智能家居分布式健康管理探究

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摘要：智能家居系統(tǒng)是電子信息技術和生物信息的結合體，能讓人們與家居以及外界進行交流，本文以單片機為主控芯片，采用的分布式健康監(jiān)測系統(tǒng)可通過床、地板、飯桌形成一個功能集成化、低成本、易操作、可實時采集人體健康參數(shù)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，能實現(xiàn)健康監(jiān)測、健康管理等功能。

關鍵詞：智能家居；健康監(jiān)測；分布式系統(tǒng)

0引言

世界上第一幢智能建筑CityPlace是由美國聯(lián)合科技集團開發(fā)的，隨后出現(xiàn)了SmartHome系統(tǒng)對多種功能結合的家居設備進行控制和管理[1]。新加坡推出“未來之家”后，美國研發(fā)了代表性的X-10智能家居系統(tǒng)[2]。Honeywell、CAN等公司逐漸成為智能家居行業(yè)的領頭企業(yè)。我國在1997年確定小康住宅電器總體設計要求，1999年研討我國智能小區(qū)的發(fā)展方向，起草第一部智能住宅小區(qū)技術標準[1]。雖然我國的智能家居系統(tǒng)行業(yè)較國外而言起步晚，但隨著我國科技與經(jīng)濟不斷發(fā)展，中興、華為、海爾、小米、TCL等多家企業(yè)也加入了智能家居產(chǎn)品的開發(fā)和研究的行列中[3]。西南交通大學科技公司研發(fā)了“網(wǎng)絡智能控制數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)網(wǎng)”；清華同方開發(fā)了“e.Home數(shù)字家園”；海信開展了“智能家居控制系統(tǒng)”等。1988年東京醫(yī)科大學Tamura研究團隊通過傳感器，分析人體在床上的溫度分布，實現(xiàn)人體在睡眠中的實時監(jiān)測，進而分析用戶的睡眠質量。1999年，美國喬治理工學院建造了智能住宅AwareHouse，用于衡量居住者生活中的健康狀況。隨后，Postolache等人將BCG傳感器至于輪椅背后，以輪椅為載體，實現(xiàn)無意識監(jiān)測呼吸頻率和心率。國內的家庭健康系統(tǒng)起步較晚，白凈教授團隊研發(fā)了一套可在家完成監(jiān)測患者心電、血壓情況，并將數(shù)據(jù)反饋給醫(yī)院的監(jiān)測系統(tǒng)[4]。2000年，吳寶民等人開發(fā)了一套網(wǎng)絡化生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，通過手持電腦聯(lián)系患者與醫(yī)院，將患者端采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至手持電腦中，并傳送給醫(yī)院供醫(yī)者分析[5]。香港中文大學開發(fā)了一套基于液體靜力學的無袖套血壓測量保健衫，浙江大學葉學松課題組研發(fā)了可同時測量細膩點、血壓、心率等多種生理參數(shù)的可穿戴生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)[6]。智能家居產(chǎn)品日益成熟，但國外的許多智能家居系統(tǒng)價格昂貴，不符合國內的消費需求。同時，我國國內的智能家居系統(tǒng)所需的終端數(shù)較多，且由不同的公司生產(chǎn)，它們之間互不兼容，造成操作復雜的弊端。再者，智能家居的國際標準還沒有明確的統(tǒng)一，許多企業(yè)研發(fā)的產(chǎn)品基本只適用于自身的組網(wǎng)和通信協(xié)議，這樣就導致了智能家居產(chǎn)品使用范圍具有局限性[7]。除此之外，智能家居系統(tǒng)還存在容易發(fā)生虛警和漏警的現(xiàn)象，這是因為傳感器技術的不足及其靈敏度受環(huán)境影響的原因，造成系統(tǒng)虛警漏警的現(xiàn)象，從而降低了智能家居的舒適度[8]。

