摘 要： 以ARM9核心處理器作為處理平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)老年人的睡眠感知系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對(duì)人體生理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的綜合分析，推斷出老年人是否已經(jīng)睡著，通過一定的閾值設(shè)定，觸發(fā)相應(yīng)的利于睡眠的控制，并且通過睡眠，推測(cè)出老年人的情緒，通過GSM模塊向子女發(fā)出關(guān)心老年人的信號(hào)，子女通過網(wǎng)絡(luò)能夠清晰地看到家里老人的睡眠狀況。
關(guān)鍵詞： 人口老齡化；多數(shù)據(jù)融合算法；GSM
隨著中國社會(huì)的發(fā)展，人口老齡化的趨勢(shì)逐漸呈現(xiàn)，老年人的問題成為整個(gè)社會(huì)的問題，老年學(xué)也成為了一門新興的邊緣科學(xué)。很多的老人在退休后，面對(duì)無所事事的生活，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種“空虛感”。特別是在老伴病逝后，與兒女分居，常常出現(xiàn)憂慮、焦慮的情況，睡眠的質(zhì)量也明顯下降，甚至有時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重失眠的癥狀，嚴(yán)重影響老年人的身心健康。再者，老年人的身體素質(zhì)逐漸下降，在夜晚特別容易突發(fā)高血壓、心血管等疾病，沒有子女在身邊，很難得到及時(shí)的救治。其次，子女雖然對(duì)父母的身體狀況和心理狀況也非常關(guān)心，但是由于工作和事業(yè)等原因，不能時(shí)刻待在父母身邊，卻沒有一種方式能夠知道父母當(dāng)前的狀況，有時(shí)甚至由于工作繁忙忘記了和父母的交流。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)、老年心理學(xué)等尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為解決老年人問題提供了有效的理論依據(jù)和技術(shù)手段。
本系統(tǒng)是一款針對(duì)老年人的睡眠感知呵護(hù)系統(tǒng)，主要目的就是為了幫助老年人提高睡眠質(zhì)量，監(jiān)測(cè)老年人的身體狀況，給子女和醫(yī)生提供實(shí)時(shí)的有價(jià)值的睡眠和健康信息，甚至通過老年人睡眠的情況為老年人指定合理的膳食，進(jìn)一步提高老年人的生活水平，最終提高老年人的幸福指數(shù)，從社會(huì)生活出發(fā)，構(gòu)建和諧社會(huì)。該項(xiàng)目具有很強(qiáng)的前瞻性和廣闊市場價(jià)值，是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)很有價(jià)值的應(yīng)用。
老年人睡眠感知系統(tǒng)是基于ARM9開發(fā)平臺(tái)的一套實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，由溫度、濕度、壓力、脈搏等傳感器進(jìn)行人體參量以及環(huán)境參量的數(shù)據(jù)采集，通過無線傳輸?shù)姆绞綄⒋罅康臄?shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給ARM9核心處理器，通過多數(shù)據(jù)融合算法、均值方差遞推算法、模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人睡眠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及相應(yīng)控制。通過友善的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)方便了老年人這一群體對(duì)于現(xiàn)代高科技電子產(chǎn)品的使用。并且ARM９將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)口，利用TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳入與之相連的客戶端，最終將整個(gè)系統(tǒng)連入互聯(lián)網(wǎng)，以到達(dá)在任何地方，任何位置，只要能夠上網(wǎng)，就能夠得知家里老年人的睡眠狀況，乃至心情狀況。
1 傳感網(wǎng)絡(luò)
本系統(tǒng)選用NRF24L01+芯片的模式。NRF24L01+是一款工作在2.45 GHz頻段的射頻芯片，引腳較少，容易控制，由該芯片構(gòu)成的通信系統(tǒng)，其通信穩(wěn)定，傳輸速率可達(dá)2 Mb/s。組網(wǎng)協(xié)議是根據(jù)工業(yè)串口的多機(jī)通信協(xié)議Modbus協(xié)議改寫而來[1]，實(shí)現(xiàn)一個(gè)主機(jī)對(duì)應(yīng)多個(gè)從機(jī)的星狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過測(cè)試，這種組網(wǎng)方式數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。程序設(shè)計(jì)框圖如圖1和圖2所示。
該傳感網(wǎng)絡(luò)主要完成對(duì)溫濕度/體動(dòng)、心率等生理參數(shù)的采集，以及完成相應(yīng)的分布式控制。
2 ARM核心處理部分
