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高龄化社会人本信息技术研究一家庭智能监护系统 摘要 中国是在经济尚不发达的阶段出现人口的高龄化和老年家庭的空巢 化，如何解决空巢家庭中老年人的监护问题已成为了社会性的难题。本 研究的目的是希望利用信息技术来实现针对空巢家庭老人的连续性、 无监督的家庭日常生活的智能监护，这样的方法一方面可以降低子女 和社会的压力，另一方面也可以消除老人对晚年的恐惧感、提高老年 人晚年的生活质量。 在分析比较国内外家庭监护技术的基础上，并考虑到老人的接受度 和系统的成本等原因，我们采用不干涉老人日常生活的无线活动传感 器、开关传感器等获取老人的日常活动数据，通过对一段时问的老人 的活动数据进行分析，建立老人的活动预测模型以进行老人活动异常 的检测。如何对传感器数据进行分析以建立特定老人的活动预测模型 是我们研究的核心问题。我们提出了基于活动量分析和基于序列模式 分析的活动预测模型建立算法，并在基于活动量分析的算法的基础上 实现了整个监护系统的硬件和软件架构的设计和实现。 该系统能在老人非察觉的状况下实现连续性、无监督的老人日常 活动的家庭智能监护，对解决空巢家庭老人的监护问题，构建以人为 本的和谐社会有着非常积极的意义。 关键词：高龄化社会，空巢家庭，老人，家庭智能监护 r e s e a r c h0 fg e r o n t e c h n o l o g y m e l l i g e n th o m em o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t c h i n ah a sb e e ns t e p p e di n t oa l la g i n gs o c i e t yw i t h u n d e v e l o p e d e c o n o m y ；t h e n u m b e r o f “e m p t y n e s t ”f a m i l i e si si n c r e a s i n g i tb e c o m e s t h es o c i a lp r o b l e mt oh o wt os o l v eh o m e m o n i t o r i n go fe m p t y n e s t e r t h e a i mo ft h i sr e s e a r c hi st od e v e l o pi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g i e st ot r a n s f o r m t h e h o m ei n t oa n i n t e l l i g e n t ，s u p p o r t i v ee n v i r o n m e n t t oh e l pe l d e re m p t y n e s t e r i tw i l li m p r o v et h e q u a ：l i 哆o fl i f ef o r e i d e r ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tw i l lr e d u c e t h e p r e s s u r eo fs o c i e t y a n dc h i l d r e n o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h eh o m em o n i t o r i n gs y s t e mh o m ea n d a b o a r d ，a n dc o n s i d e r i n gt h ec o s to ft h es y s t e ma n dt h ea c c e p t a n c eo ft h e e l d e r , w ea n a l y z et h ee l d e r sd a i l ya c t i v i t yi n f o r m a t i o ng a t h e r e db y t h ec o s t e f f e c t i v ew i r e l e s ss e n s o rt ob u i l dt h ee l d e r sa c t i v i t ym o d e l ，w h i c hi su s e d t od e t e c ta b n o r m a la c t i v i t y h o w e v e r , p e o p l eu n l i k em a c h i n e s ，e a c hp e r s o n h a v eh i so w nu n i q u el i v i n ge n v i r o n m e n t ，r o u t i n e ，a n dv a r i a t i o ni nd a i l y a c t i v i t i e s t h ep r i m a