基于无线体域网技术的老人健康监护系统的设计

基于无线体域网技术的老人健康监护系统的设计

轩运动１，２　赵　湛１　方　震１　杜利东１　耿道渠１，２　史要红１，２

（传感器国家重点实验室（中国科学院电子学研究所）　北京　１００１９０）

（中国科学院研究生院　北京　１０００４９）

（ｘｕａｎｙｕｎｄｏｎｇ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ）

Ａ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｂｏｄｙ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｅｌｄｅｒｌｙ　Ｈｅａｌｔｈ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

Ｘｕａｎ　Ｙｕｎｄｏｎｇ１，２，Ｚｈａｏ　Ｚｈａｎ１，Ｆａｎｇ　Ｚｈｅｎ１，Ｄｕ　Ｌｉｄｏｎｇ１，Ｇｅｎｇ　Ｄａｏｑｕ１，２，ａｎｄ　Ｓｈｉ　Ｙａｏｈｏｎｇ１，２

１（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０）

２（Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９）

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｃｈｉｎａ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｒａｎｋｅｄ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｅ　ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　ａｇｉｎｇ　ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ　ｅａｒｌｉｅｒ　ｔｈａｎ　ｗｅ　ｈａｖｅ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ　ａｇｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｗｉｌｌ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｏｃｉａｌ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ｆｏｒ　ａ　ｌｏｎｇ　ｔｉｍｅ．Ｔｈｅｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ　ｅｎｔｉｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　ｈａｖｅ　ｐａｉｄ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｇｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈｅｈｅａｌｔｈ　ａｎｄ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｇｉｎｇ．Ｈｅａｌｔｈ　ｃａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｅｃｔｅｄ　ｂｙａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｌｙ　ｏｆ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｃａｒｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｈｅａｌｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｇｉｎｇ　ｐｅｏｐｌｅ．Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ　ｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｈａｖｅ　ｒｅｓｕｌｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅｃｒｅａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｎｉａｔｕｒｅ，ｕｌｔｒａ－ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ，ａｎｄ　ｗｅａｒａｂｌｅ　ｈｅａｌｔｈ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ＷＢＳＮ（ｗｉｒｅｌｅｓｓｂｏｄｙ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ）ｆｏｒ　ｓｅｎｉｏｒ　ｃｉｔｉｚｅｎｓ　ｈｅａｌｔｈ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｓｅｎｓｏｒｓ，ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｄａｔａ　ｍｉｎｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｃｏｌｌｅｃｔｓ　ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｐｅｒｓｏｎａｌ　ｓｅｒｖｅｒ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ａ　ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｓｏｎａｌｓｅｒｖｅｒ　ｕｐｌｏａｄｓ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｔｏ　ａ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｓｅｒｖｅｒ　ｃｅｎｔｅｒ　ｂｙ　３Ｇｎｅｔ　ｏｒ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ．Ｔｈｅ　ｄｏｃｔｏｒｓ　ｗｉｌｌ　ｇｉｖｅ　ｔｈｅｓｅｎｉｏｒ　ｃｉｔｉｚｅｎｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅｙ　ｄｉａｇｎｏｓｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｈｅａｌｔｈ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｃｈｅａｐ　ａｎｄ　ｓｕｉｔ　ｆｏｒ　ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｄａｉｌｙ　ｌｉｖｉｎｇ　ｏｆ　ｓｅｎｉｏｒ　ｃｉｔｉｚｅｎｓ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｂｏｄｙ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ａｇｉｎｇ；ｈｅａｌｔｈ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

摘　要　随着我国进入老龄化，老年人的健康监护越来越受到人们的关注，传统的健康监护模式已不能满足需求．而传统的面向家庭用的监护系统比较少，而且功能比较单一、操作性比较复杂、实时性差、价格比较昂贵．近年来伴随着ＭＥＭＳ技术、集成电路技术、无线通信技术的不断进步，无线体域网系统（ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｂｏｄｙ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ）得到长足发展．基于无线体域网技术的应用系统也越来越受到人们的重视．设计了一种基于无线体域网技术的老年人健康监护系统．介绍了基于无线体域网技术的老年人健康监护系统的系统总体架构，重点介绍了无线体域网节点的设计以及无线体域网的系统构成．无线体域网节点包括无线心电与脉搏节点、无线血氧与体温节点．并介绍了各个生理参数的检测方法与检测电路．最后给出了生理参数的检测结果以及智能终端上的处理显示结果．

