感器和FG47x系列MCU。RFID方面可选择北京烽火联拓或上海秀派公司的有源标签和阅读器。

2.2视频监控网络结构设计

视频监控网络由各类监控摄像机(全景型、低照度型等)、监护中心大屏幕和视频传输线路组成，该系统协同数据监控网络实现影像定位的联动监护，如图1所示。在需要昼夜监视的区域可选SONY SSC-DC59xx系列摄像机，确保达到低照度监视要求。

3网络通信协议的分析与应用

Ethernet／IP在以太网的基础上引入了TCP／IP，故通过使用Socket可简化监控软件的制作。此外，其抽象监控节点为对象模型，提供了一套完整的数据访问规程，促进了产品的标准化。最后，通过商用以太网硬件便可支撑Ethernet／IP底层通信网络，实现方便，性价比高。

3.1通信协议结构和数据封装

Ethernet／IP的协议层次结构如图2所示。其在TCP／IP之上定义了数据封装、应用和传输层以及用户层。应用和传输层中定义了数据访问规程(显式、I／O信息)，用户层可自定义应用对象及其对应设备行规。



Ethernet／IP数据封装在协议总体数据封装(以太网帧)中的位置如下所示，有关Ethernet／IP的具体封装格式请参看协议卷。



3.2无线终端通信模块

以无线终端的通信模块为例，将其节点内部路径化，建立对象模型如图3所示。


数据访问规程：Ethernet／IP的数据访问基于应用连接，确保了数据的安全和可靠。若尚未建立显式或I／O连接，需通过未连接报文管理器(UCMM)将报文送至报文路由器派发。通过UCMM信息经连接管理对象可建立显式或I／O连接。显式连接用于不定期数据访问(如血压值)，采用TCP问答的形式；I／O连接则通过UDP传递现场实时信息(如实时位置)。

应用对象及其设备行规：建立电子血压仪、体温计以及实时定位模块的应用对象如图4所示。集合对象对后两者的测量值绑定形成设备行规2。设备行规定义了现场所测数据的通信组织形式，行规1、2如图4所示。


以上述设备行规形式组织的数据首先被Ethernet／IP封装在其命令相关数据域中，之后依次加上IP、TCP头放人以太网帧中，从现场上传到监护中心。

4监护中心网络化监控软件设计

系统监控软件综合了网络编程、人机界面开发和数据库技术。在开发时涉及基于Socket的多线程网络编程，鉴于VC++对多线程的有力支持及其代码执行效率高等特点，选其为开发语言。考虑到数量众多的实时数据及其处理效率问题，更为了确保数据的安全，选用SQLserver作为系统后台数据库。为了减少开发代码量，提高软件执行性能，选用ADO对数据库进行操作。

监控软件功能流程展示了监护中心对某一现场节点从建立连接到数据通信的整个过程。

结语

将全面的网络化监控理念运用到敬老院环境中，通过对以太网、WLAN、RFID和视频监视等技术的综合应用完成了系统组网，在真正意义上实现了对老人全方位、全天候的联动监护。此外，在将Ethernet／IP协议引人助老助残网络的同时，给出了监控软件开发流程，完整地提供了一套安全可行的敬老院网络化智能监控方案，值得相关项目开发参考。