r yt e c h n i c a lc h a l l e n g el i e si nr e c o g n i z i n gt h e n o r m a l ” b e h a v i o ri ne a c hp e r s o na n dr e p o r t i n gt h ed e v i a t i o n si nam e a n i n g f u lw a y m o d e u n g b e h a v i o r sa n dd e t e c t i n gs u b t l ec h a n g e sw i l lt h e r e f o r er e q u i r ea t o t a l l yn e wa d a p t i v ea l g o r i t h ma n dm o d e l i n gt e c h n i q u e s w ep r e s e n tt w o m e t h o d sb a s e do na n a l y z i n gt h ea c t i v i t yl e v e la n dt h eb e h a v i o rp a t t e r nt o b u n dt h ee l d e r si n d o o r a c t i v i t ym o d e l w ei m p l e m e n t t h eh o m e m o n i t o r i n g s y s t e m w i t ht h em e t h o db a s e do n a n a l y z i n g t h ea c t i v i t yl e v e lm e t h o d t h i s s y s t e m c a nm a k ec o n t i n u i n g ，u n s u p e r v i s e d d a i l y l i f eh o m e i n t e l l i g e n t m o n i t o r i tw i l lc o n t r i b u t et o s o l v i n gt h ep r o b l e mo fh o m e m o n i t o ro f e m p t y n e s t e r k e yw o r d s ：t h e a g i n gt i m e ，e m p t y n e s t f a m i l y , e l d e r , h o m e m o m t o r m g 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者躲命 日期跏f 年厂月五5 日 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 篡高毋蓦蒜崩皇新虢谚己7 毋日埘，拶，日 硕士学位毕业论文 1 1 课愿背景 第一章引言 人口的高龄化是一种全球性的发展趋势，中国也不例外。按联合国分析世界人 口结构所用的定义，6 5 岁以上的老年人和6 0 岁以上的老年人分别占总人口的7 和 1 0 的社会称为高龄化社会。而根据中国人口信息研究中心的调查统计，2 0 0 0 年中 国6 0 岁以上人口比例为1 0 3 l ，6 5 岁以上人口占总人口的比例为7 1 7 【1 】，按照国际 标准来衡量，中国已经步入高龄化社会，而且在今后几十年其高龄化趋势将愈加 明显，如图1 1 所示。发达国家的高龄化是建立在工业高度发达的基础上，工业化 所积累的财富为高龄化问题的缓解提供了雄厚的物质基础和保障，而中国的高龄 化是由于人口生育率的下降及人均寿命延长的结果，超前于经济的发展。 图1 - 1 中国人口的高龄化趋势“ 社会学家把家中有老人但无子女或子女都不在老人身边的家庭称为“空巢家庭”。 近些年来，随着社会经济的发展，居住方式的变化，家庭结构的小型化，以及人 口流动的加速，子女数的减少，代际居住的分离倾向，人口预期寿命的延长，其 老人家庭空巢率正在不断的加大。1 9 8 7 年全国空巢家庭与老年人家庭的比例是 1 6 7 ，而2 0 0 0 年全国第五次人口普查数据表明，“空巢家庭”户占到老年家庭的 2 2 8 3 。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t 2 0 3 0 年空巢老年人家庭的比例将达2 0 9 0 ，届时我国老年人家庭将空 硕士学位毕业论文 巢化 2 。 1 2 问题的提出 数据来源：1 9 8 2 年人口普查，1 9 9 7 、1 9 9 9 、2 0 0 1 年人口抽查 图卜2 老年家庭空巢化趋势 上一节我们讨论了两个趋势，一个是人口高龄化的趋势，一个是高龄人口中家 庭空巢化的趋势。在越来越多的老年空巢家庭当中，由于年龄的增大，老年人机 体的生理结构和功能发生变化，在他们当中，许多人的生活照料和精神慰藉存在 问题。对于作为监护人的独生子女父母这一代，既要抚养和教育子女，又要赡养和照 顾四位老人。对他们无疑是非常沉重的负担。