1智能家居分布式健康管理系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)采用開源硬件平臺，運用分布式架構實現(xiàn)快速開發(fā)、功能模塊擴展，增加健康監(jiān)測與管理功能，擴大了測量范圍，有效的將健康監(jiān)測管理與智能家居結合起來，為用戶提供實時的健康監(jiān)測、健康管理、亞健康報警。本系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，為了有效的將傳統(tǒng)壓力傳感器、健康系統(tǒng)以及智能家居有機融合在一起，本系統(tǒng)通過平時常用的家居桌椅、床、地板等位置放置相應的傳感器集群、監(jiān)測和判決模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集；通過數(shù)據(jù)的分析及時對家電進行相應的控制向用戶反饋相應的健康生活指導，通過控制中心模塊進行數(shù)據(jù)分析、處理與判決，實現(xiàn)降低智能家居系統(tǒng)成本、功能完善、集成式測量體重。系統(tǒng)組成主要有壓力傳感器、HX711芯片、STC89C52單片機等部件。傳感器選用電阻應變片壓力傳感器構成電橋，將物體重力轉換成為電壓信號，再由集成芯片HX711完成信號放大和模數(shù)轉換功能。最后通過STC89C52實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，通過定量實驗達到較高的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)一共分為四個模塊，包括報警模塊、顯示模塊、信息采集模塊、控制模塊。其中采用STC89C52作為系統(tǒng)的控制芯片，顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器，數(shù)據(jù)采集由各種傳感器組合完成，進而通過各種系統(tǒng)程序完成系統(tǒng)控制、報警、顯示等功能。本次的智能家居分布式健康管理系統(tǒng)采用STC89C52單片機及晶振電路和復位電路組成整個系統(tǒng)功能的核心單元，整體硬件電路如圖2所示。其中晶振電路與復位功能分別由STC89C52的X1、X2、RESET引腳輸出。STC89C52芯片連接HX711芯片，當接收到HX711輸出的信息后，根據(jù)具體功能要求控制相關模塊進行響應，根據(jù)系統(tǒng)功能延伸出信息采集電路、報警電路、按鍵復位電路、顯示電路、控制電路等。在正常功能中，達到人機交互的功能，實現(xiàn)清晰地顯示用戶的健康狀態(tài)以及設備狀態(tài)，用戶在顯示界面上關注自己的健康狀態(tài)的同時也能實現(xiàn)健康預警功能，例如快達到健康臨界值時，及時的控制自己的飲食習慣，增加自己的運動量等；出現(xiàn)亞健康狀態(tài)時實時顯示相關體征值與超額信息，提醒用戶進行健康運動，實現(xiàn)有效的健康監(jiān)測和亞健康預警功能。聲光同時報警是考慮到不同人群的適用范圍，例如聾啞人對光報警更敏感，視力障礙的人群對聲音更敏感，兩種不同的報警模式能夠更有效的達到向用戶報警的功能。智能家居分布式健康管理系統(tǒng)不僅具有健康管理功能，還能有效的將家居系統(tǒng)與健康管理有效的結合起來，構成高效、智能的家居健康管理系統(tǒng)。為達到這一目的，本系統(tǒng)將STC89C52的P1.1—P1.6用作功能延展區(qū)，在這個區(qū)域依次連接開關，用作控制家用電器電源，除去傳統(tǒng)的智能家居的窗簾控制、燈光控制等可以在此區(qū)完成外，本系統(tǒng)還在此區(qū)添加了智能健康控制功能，主控系統(tǒng)在接收到用戶的亞健康報警時，可通過控制開關鎖存相應的家具，例如冰箱、零食柜等，更加有效的從源頭減少不健康的生活習慣。健康監(jiān)測首先是通過壓力傳感器采集被測物體的被測值，將其轉換成電壓信號。由于輸出電壓信號通常較小，需要經(jīng)過前端信號處理電路進行準確的線性放大，放大后的模擬電壓信號再經(jīng)過A/D轉換電路轉換成數(shù)字信號被送入到主控電路中，再經(jīng)過主控電路的單片機控制譯碼顯示器，從而顯示出相應的體測參數(shù)。其中數(shù)據(jù)采集模塊對軟件的設計要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來控制。系統(tǒng)軟件組成分為兩個部分。數(shù)據(jù)信息采集層包括家具用品狀態(tài)采集點、家電控制狀態(tài)檢測點、用戶體征參數(shù)采集點；數(shù)據(jù)處理層包括ZigBee數(shù)據(jù)終端、串口驅動、STC89C52存儲。通過分布在家居用品的傳感器進行不同功能的信息采集與處理。ZigBee主節(jié)點獲得信息后將信息傳輸給主控芯片STC89C52，由主控芯片分析信息后向串口發(fā)出相應的控制指令，完成相應的指令。同時，ZigBee主節(jié)點還能將各子節(jié)點發(fā)送到云服務器，可形成屬于用戶自己的數(shù)據(jù)庫，方便后期進一步分析用戶的健康狀況，為用戶提供更貼合自己的健康管理方案，除此之外，此云服務器為共享資源，可用于醫(yī)護人員診治用戶的數(shù)據(jù)分析表，更加便捷的獲取近期用戶的健康信息。本系統(tǒng)利用單片機控制的優(yōu)勢，實現(xiàn)高精度以及高穩(wěn)定性的稱重過程的一系列要求。為了方便程序編寫、調試和調用，本次程序設計采用了模塊式思想，分為主程序與子程序。主程序用于初始化系統(tǒng)，進行統(tǒng)一化管理和調用各個子程序，實現(xiàn)系統(tǒng)有效的運行。子程序包括數(shù)據(jù)采集程序、按鍵程序、A/D轉換程序、報警模塊程序、LCD顯示功能程序等，各個子程序的相互協(xié)調、明確分工，在主程序的管理與調用中，共同完成本系統(tǒng)一系列功能，實現(xiàn)健康管理、亞健康報警、健康監(jiān)測等功能。

2總結與展望

實現(xiàn)在家居生活中實時的監(jiān)測人們體重變化并有效的進行健康監(jiān)測與管理，開展了本次智能家居分布式健康管理系統(tǒng)研究，完成系統(tǒng)軟硬件的設計。根據(jù)實際需求結合實用性、適用性、穩(wěn)定性、功能性等方面出發(fā)，完成了智能家居分布式健康管理系統(tǒng)的軟硬件設計，并進行了部分功能測試與檢驗。未來將開發(fā)基于大數(shù)據(jù)的健康運動方式推薦系統(tǒng)。根據(jù)用戶近期的健康監(jiān)測參數(shù)，為用戶推薦更合適、更精準、更有效的健康運動方式。分析用戶近期熱量攝入量，為用戶推薦健康的食譜用以均衡熱量。

作者:張楠 張福鼎 單位:江蘇第二師范學院物理與電子工程學院