关键词　无线传感器网络；体域网；老龄化；健康监护

中图法分类号　ＴＰ２１２

　收稿日期：２０１１－０７－０６

　基金项目：国家“八六三”高技术研究发展计划基金项目（２００９ＡＡ０４５３００）；国家自然科学基金项目（６０９７１０７１）

一个国家６５岁以上的人口占总人口的比例超过７％，就进入了联合国定义的老龄化社会．目前我国的６５岁以上的人口已经超过１亿．到２０４０年，我国老龄人口将急增到４亿左右，占我国总人口的２５％，而且这个比例还将不断攀升．另外随着我国社会经济的快速发展，生活方式的变化，以及人口流动的加速，子女数的减少，人口预期寿命的延长，老人家庭空巢率正不断的加大［１－２］．近１０年来，我国空巢家庭一直呈上升之势，２０００年全国第５次人口普查数据表明，“空巢家庭”户占到老年家庭的２２．８３％，而２００４年上升到２５．８％．在一些大城市，空巢家庭问题更为突出．随着独生子女的父母步入老年，空巢家庭将成为我国老年人家庭的主要形式，预期到了２０３０年空巢老年人家庭的比例将达到９０％，届时我国老年人家庭将空巢化．老年人的健康问题越来越受到关注．美国佐治亚理工学院针对孤寡老人家庭开展了“ＡｗａｒｅＨｏｍｅ”项目．此项目通过很多传感器，获取老人在家里的生活状况，亲人家属或者监护人可以通过互联网实时了解老人的活动状况．本系统还可以对老人进行一些生活的提示，也可以对老人的生活规律进行存储分析，方便监护人或者医护人员了解老人近段时间的生活状况．美国霍尼韦尔公司实验室研究开发了Ｉ．Ｌ．Ｓ．Ａ（ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｉｆｅｓｔｙｌｅ　ａｓｓｉｓｔａｎｔ）系统．本系统采用无线传感器网络的方法，来检测并辅助老人的日常生活．当出现紧急情况时，系统会及时地通知家属或者监护人．并且它是一个多功能的系统，包括感知模型、情景评估、定时响应、实时响应、机器学习等［３］．

通过对老年患者的疾病构成进行调研发现：高血压、心脑血管疾病、肺部疾病、糖尿病等是老年人常见的疾病［４－５］．这些疾病要求对心电、血压等生理参数实时的监测，发现意外情况时及时采取措施，才能避免病情突发．目前老人能够享受的健康监护资源，往往集中在医院等专业机构．面向家庭用的监护系统比较少，而且功能比较单一、操作性比较复杂、实时性差、价格比较昂贵．

本文介绍了一种智能型基于物联网技术的健康监护平台，它通过穿戴在被监测对象身上的无线传感器节点来感知生理参数，由无线体域网进行数据的收集．收集的数据上传到智能终端上，由智能终端进行数据处理、显示、分析等操作．如有跌倒等意外情况发生，可以及时通知监护人或者亲人．由个人智能终端分析得到的有用数据将通过互联网、广播电视网、手机通信网等现有网络发送到医院、社区服务中心等专业医疗结构．由医疗人员诊断后回传到被

测对象的智能终端上．整个系统几乎不影响被监测对象的日常活动，因此能在一个舒适的监测环境下可实现长时间的实时监测．

本文首先介绍了基于无线体域网的老年人健康监护系统的总体架构．重点研究了无线体域网节点的设计以及无线体域网的搭建．无线体域网节点包括无线心电脉搏采集节点、无线血氧体温节点．并介绍了各个生理参数的检测方法与检测电路．文章最后给出了生理参数的检测结果以及智能终端的处理与显示结果

．

图１　系统总体架构

１　系统总体设计

基于无线体域网技术的老人健康监护系统融合了传感器技术、无线通信技术、嵌入式技术等．它可以实现在不影响老人日常活动情况下，利用可穿戴式的无线传感器节点收集老人的平时的生理信息，记录下老人一天生理信号的变化轨迹．并且对这些信息进行数据分析，判断意外情况的发生以及告知老人身体状况，并把分析结果发送给远端的医疗服务中心或者监护人．方便监护人时刻监测了解老人的身体状况．医疗服务中心结合这些数据以及数据库的以往数据对老人的身体状况进行分析诊断，并把诊断结果通过现有网络反馈给老人或者是老人家属．

它能对被监测对象实时数据动态采集和传输，使用户足不出户便能享受医疗资源．本系统可划分

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３计算机研究与发展　２０１１，４８（增刊）