对于社会来说，中国是在经济尚不发 达的阶段出现人口的高龄化，社会化福利服务体系的发展水平还十分落后，现阶段 国家和社会还无力建立和发展设施先进、服务系统、项目齐全的社会福利服务体 系。而对于老人本身而言，他们也希望能够在自己的家里安居晚年。因此，如何 解决“空巢家庭”中老年人的家庭监护问题将日趋突出，并将因为问题的普及化而 演化为社会性难题。 人的一生有三分之一以上的时间是在”家”这个空间内度过，对于高龄者来说，身 体技能的退化导致其活动空间相对减小，他们在住宅空间所处的时间也逐渐增大。 而许多意外的发生的地点都是在住宅空间内。g e 公司曾经对2 1 个照顾过独居老 人或者是有早期老年痴呆症状的病人的社区服务人员做过调查1 3 1 ，他们提出了1 2 5 种可能引起这些人注意的活动事件，在这些事件中，一些是代表异常已经发生， 而另外一些事件表明有可能发生异常。根据调查的结果，排名最前的事件如下： 硕士学位毕业论文 1 ) 老人跌倒：对于老人来说，其活动能力下降，很容易出现跌倒的状况，特 别是在卫生间和厨房两个活动场所内。 2 ) 忘记吃药：相当一部分老人患有各种慢性疾病，需要按时按量的服药以保 证身体的健康，而老人随着记忆力的下降，很容易忘记准时定量吃药。 3 ) 迷路：指的是老人外出以后迷路，特别是针对有老年健忘症的老人。 4 ) 就餐：老人忘记吃饭或者是某种原因没有按时就餐。 5 ) 厨房失火：对老人来说，老人有可能忘记厨房正在烧水，造成失火。 6 ) 紧急事件：例如，老人卧床未起、身体出现异常情况等。 其他排名较前的事件还包括老人睡眠的时间和起床的时间，有陌生人侵入，老 人情绪低落等等。在出现以上这些情况的时候，往往有时候老人主观上不愿意或 者是客观上无法通知相关监护人员来获取他们的帮助。 1 3 本研究的目的和意义 目前计算机、通信等高新技术在生产、流通和商务等领域得到了广泛的应用， 但是对改善人的生活方面特别是对高龄者和弱势人群的服务的贡献率还不是很 高。我们希望能够通过信息、通信技术来建立一套针对空巢家庭老人的家庭智能 监护系统，系统能够检测到居家环境下老人的异常行为( 如忘记吃药、卧床未起、 陌生人侵入等等) 。并根据异常的种类和可信度采取相应的处理措施。系统记录的 长时间的老人的日常生活数据也可以供相关医护人员参考以作为某些疾病早期判 定的依据。这样的系统可以在非察觉的状况下实现居家环境下的针对”空巢家庭” 老人的无监督、连续性的日常生活的智能监护，一方面可以消除老年人的孤独感 和对年老的恐惧感，提高老人晚年生活的品质，另一方面也可以减轻社会和子女 的压力，对构建以人为本的和谐社会有着非常积极的意义。 1 4 本文的章节结构 第一章主要介绍了本研究的课题背景以及在该背景下出现的老人家庭监护问 题，并阐述了本研究的目的和意义。 第：二章主要对当前国内外家庭智能监护技术的研究现状进行了分析和讨论，并 硕士学位毕业论文 提出了本文的研究内容，对本研究所涉及的相关技术进行了介绍。 第三章主要讨论家庭监护技术中的核心问题一室内老人活动预测模型的背景知 识以及相关算法的现状和优缺点，并阐述了本研究提出的两种活动预测模型的建 立算法 第四章主要介绍了本研究实现的家庭智能监护系统的总体设计，包括系统运行 平台的设计和软件的系统总体设计。其中，软件总体设计包括了系统的流程控制 模块、文件存储模块、通讯模块、异常处理模块以及功能模块实现接口的定义说 明。 第五章介绍了系统的各个功能模块的设计，包括活动量异常判断模块、紧急情 况判断模块、主动请求模块、服药提醒模块、环境异常检测模块的设计思想。 第六章介绍了活动量分析算法的试验安装情况以及对试验结果的分析。 第七章是本文的总结部分，对所作的工作进行了总结，提出了研究的不足之处 并对课题的前景进行了展望。 4 硕士学位毕业论文 第二章家庭智能监护技术介绍 2 1 研究现状介绍 在世界人口高龄化的背景下，许多发达国家开展了以改善老人的生活品质为宗 旨的各种高龄化的人本信息技术的研究。一个新兴的跨领域的学 科”g e r o n t e c h n o l o g y ”在这样的背景下产生了。1 9 9 3 年荷兰爱因霍芬科技大学的 g r a a f m a n s 和b o u m a 两位教授给了g e r o n t e c h n o l o g y 如下的定义：g e r o n t e c h n o l o g y 包括了基于对高龄化的认识所开展的技术和科技产品的各种研究，这些研究的目 的都是为了给老人带来更好的生活、工作和医疗的帮助 4 1 。1 9 9 7 年9 月，国际 g e r o n t e c h n o l o g y 学会在欧洲成立，该学会提出的宗旨是”设计相关的技术产品和环 境，使老年人能够更健康、更舒适、更安全的独立生活和参与社会活动”。1 9 9 2 年 第一届国际g e r o n t e c h n o l o g y 会议在欧洲召开，2 0 0 5 年5 月底将在日本名古屋召开 以“高龄化社会智能技术一为了老人更长久的健康的、自尊的幸福生活”为主题的 第五届国际g e r o n t e c h n o l o g y 会议。 目前国内大多数针对老人的技术研究依然只是停留在医疗照顾的消极被动层 面。