[0001] 本发明涉及一种用于监测老人身体状态的老人身体状态监测装置。

[0002] 随着生活水平的不断提高以及城市老龄化比例的提高，人们越来越关注健康问题，医疗监测设备的家庭化逐渐成为了趋势。在中国，60岁以上的老年人及不能独立生活的人口占全国总人口的10％。这些老年人和残障人士需要大量的看护服务。从某种意义上讲，如何对老年人和残障人士进行全方位的服务是社会进步和文明的表现，是摆在当今人们面前的一个重要课题。

[0003] 目前，国内在独居老人远程监护方面的研究还不多，首都医科大学在2001年实现了独居老人行动分析及异常报警系统，利用监测到的信号，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。上海交通大学图象分析与机器智能实验室提出并实现家庭远程医疗监护报警和咨询智能系统，由于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。

[0004] 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开展对这一课题的研究工作。美国维吉尼亚大学于2002年的开展了智能居所监护系统的研究，该系统通过在卫生间、浴室和褥子下面安装感应器获取老人活动，实现针对不同老人的实时监护。只是需要布置大量的传感器。日本国立长寿研究所老年学部也提出了一种针对老人的无监督的健康监护的实现方法。

[0026] 下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

[0027] 如图1所示，一种老人身体状态监测装置，它包括终端人体状态监测仪、协调器和监控中心，终端人体状态监测仪通过绑定和无线的方式与协调器连接，监控中心通过USB接口和协调器连接。

[0028] 终端人体状态监测仪，佩戴于被监测人的腰部，用于监测和传送状态信息；

[0029] 协调器，通过绑定和无线的方式与终端人体状态监测仪连接，初始化无线网络和接收来自终端人体状态监测仪监测获得的人体状态信息；

[0030] 监控中心，对来自协调器转发的终端人体状态监测仪的数据进行分析、显示，并对老人的异常状态做出及时响应，也可通过互联网及GSM网络与外界取得联系，提醒监控人对紧急状态采取相应的措施。

[0031] 协调器为ZigBee协调器，包括ZigBee无线模块和扩展底板，用于初始化ZigBee无线网络和接收人体状态信息。

[0032] ZigBee协调器建立一个网络后，终端人体状态监测仪开机后自动加入网络，并通过绑定的方式和协调器建立连接，通过监测仪上的菜单选择“发送数据”，开始进行身体状态的监测，并将状态信息发给协调器，协调器将这些数据信息通过串口发送给PC机，上位机软件通过对数据进行分析和显示，并对老人的异常状态做出及时响应，亦可通过互联网及GSM网络与外界取得联系，提醒监控人对紧急状态采取相应的措施。老人通过直接按终端人体状态监测仪的紧急按钮，直接发送紧急状态信息。

[0033] 如图2所示，终端人体状态监测仪包括微处理器、电源稳压模块、显示模块、按键和加速度传感器，微处理器分别与电源稳压模块、显示模块、按键和加速度传感器连接。

[0034] 终端人体状态监测仪配有一块用于显示功能菜单和提示信息的显示屏，四个按键，功能分别为“上”、“下”、“取消”、“确认”。开机后，终端监测仪的屏幕上显示功能菜单，分别为“网络信息”、“连接网络”、“发送数据”、“紧急报警”。

[0035] 选用OS128064P作为显示屏。绘制PCB版，制作底板，加工外形，完成装置整体硬件设计。为了便于老人携带和使用，监测仪使用两节七号电池供电。在正常工作模式下，两节七号干电池可支持一个终端监测仪工作3到6个月，甚至更长。终端监测仪的尺寸为65mm×35mm×20mm，重量仅80g，体积小巧，便于人体携带。

[0036] 选择加速度传感器作为判定人体状态的依据，使用了MMA7260三轴加速度传感器从XYZ三个方向来同时获取老人身体运动，提高了监测仪的精度，减少了监测仪的体积。

[0037] 加速度传感器为MMA7260单芯片三轴加速度传感器，测量人体活动时三维的加速度信号，三个相互垂直方向上的加速度由G-Cell传感单元感知，经过容压变换器、增益放大、滤波器和温度补偿后以电压信号输出。

[0038] 终端监测仪以ZigBee网络中的RFD作为核心设备，以一定周期采集终端监测仪的底板上的加速度传感器MMA7260的三轴加速度电压值。完成姿态判断后，向协调器发送状态数据信息，并可在需要的时候发送求救信息和接受提示信息。网络的传输距离可在以协调器为中心的10到100米的范围内，可满足家庭等一般性环境。人体状态监测系统可同时对多个对象的人体状态进行监测。每个监测对象根据加入网络顺序的不同分配有不同的ID，以区分不同的用户。当需要更换电池而关闭终端人体状态监测仪的电源或其它情况导致暂时失去网络连接，只需重新打开电源，监测仪便会自动以原来的ID重新加入到网络中，保持采集状态的连续性。