無線傳感網(wǎng)的基站將接收的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給ARM核心處理器，ARM將數(shù)據(jù)解析出來，每秒鐘進(jìn)行一次小的數(shù)據(jù)處理，將獲取的數(shù)據(jù)格式化，存儲(chǔ)到ARM內(nèi)部的小型數(shù)據(jù)庫SQLite，并且更新液晶顯示屏上的溫濕度信息[2]。每分鐘進(jìn)行一次大一點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，通過均值遞推算法、方差遞推算法、分析得到體動(dòng)變化頻率、體動(dòng)強(qiáng)度、脈搏跳動(dòng)頻率、脈搏跳動(dòng)強(qiáng)度等信息，并且在液晶顯示屏上進(jìn)行數(shù)據(jù)更新、通過多數(shù)據(jù)融合算法、模糊控制算法、每15 min進(jìn)行一次判斷、分析人是否已經(jīng)睡著，并將數(shù)據(jù)在液晶顯示屏上進(jìn)行更新、每小時(shí)進(jìn)行一次綜合評(píng)測(cè)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷分析人是否失眠，如果失眠將觸發(fā)音頻設(shè)備播放音樂以誘導(dǎo)睡眠，并且通過GSM模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給子女提示信息，如果發(fā)生意外狀況，將觸發(fā)報(bào)警控制等。為使本系統(tǒng)的觸發(fā)條件盡量不影響人的正常睡眠，采取了最小觸發(fā)的方式。
2.1 均值和方差遞推算法
均值和方差遞推算法僅需對(duì)原始數(shù)據(jù)搜索一遍，使計(jì)算機(jī)讀磁盤量減少一倍；另外在磁盤附加一些新數(shù)據(jù)和刪除一些老數(shù)據(jù)時(shí)，無需從頭算起，使計(jì)算機(jī)工作量減少到最低限度；同時(shí)還可以計(jì)算出其中任何一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)均值方差的影響大小，從而可以輔助數(shù)據(jù)分析。這是統(tǒng)計(jì)均值、方差理想的快速算法，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)變動(dòng)多時(shí)，其優(yōu)勢(shì)更加顯著[3]。
2.3 網(wǎng)絡(luò)通信
TCP協(xié)議的程序使用的是客戶端/服務(wù)器模式，在Qt中提供了QTcpSocket類來編寫客戶端程序，使用QTcpServer類編寫服務(wù)器端程序。設(shè)計(jì)時(shí)曾經(jīng)在服務(wù)器端進(jìn)行端口的監(jiān)聽，一旦發(fā)現(xiàn)客戶端的連接請(qǐng)求，就會(huì)發(fā)出newConnection（）信號(hào)，此時(shí)可以關(guān)聯(lián)這個(gè)信號(hào)到設(shè)計(jì)者自己的槽函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。而在客戶端，一旦有數(shù)據(jù)到來就會(huì)發(fā)出readyRead（）信號(hào)，此時(shí)可以關(guān)聯(lián)此信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。
3 瀏覽器網(wǎng)頁訪問部分
網(wǎng)頁以圖表的方式呈現(xiàn)出老年人的睡眠狀態(tài)信息以及各個(gè)參量，點(diǎn)擊各個(gè)圖表能夠進(jìn)一步詳細(xì)了解老年人近期的睡眠信息，通過網(wǎng)頁訪問，晚輩們能夠隨時(shí)隨地獲取家里老年人的睡眠狀況以及心情狀況。
該系統(tǒng)貼近生活，關(guān)注生活熱點(diǎn)和社會(huì)熱點(diǎn)，打破了傳統(tǒng)的睡眠監(jiān)測(cè)模式，采用無線傳輸?shù)姆绞?，解決了復(fù)雜的布線問題，是對(duì)睡眠監(jiān)測(cè)的一種創(chuàng)新。該系統(tǒng)通過模糊的處理方式，將研究的重點(diǎn)偏向于通過睡眠推斷老年人的心理，避免了復(fù)雜繁瑣的對(duì)于睡眠的精密研究，突出父母和子女間的交流以及子女對(duì)父母健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控這一重點(diǎn)，非常有現(xiàn)實(shí)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 石東海.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門到精通[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.
[2] 陳艷華，侯安華，劉盼盼.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[3] 鄧胡濱，劉覺夫，王耀南.均值方差的遞推算法及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，1996（4）.
[4] 柳小軍，鮑鴻.基于ARM9多傳感器數(shù)據(jù)融合火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009（3）.
[5] Myke Predko，田玉敏.精通8051程序設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2006.