而在西方发达国家，特别是美国、日本，近些年，有许多大学和研究机构在 政府和社会的支持下开展了人性化的、以改善老人的生活品质为目标的各种技术 的研究工作。其中，以提供老人连续性的日常居家健康监护为目的的家庭监护技术 作为g e r o n t e c h n o l o g y 的一个重要组成部分，越来越得到各大研究机构的重视。了 解和比较国内外的家庭监护技术的现状，分析各种技术的优缺点，对于我们的研 究无疑是非常必要的。家庭监护技术的分类方法很多，可以从信号采集的渠道进 行分类，也可以从信号处理的方法或者系统运行的平台来进行分类，在这里，我 们将家庭监护技术分为三类，分别是基于活动量信号的家庭监护技术、基于生理 信号的家庭髓护技术和基于远程医疗的家庭监护技术。 2 1 1 基于活动行为分析的家庭监护技术 k e n n e t h 等人已经证明了在老人的生理技能退化或者某些疾病出现的前期会导 致心早层面或者生理层面的行为改变，通过对历史的活动记录进行观察，可以进 硕士学位毕业论文 行某类疾病前期症状的判断【5 】。s u z a n n e 等人的研究也表明了当日常的行为模式改 变时，可能代表了潜在的疾病或生理技能退化的早期征兆【6 】。澳大利亚新南威尔士 大学c e l l e r 等学者曾经发表一项以预测高龄者健康状况变化为目的的研究报告( _ ”， 他们认为，高龄者从健康、独立到生病、虚弱其实有一个渐进的过程，然而这个 过程是很漫长的、微妙的，不容易被监护人、医生、甚至老人本人所察觉。因此， 他们尝试证明从一些简单的检测，如高龄者的活动能力、睡眠模式、甚至厨具、 洗脸、如厕等的模式，便能够预先判断高龄者功能性健康状况的改变，从而发出 适当的、及时的通知以进行相应的处理，以降低高龄者的发病率，维持良好的生 活品质。 首都医科大学生物医学工程系的陈安宇教授在2 0 0 1 实现了独居老人行动分析及 异常报警系统哺l ，利用人体活动传感器检测到的信号，主动判断老人的状况，对实 现独居老人的照顾进行一种尝试。由于系统采用单片机进行计算，只能进行比较 简单的算法。系统的智能性较低。 b h a t t a c h a r y a 所提出的s m a r tr o o m 【9 】，利用居家环境中各种开关传感器、红外线 传感器等装置，来检测家庭中受测者的日常行为模式，该系统的安装结构见图2 - 1 。 o g a w a 等学者也在居家环境中设计了类似的装置，用来记录日常生活模式与家 居设备的使用情况。 图2 - 1s m a r th o m e 系统结构图【9 l 麻省理工学院建筑系和媒体实验室合作建立了”p l a c e l a b ”1 ，在p l a c e l a b 架构下 - 6 - 硕士学位毕业论文 他们研发了几种可携带的检测工具( p o r t a b l ep l a c e b a s e dr e s e a r c ht o o l s ) ，并配合一 些固定的传感器来获取室内人类活动的信号，他们也研究相关的活动量分析算法。 通用电器公司( g e ) 正在开展一项通过无线传感器技 术来实现老人监护的研究1 1 2 ，该系统称为个人应急系 统( g ep e r s o n a le m e r g e n c yr e s p o n s es y s t e m ) ，在老人 的活动空间内安装各种传感器来获取日常活动信息， 如图2 - 2 ，2 3 所示，当老人的活动与正常活动有所不同 时，该系统能够根据其异常的不同进行提醒、警告或 图2 2 人体活动传感器 者通知监护人。 美国h o n e y w e l l 公司也正在进行i l s a ( i n d e p e n d e n t l i f e s t y l ea s s i s t a n tm o n i t o r i n gs y s t e m ) 系统的研制。 通过无线传感器来获取老人的活动信息，通过算法对 这些信息进行分析判断，如果存在可能的异常情况， 则通知监护人、社区服务人员或者是家人，该系统提 供触摸屏作为外界与老人进行信息交流的渠道。 图2 _ 3 门磁传感器”1 美国维吉尼亚大学的医疗设备自动化研究中心于2 0 0 2 年的开展了s m a r t h o m e ( 智能居所) 监护系统的研究1 4 】，该系统采用低成本的传感器获取老人活动， 通过数据挖掘技术建立老人的活动模型。该系统能够实现针对不同老人的实时监 护。 i n t e l 公司在s e a t t l e 的研究院开展了c a r e g i v e r sa s s i s t a n t 项目的研究”5 1 ，通过安 装在日常生活用具中的微型传感器设备，能够获取老人的活动情况，并判断老人 是否有刷牙、进食、吃药等，该研究项目的目的是通过信息技术来帮助老人和他 们的监护人，以提高老人独立生活的能力。 匹兹堡大学与卡耐基大学合作开发的”p e a r l 项目1 1 6 】，“p e 盯l ”是一个类似机器人 的移动装置，能够安排和监督老人的室内活动。s i x s m i t h 描述了他们所研究的一个 智能家居系统 1 7 1 ，该系统已经被安装在2 2 个家庭中进行试验观察。