[0039] 通过人体状态监测仪内置的传感器，采集到状态数据，对合理数据迅速提取分析，传递给协调器。现可监测的人体状态有：站立、躺下、卧倒、慢跑、左侧卧倒，右侧卧倒，摔倒，紧急状态这八种状态。

[0040] ZigBee协调器主要负责建立ZigBee网络，与各个终端设备进行绑定，完成对来自终端设备的数据接收和转发。

[0041] 由于ZigBee无线技术具有低功耗、低成本、近距离，工作在免执照频段等特点，适用于本文描述的家庭环境中对老人身体状态的监测。

[0042] 协调器的硬件部分使用的是成都无线龙公司的ZigBee开发套件，包括ZigBee无线模块和扩展底板，协调器的尺寸为70mm×55mm×25mm，体积小巧，便于与计算机相连。另外还需要一根用于连接ZigBee协调器和计算机的串口线，以及为ZigBee协调器供电的220V-5V的DC电源。

[0043] 监控中心负责对来自ZigBee协调器转发的终端人体状态监测仪的数据进行分析、显示，可同时对四位老人进行监测。老人ID、身体状态信息以及时间等信息实时记录到数据文件中，通过对数据文件的访问，可以分析和获取老人近期的活动情况。通过对软件的相关选项进行设置，当老人出现跌倒，紧急情况，紧急求助三个状态时，监控中心可通过短信的方式与老人的监护人取得联系，以采取进一步的措施，监测中心通过串口与短信猫连接，在软件报警时，使用AT指令与短信猫通信，发送内容为“紧急报警，速来救治”的报警短信。短信的接收方可以通过软件进行设置。通过软件，监护人亦可向指定的老人发送提醒消息，该消息会显示在终端监测仪的屏幕上。

[0044] 监控中心的老人身体状态监测系统软件有三个功能按键，分别为“通信设置”，“查看记录”和“软件信息”。在“状态指示”里可以显示四位老人的身体状态信息，包括站立、躺下、左侧卧倒、右侧卧倒、紧急情况、俯卧、慢跑和摔倒，当出现紧急情况、摔倒或紧急求救时，系统会根据用户的设定来发送报警求救短信和语音报警。在“事件提醒”里，用户可以选择要发送提醒事件的老人ID和提醒事件的内容，点击“发送”按钮后，提醒内容会显示在相应老人的身体状态监测仪上，同时蜂鸣器会发出声音，以提示老人查看。在主接口左边的文本框里，会显示由身体状态监测仪发来的状态数据。状态数据的格式如下表所示。

[0045] 表1老人身体状态数据

[0046]老人ID X轴数据 Y轴数据 Z轴数据 身体状态

[0047] 老人ID对应第一位到第四位老人，分别为01、02、03、04；X，Y，Z三轴数据分布在0x01-0x21之间；身体状态如下所示：01为站立，02为紧急情况，03为平躺，04为俯卧，05为左侧卧倒，06为右侧卧倒，07为慢跑，08为摔倒，FF为紧急求救。

[0048] 编写软件程序包括对通过ZigBee网络传输来的身体状态监控报警端(简称“上位机”)的程序和身体状态监测装置程序。针对每种状态，逐一获取相对应的加速度传感器三轴的输出电压范围，在身体状态监测装置的程序将此范围作为状态判断的依据。

[0049] 上位机软件基于Microsoft Visual 2005实现。身体状态监测装置的软件部分使用IAR Embeded Workbench 7.20B。

[0050] ZigBee协调器软件程序流程如图3所示。系统在软硬件初始化后开始建立新的网络，对各信道进行能量扫描，选择一个空闲信道，找到合适的信道后，为新网络选择一个网络标识符，从而建立新的无线网络，并允许老人身体状态监测仪加入，等待与老人身体状态监测仪的绑定，完成绑定后，不断监测是否有数据从监测仪传来，并将传来的数据通过串口发送子程序发送到PC机，同时检测串口是否有从PC机传来的数据，如有则进入到无线发送子程序。