这个系统通过 对当前老人的活动与老人的以往的活动模型进行比较来发现可能引起监护人注意 的事件。 佛罗里达大学与h e x a m i t e 公司合作进行的i n d o o rl o c a t i o nt r a c k i n g 系统“8 1 ，该 系统通过人工智能技术对老人的历史活动进行分析来预测老人可能的活动位置， 7 硕士学位毕业论文 结合家电控制技术可以为老人提供更好的服务。卡内基美隆大学的t h en a r r a t o r s y s t e m ，该系统能够对老人每日的活动进行分析，老人的家人或者是监护医生能 够借助该系统得到简洁扼要的、量化的老人的每日活动报告。 美国乔治亚理工学院开展了”a w a r eh o m e ”的研究1 2 0 1 ，该系统通过来摄像头获取 老人家中现场的实时图像，监护人或者其子女能够通过互联网观察到老人目前的 活动状况，另外该系统也具有提醒老人进行某个活动的功能，例如，提醒该老人 应该吃药，提醒老人喂食宠物等，并将这些活动进行保存分析以便监护和医护人 员了解老人近段时间的活动状况。 此外，在日本，法国等发达国家，也有许多研究机构开展了基于人体活动传感器 的家庭监护技术的研究。如日本国立长寿研究所老年学部1 和法国的系统结构分 析实验室阎等。 目前国外已经有正式投入使用的能进行家庭健康监护的住宅，如美国波特兰市郊 的”燕麦庄园” 2 3 1 ，在该庄园内，卧室内床铺上的传感器可以获取居住者的体重和睡 眠时的翻身的次数，红外线传感器可以判断人是否下床，在马桶上设置的传感器 可以获取使用者的脉搏、体温和判断是否有脱水。当然，目前该庄园的入住费用 还是非常昂贵的。 2 1 2 基于生理信号的家扇监护技术 通过生理传感器可以获取老人当前的生理参数以判断当前老人的身体健康状 况，生理参数包括心电、血压、呼吸，血糖、体温等，该监护方法不仅能够有效 的解决患有慢性病的老人的家庭的日常监护，也能跟踪健康老人的身体状况以及 早发现疾病的早期症状。 国外对于此类监护技术的研究也非常多。m o t o r o l a 公司目前正在进：f y m o t o h e a l t h 项目的研究矧，该项目能对慢性病病人提供更密切的脓护。m o t o h e a l t h 技术采用 经美国食品和药物管理局核准的身体传感器，病人可以通过摩托罗拉的手机把他 们的身体状况的数据传送到医院或者诊所。这种方便而准确的移动监护方式将有 可能取代常规的家庭监护设备，使慢性病病人有更多的活动空间。维吉尼亚大学 通过传感器来检测脚步的频率瞄】，用来判断老人是否跌倒以及分析发现是否有骨 关节炎的前兆。另外，他们也进行了智能椅的研究，该设备能够在检测老人的呼 吸和心率，作为老人健康与否的判断依据。 8 一 硕士学位毕业论文 卫生问健康监护系统 从健康监护的角度来说，卫生间是家庭环境中的非常重要的场所，盥洗和如厕 设备是每个人每天都必须使用的设备，如厕设备( 如马桶) 也是传感设备与人体 肌肤最有机会直接接触的家居装置。借助于安置在厕所内的检测设备，我们可以 在被监护人非察觉的状况下收集非常宝贵的长期、持续性的生理数据。三菱 ( m a t s u s h i t a ) 在东京建造的 w a r ps q u a r e 皿”是 一个监护老人的健康之家，其中安装传感器 的马桶可以量体重、体脂肪以及卧室心电图， 血糖的测量等，这些健康监测资料可以提供给 医生作为诊断的依据。日本松下电器2 0 0 3 年1 月 图2 - 4 松下e h i i 中的马桶睇“ 1 1 日展出的洳h o u s e 中，架构了2 1 世纪新住 宅的架构，其中包括图所示可以测量体重、脂肪度、体温和血压等资料的马桶， 全部的健康资料可以在马桶边的小屏幕上显示，资料可以保存和传送到监护中心， 配合其他一些资料可以进行健康趋势的判断。日本著名的卫生用具制造公司t o t o 也开发了w e y o u 健康监护马桶【2 剐，不但可以测量体重、脂肪、血压、心跳等， 更可以借助一个可收缩的小型机械手臂勺子，采集尿样以测量使用者尿液中的尿 糖、尿蛋白等指标。医学研究表明，大肠癌等癌症常伴随有排便习惯与分量的改 变，t a t s u o 等人建立的健康检测系统t 2 9 1 和y a m a k o s h i l 3 0 1 等人设计的马桶，都是借助 于被监护人如厕前后体重的改变来分辨排泄物的重量。i d e o 公司所研发的浴室镜可 检测心跳、血压等资料并发送给医生l 。k a w a r a d a 等人所发表的研究中3 2 1 ，在安 置在浴缸内的电极给予微量的电流，可从水的传导量来检测心电信号。t a t s u o 等人 的以卫生间内的健康检测为题的研究中2 9 1 ，也以相同的方法在浴缸内检测心电信 号，同时借助与马桶上的传感器来直接测量e g g 。 睡眠期间健康监护系统 老人的睡眠情况是其健康判断的重要依据之一，借助于睡眠情况的监测我们可 以来评估老人的睡眠情况并根据行为异常的微妙变化来检测疾病发生的可能性。 目前已经商品化的睡眠生理检测设备大多是属于佩戴式的装置，如p r o t e c h 公司 所生产的各项睡眠生理检测设备3 3 】，虽然佩戴式的翻身检测装置、呼吸检测装置 9 硕士学位毕业论文 等非常轻巧，但是还是会影响使用者的睡眠质量，另外传感装置需要连接大量的 信号线，也对使用带来了不便。如果要在日常家居环境中长期、持续性检测睡眠 质量，最理想的一种检测方式在不需要佩戴传感器装置的前提下，在老人非察觉 的情况下进行睡眠期间生理特征的检测。为了在非察觉的状况下检测睡眠时身体 的动作，t a m u r a 用床上的温度传感器t 3 4 ， 利用身体动作而造成的温度变化的方法，来 判别身体活动的情况。t a m u r a 也尝试采用 了光感传感器来检测睡眠时身体的动作1 3 5 。 h a r a d a 等所研究的睡眠检测装置1 3 4 1 ，借助于 枕头下的压力传感器来检测睡眠时的身体 匿 2 - 5 压力传感器获取的睡眠姿态m 活动情况。松下公司设计了一款安装有传感 器的床【2 7 i ，电脑能够自动记录老人的睡眠时间等生活作息，如果每天老人卧床过 久，或出现其他异常状况，电脑会自动发送电子邮件通知监护人或监护中心。该 设备主要针对独居老人。日本n i s h i d a t 3 7 1 等人设计的，h e l a t h c a r es u p p o r t i n gr o o m ”， 其中包括摄像头、麦克风、布满压力传感器的床与生理传感器等装置，由此来检 测被监护入睡眠的状况，借助与压力传感器获取的压力点分布的情况可以观察被 监护人睡眠姿势的变化情况，如图2 5 所示。 2 1 3 基于远程医疗的家庭监护技术 借助各种传感器技术及通信技术的发展，远程医疗已经成为了一种新兴的医疗 模式。最早在1 9 5 9 年美国n e b r a s k a 大学利用交互式电视0 a t v ) 进行精神疾病的问 诊1 3 8 】。同年加拿大的j u t r a 也利用同轴电缆( c o a x i a lc a b l e ) 来传送放射性x 光图像。 随着宽带网络的普及和相关技术的成熟。远程医疗成为了热点。根据纽约w a t e r f o r d t e l e m e d i c i n e p a r n e r s 的报告 】，远程医疗的产值在1 9 9 8 年已经达到了1 3 8 亿美元， 每年的产值以4 0 的速度增长，预期到2 0 1 0 年，全球有1 5 的医疗行为将以远程 医疗的方式进行。 目前远程医疗可以分为两大类，一是利用宽带网络简单的提供医生与患者的通 讯的渠道。另一种则是利用各种医疗装置，患者进行简单的操作，远端的医生可 以获取患者的各项生理数据。 国内开展较多的是针对心电的远程监护。湖北大学王红心提出的通过g p r s 实 现的用于远程监护中的数据传输系统【4 0 】，该系统具有很好的集成性，可以很方便的 一1 0 硕士学位毕业论文 与医用监护仪器或模块进行连接，构建具有移动数据通信功能的监护仪，从而实 现对心电、体温、血压等基本生理参数的远程采集和传输。该系统还具有语音和 短信通信功能，可实现使用者和远程监护中心之间的实时交互功能。南京大学电子 科学与工程学院乔勇等提出的家用心电远程监护系统【4 1 】。上海交通大学图像分柝 与机器智能实验室提出并实现了家庭远程医疗监护报警和咨询智能系统 4 2 】。该系 统运用数据融合、数据挖掘、小波分析、模式识别、人工智能的方法对通过摄像 头获取的现场信息进行分析，来实现远程的监护，系统采用了家庭医疗监护仪、 可控万向云台等设备，其成本较高，主要针对病人监护。天津大学提出的基于无 线通讯网络的心电远程监护系统 4 3 】。中国医学科学院和中国协和医科大学生物医 学工程研究所提出的心电远程监护系统h 4 】，该系统采用由患者佩戴的袖珍式心电 监护盒，对其心电进行监护和初步分析。在需要时能够将已存储或实时的心电信 号通过公用电话网传送至医院的监护中心。华中科技大学电子与信息工程系提出 了血压远程监护系统【4 5 】，利用g s m 网的s m s 短消息服务功能，对高血压患者的 血压进行实时自动检测、分析、语音提示和指示治疗。浙江大学提出的基于i n t e r n e t 的家庭远程心电监护系统晰1 。山东大学钟凌惠等也进行了家庭远程医疗监护数据 的传输和处理的研究【4 ”。 2 1 4 家鹰监护技术总结 以上我们讨论了国内外的家庭健康监护技术的研究现状。对于基于远程医疗的 家庭监护技术来说，该技术主要针对的是病人，其目的是消除病人与医院地理上 的距离，一方面可以使医疗资源得到更好的利用，一方面也方便了病人，但是缺 点是该技术不能提供连续性的无监督的日常监护，另外，相对来说其实现的成本 也较大；通过采用生理传感器来采集家居环境中被监护人的生理数据能够比较准 确的获取实时的老人的健康参考参数，目前国外也有较多的研究机构开展此类的 监护技术的研究，该技术需要有特定的安装有各种传感设备的家居产品的支持， 另外，国外针对此类技术的重点是放在如何在尽可能不干扰老人正常生活的情况 下来进行相关的生理数据的采集。对于基于活动量信号的家庭监护技术来说，系 统大多采用无线的活动传感器、开关传感器等来获取老人的日常信息，相对于前 两种监护技术来说，其实现成本较低，容易安装并且能够在被监护人非察觉的状 况下实现连续性的日常监护，使用该技术的关键是如何建立基于时序、位置的传 感器信号的老人活动规律的识别算法，以作为老人行为异常的判断依据。