[0051] 老人身体状态监测仪的软件流程图如图4所示：监测仪初始化后，扫描信道，并加入到协调器基站建立的网络中，获得16位网络地址，监测仪的屏幕上会显示菜单，用户点击“连接网络”后，监测仪与协调器基站建立绑定关系，用户点击“发送数据”后，监测仪开始进行身体状态的监测，每隔0.5秒读取加速度传感器MMA7260QT的三轴加速度数据，并进行AD转换，判断得到老人的身体状态，并判断是否与前一次的状态相同，若相同则继续监测，若不相同则将数据打包后发送给协调器基站；老人点击菜单上的“紧急求救”后，监测仪向协调器基站发送紧急报警信息。

[0052] 为了能够对老人的身体状态进行准确的判断，我们根据需求对老人的身体状态划分为八种，分别为站立、躺下、左侧卧倒、右侧卧倒、倒立、爬行、慢跑和跌倒，利用上述系统采集了大量的身体状态数据，对各个人体状态相对应的电压值进行分类，发现对应每种状态，其电压值有如表2分布。

[0053] 加速度传感器每一轴上的电压值是和这一轴的受力情况相关的。按照终端监测仪的正常佩戴方式，X轴为前后方向，Y轴为左右方向，Z轴为上下方向。当三个方向均不受力时，三个方向上的电压值分布在1.2伏到2.1伏之间。当仅有一个方向受力时，这种情况为站立、躺下、左侧卧倒、右侧卧倒、倒立(紧急情况)、俯卧，此时该方向仅受重力作用。以站立为例，Y、X轴不受任何力的作用，所以仍在1.2伏到2.1伏之间，而Z轴受到重力的作用，且其方向与Z轴的正方向相同，所以其值在2.2伏到2.7伏之间。当处于倒立(紧急情况)状态时，同样Y、X轴不受任何力的作用，仍在1.2伏到2.1伏之间，而Z轴受到重力的作用，且其方向与Z轴的负方向相同，所以其值在0.6伏到1.1伏之间。其它的仅有一个方向受重力作用的情况与上述情况类似。当被监测人处于慢跑状态时，我们经过测试，X，Y轴上由于几乎不受力的作用所以电压变化的范围不大，在1.2伏到2.1伏之间，而Z轴主要在1.2伏到2.1伏区间内变化。当被监测人摔倒(前向摔倒)时，会产生前向速度的很大变化，反映在加速度传感器上就是X轴电压值的激增和锐减，即小于0.7，或者大于2.6伏。其它不在上述八种情况范围的状态，我们认为是“未知状态”。按照我们认可的被监测人的状态，根据实测资料使用MATLAB可以获取不同状态时的三轴电压分布(取一百组状态)，如图5，图6，图7和图8所示，如图上数据分布情况可知上述分析是正确合理的，以右侧卧倒为例，X轴电压分布在大于1.2伏，小于2.1伏内，Y轴电压分布在大于0.6伏，小于1.1伏区间内，Z轴电压分布在大于1.2伏，小于2.1伏区间内。

[0054] 表2人体状态相应电压值分布

[0055]身体状态 X轴电压(V) Y轴电压(V) Z轴电压(V)
站立 1.2＜X＜1.7 1.2＜Y＜1.7 2.2＜Z＜2.7
躺下 0.6＜X＜1.1 1.2＜X＜1.7 1.2＜X＜1.7
左侧卧倒 1.2＜X＜1.7 2.2＜Z＜2.7 1.2＜X＜1.7
右侧卧倒 1.2＜X＜1.7 0.6＜X＜1.1 1.2＜X＜1.7
倒立 1.2＜X＜1.7 1.2＜X＜1.7 0.6＜X＜1.1
爬行 2.2＜Z＜2.7 1.2＜X＜1.7 1.2＜X＜1.7
慢跑 1.2＜X＜1.7 1.2＜X＜1.7 1.2＜X＜1.7
跌倒 X＜0.7orX＞2.6 -- --

[0056] 利用表2中的结果，通过对三轴电压值的判断，即可完成对老人的身体状态的判断。在实际的测试中，基于上述方法的监测判断方法取得了满意的识别率。为了延长终端监测仪的电池使用寿命，微处理器完成状态监测后仅在当前的状态和前一次监测的状态不一致时才向协调器发送状态信息。

[0057] 本发明老人身体状态监测系统主要应用于家庭室内环境。因此在家庭环境中，一般要求设备的通信距离在100米以内，为了方便使用，监测设备应该使用无线通信方法。由于监测的设备要长期佩戴于老人身体上，则要求监测设备具有便携性，使用电池供电且电池的寿命较长，即至少在30天以上。由于低功耗的特点，使得无线辐射功率较低，不会对人体产生伤害。