对我们 一1 1 硕士学位毕业论文 的整个研究来说，了解和比较国内外的各种家庭监护技术，总结各种技术的优缺 点，是十分必要的。我们的研究必须建立在了解国内外的研究现状的基础上，充 分考虑到技术上的可行性，系统的总体成本，老人的接受度等各种影响因素，来 进行适合我国国情的人性化的家庭监护系统的设计和开发。 2 2 本研究的内容 我们研究的目的是要利用信息、通讯技术来实现针对空巢家庭老人的无监督、 连续性的居家环境下的智能监护系统，我们对老人可能出现的各种异常事件进行 了分析，考虑到通过信息技术实现这些异常事件发现的可能性和准确性，我们将 老人家庭监护重点放在以下几点：。 活动量安全监护：检测老人活动量水平是否有异常，根据老人以往的活动 量情况判断当前活动状况的正常与否。同时系统记录的一段时间内老人活 动量的变化情况，可供相关医护人员参考以进行生理和心理疾病的早期检 测。 紧急情况监护：分为主动和被动紧急情况的发现，主动由老人按呼叫按钮 来发送要求帮助消息，被动则是由监护系统来发现老人的异常紧急情况， 如卧床未起、外出未归、跌倒等。 环境安全监护：监测是否有盗贼，煤气泄漏、火灾等。 服药提醒监护：提醒老人什么时候应该服药，应该服什么药和服多少，当 老人服错药或者未按时服药时，系统做出提示。 主动请求服务功能：当老人需要服务时( 如洗衣服、打扫房间等) ，能够 通过系统提供的直观的界面向社区服务中心提交申请。该功能主要是为我 们研究的另外一个课题一高龄化社会的互助时间银行服务。 从人性的角度看，如果研究不考虑到老人的需求、期望度、接受度、局限性， 其结果必然是失败的。人性化的监护技术必须考虑到以下几点： 1 ) 充分考虑到老年人的隐私权。 2 ) 尽量不干涉到老人的日常生活。 3 ) 面向弱势人群，要求操作简单、使用方便。 4 ) 需要考虑到系统的成本以及系统安装的容易程度 一1 2 硕士学位毕业论文 考虑到以上几点，我们采用不干涉到老人日常生活且容易安装的无线人体活动 传感器、开关传感器及通过流量传感器获取的水、电、煤表的数据来迸行老人日 常活动信息的收集，采用嵌入式芯片的家庭控制器负责收集、处理来自传感器的 数据，当发现有异常情况时，根据预先设置的方法进行处理，提醒老人或通过电 话、短消息、网络等通信媒介通知相关的监护人员，家庭监护系统的结构如图2 6 所示。 图2 - 6 监护系统结构图 要实现以上监护功能，我们需要建立特定老人的日常活动知识库，老人的日常 活动知识库作为老人活动异常的判断依据。知识获取途径有两种。 1 ) 人工输入，包括传感器的对应关系、老人的资料、老人的服药的安排等等。 2 ) 机器学习，对于不同的老人和同一老人的不同时期，其活动规律模型都不 一样，我们需要对通过传感器获取的日常活动信息进行推理分析，建立特 定老人特定时期的活动预测模型。 图2 7 知识获取方法 一1 3 硕士学位毕业论文 对于活动量异常判断模块来说，我们需要通过对一段时间内的老人的日常活动 数据进行分析，建立老人的活动预测模型以便进行老人活动量异常的发现，通过 传感器等获取的活动数据只是老人目前所在位置和时间等简单的信息，如何根据 传感器的输出的时间、位置的频率分布以及时序关系进行复杂的室内人类行为模 式的分析是我们研究的重点问题之一。另外，老人的活动模式不是一成不变的， 随着老人年龄的变化或者季节的变化，其活动模型也会相应的变化。因此系统在 建立老人活动预测模型的时候需要考虑到系统应该具有动态修正模型的功能，能 够实时准确的反映老人当前的活动规律。 整个监护系统运行在嵌入式设备当中，在对当前嵌入式系统进行分析和比较以 后，我们决定采用a r m 9 + e m b e d d e dl i n u x + e m b e d d e dj v m 这样的组合作为系统的 运行平台，对于嵌入式l i n u x 来说，目前的基于a r m 9 的开发板大多已整合了不 同版本的h n u x ，而嵌入式j a v a 虚拟机则需要我们进行移植，并且需要对一些底层接 口进行j n i 的开发，使j a v a 程序能够访问用c 语言开发的底层接口调用函数。因 此，嵌入式l i n u x 上j a v a 支持平台的移植是我们研究需要做的工作之一。 该系统能够在老人非察觉的状况下检测到老人家中的活动异常情况( 例如，早 上卧床未起、厨房失火、未能按时服药、活动量持续异常等等) ，并能够根据异常 的种类和可信度采取相应的处理措施，如语音提示、要求确认安否或者直接通知 相关人员，实现针对空巢家庭老人的连续性的、无监督的智能监护。提高老人独 立生活的能力，降低社会和子女的压力。 2 3 本研究涉及的相关技术介绍 2 3 1 传感器技术 在家庭监护系统中，传感器是用来获取老人的健康状况原始数据的。传感器的 种类有成千上万，我们将与老人监护相关的传感器分为三类。 第一种是图像传感器，可以用来获取老人家中的现场图像以供分析使用，根据 元件不同分为c c d 和c m o s 【4 引。c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合元件) 是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ，金属氧化物半导体元件) 则应用于较低影像品质的产品中，它的 一1 4 硕士学位毕业论文 优点是制造成本较c c d 更低，功耗也低得多。对于家庭监护而言，我们可以考虑 选择c m o s 技术的图像传感器以降低成本。 第二种是人体活动传感器，用来检测室内老人的活 动信号。活动传感器的种类有光电传感器【4 9 ，包括可 见光和红外线传感器，后者比较常用，其灵敏度和可 靠性较高。 磁敏开关，如霍尔元件、干簧管、磁敏 二级管等。其灵敏度比较差，探测范围也小。人体活 图2 - 8 无线红外线传感器 动传感器还包括有微型雷达传感器、压力陶瓷传感器 等等。另外，安置在家具、电器上的门磁开关传感器 以及安装在煤气、水管等管道内的流量传感器也是可以作为老人活动量信息的来 源。 第三种是各式各样的人体生理传感器，用来 采集老人当前的生理数据以进行老人健康状 况的分析。目前，新一代数字化医疗仪器一以 生理传感器为核心的穿戴式生物医疗一起正 逐渐引起社会的关注冈。例如，无损血糖监 测仪，可将窗内起景于人体皮下，随时监控血 糖含量，并向外传送监测报告。以及光电式无 损微型血压计、脉冲式血氧饱和度测量计、脂 图2 - 9 脉冲式血氧饱和度测量计 肪测量仪、心电测量仪、手持式超声医学成像 仪等等。 2 3 2 嵌入式技术 目前嵌入式技术己经渗透到日常生活中的各个方面，在工业、服务业、消费电子 等领域的应用范围不断扩大，在家庭监护技术上，嵌入式设备是整个监护系统的 大脑，它负责进行老人信息的收集、分析，并根据分析的结果进行相应的处理。 嵌入式系统是软件和硬件的综合体，同时还可以涵盖了机械等一些附属装置。一 般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：嵌入式微处理器、存储器、输入，输 0 o ) 接口和软件剐。其中，软件包括了嵌入式的操作系统和应用软件，国外著名 的处理器生产厂商( 如m o t o r o l a 公司、i n t e l 、a m d 、日立、n e c 、e p s o n 等) 纷纷 推出各自的嵌入式微处理器，最具有代表性的是：m o t o r o l a 公司的p o w e r p c 系列、 1 5 硕士学位毕业论文 i n t e l 公司的s t r o n g a r m 系列、a m d 公司的x 8 6 系列等等。目前主流的嵌入式操作 系统有v x w o r k s 、w i n d o w s c e 、q n x 、p a l mo s 和嵌入式l i n u x ，在进行家庭智能 监护系统的开发之前，一个好的系统运行平台的选择是通向成功项目的关键。这 些决定包括选择处理器和嵌入式操作系统、开发工具等，旦产品进入开发，改 变以上任何一个都会导致时间和金钱的浪费。 图2 - 1 0 嵌入式平台架构图 2 3 3 嵌入式j a v a 虚拟机技术 j a v a 语言最初的设计企图是想应用于控制消费性电子产品。j a v a 的优点在于它 是个简单的、面向对象的、安全性高、架构合理的、可移植的、高性能的、多 线程的、动态的语言。但是对于最初的小型的电子设备来说，要得到能够运行j a v a 程序所需要的处理能力和内存量显然是太昂贵了。随着内存和3 2 位处理器价格的 下降以及嵌入式网络应用的需求，j a v a 在嵌入式领域迎来了新的机会。我们选用 j a v a 语言作为家庭监护系统的开发语言，要在嵌入式设备上运行j a v a 开发的程序， 必然涉及到嵌入式j a v a 虚拟机的选择。目前比较有名的嵌入式j v m 有s u n 公司的 j 2 m e 、k a f f e 、b l a c k d o w n 、w o n k a 、w a b a 等等，不同的j v m 支持的硬件体系也 不同，对于我们来说，虚拟机的性能、支持的硬件体系、版税、类库的兼容程度、 相关接口的支持等都是我们在进行虚拟机选择时需要考虑的地方。嵌入式j a v a 虚 拟机与整个系统平台的关系如图2 1 0 所示。 2 3 4 通信技术 近些年了，通信技术的发展非常迅速，在家庭监护系统中，有两个部分涉及到 通信技术，包括信号的采集以及发现异常后的报警处理。考虑到系统的安装的容 一1 6 硕士学位毕业论文 易程度，在信号采集方面，通常采用无线射频技术。信号接受装置接受经过编码 处理的射频信号，经过译码处理来获取当前发生的传感器d 号。对报警处理而言， 当系统判断老人的当前状况有异常时，通过特定的通信设备向外界进行报警，可 能采用的通信方法包括固定电话、移动电话、短消息、社区局域网、互联网等等。 2 3 5 家庭自动化技术 家庭自动化技术为家庭监护提供了更多的信息来源，家庭监护的控制器可以获 取家庭中的家电的使用状况作为老人当前活动状态的判断依据之一，该技术也提 供了家电控制的功能，为老人获得更好的生活护理提供了可能。目前全球著名的 家庭自动化通信协议系统有：c e b u s 、欧洲的b a t i b