智能家居分布式健康管理系統(tǒng)探究

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

關(guān)鍵詞：智能家居；健康監(jiān)測(cè)；分布式系統(tǒng)

0引言

世界上第一幢智能建筑CityPlace是由美國(guó)聯(lián)合科技集團(tuán)開發(fā)的，隨后出現(xiàn)了SmartHome系統(tǒng)對(duì)多種功能結(jié)合的家居設(shè)備進(jìn)行控制和管理[1]。新加坡推出“未來(lái)之家”后，美國(guó)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(lǐng)頭企業(yè)。我國(guó)在1997年確定小康住宅電器總體設(shè)計(jì)要求，1999年研討我國(guó)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。雖然我國(guó)的智能家居系統(tǒng)行業(yè)較國(guó)外而言起步晚，但隨著我國(guó)科技與經(jīng)濟(jì)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(xué)科技公司研發(fā)了“網(wǎng)絡(luò)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?yáng)|京醫(yī)科大學(xué)Tamura研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)傳感器，分析人體在床上的溫度分布，實(shí)現(xiàn)人體在睡眠中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而分析用戶的睡眠質(zhì)量。1999年，美國(guó)喬治理工學(xué)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(shí)現(xiàn)無(wú)意識(shí)監(jiān)測(cè)呼吸頻率和心率。國(guó)內(nèi)的家庭健康系統(tǒng)起步較晚，白凈教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套可在家完成監(jiān)測(cè)患者心電、血壓情況，并將數(shù)據(jù)反饋給醫(yī)院的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]。2000年，吳寶民等人開發(fā)了一套網(wǎng)絡(luò)化生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)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(xué)開發(fā)了一套基于液體靜力學(xué)的無(wú)袖套血壓測(cè)量保健衫，浙江大學(xué)葉學(xué)松課題組研發(fā)了可同時(shí)測(cè)量細(xì)膩點(diǎn)、血壓、心率等多種生理參數(shù)的可穿戴生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]。智能家居產(chǎn)品日益成熟，但國(guó)外的許多智能家居系統(tǒng)價(jià)格昂貴，不符合國(guó)內(nèi)的消費(fèi)需求。同時(shí)，我國(guó)國(guó)內(nèi)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(fù)雜的弊端。再者，智能家居的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用開源硬件平臺(tái)，運(yùn)用分布式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)、功能模塊擴(kuò)展，增加健康監(jiān)測(cè)與管理功能，擴(kuò)大了測(cè)量范圍，有效的將健康監(jiān)測(cè)管理與智能家居結(jié)合起來(lái)，為用戶提供實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)、健康管理、亞健康報(bào)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(jī)融合在一起，本系統(tǒng)通過(guò)平時(shí)常用的家居桌椅、床、地板等位置放置相應(yīng)的傳感器集群、監(jiān)測(cè)和判決模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；通過(guò)數(shù)據(jù)的分析及時(shí)對(duì)家電進(jìn)行相應(yīng)的控制向用戶反饋相應(yīng)的健康生活指導(dǎo)，通過(guò)控制中心模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理與判決，實(shí)現(xiàn)降低智能家居系統(tǒng)成本、功能完善、集成式測(cè)量體重。系統(tǒng)組成主要有壓力傳感器、HX711芯片、STC89C52單片機(jī)等部件。傳感器選用電阻應(yīng)變片壓力傳感器構(gòu)成電橋，將物體重力轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，再由集成芯片HX711完成信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。最后通過(guò)STC89C52實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)達(dá)到較高的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)一共分為四個(gè)模塊，包括報(bào)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(jìn)而通過(guò)各種系統(tǒng)程序完成系統(tǒng)控制、報(bào)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(jī)及晶振電路和復(fù)位電路組成整個(gè)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(fù)位功能分別由STC89C52的X1、X2、RESET引腳輸出。STC89C52芯片連接HX711芯片，當(dāng)接收到HX711輸出的信息后，根據(jù)具體功能要求控制相關(guān)模塊進(jìn)行響應(yīng)，根據(jù)系統(tǒng)功能延伸出信息采集電路、報(bào)警電路、按鍵復(fù)位電路、顯示電路、控制電路等。在正常功能中，達(dá)到人機(jī)交互的功能，實(shí)現(xiàn)清晰地顯示用戶的健康狀態(tài)以及設(shè)備狀態(tài)，用戶在顯示界面上關(guān)注自己的健康狀態(tài)的同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)健康預(yù)警功能，例如快達(dá)到健康臨界值時(shí)，及時(shí)的控制自己的飲食習(xí)慣，增加自己的運(yùn)動(dòng)量等；出現(xiàn)亞健康狀態(tài)時(shí)實(shí)時(shí)顯示相關(guān)體征值與超額信息，提醒用戶進(jìn)行健康運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有效的健康監(jiān)測(cè)和亞健康預(yù)警功能。聲光同時(shí)報(bào)警是考慮到不同人群的適用范圍，例如聾啞人對(duì)光報(bào)警更敏感，視力障礙的人群對(duì)聲音更敏感，兩種不同的報(bào)警模式能夠更有效的達(dá)到向用戶報(bào)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(jié)合起來(lái)，構(gòu)成高效、智能的家居健康管理系統(tǒng)。為達(dá)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(gè)區(qū)域依次連接開關(guān)，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(bào)警時(shí)，可通過(guò)控制開關(guān)鎖存相應(yīng)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(xí)慣。健康監(jiān)測(cè)首先是通過(guò)壓力傳感器采集被測(cè)物體的被測(cè)值，將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由于輸出電壓信號(hào)通常較小，需要經(jīng)過(guò)前端信號(hào)處理電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大，放大后的模擬電壓信號(hào)再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)被送入到主控電路中，再經(jīng)過(guò)主控電路的單片機(jī)控制譯碼顯示器，從而顯示出相應(yīng)的體測(cè)參數(shù)。其中數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)軟件的設(shè)計(jì)要求比較高，系統(tǒng)的大部分功能都需要軟件來(lái)控制。系統(tǒng)軟件組成分為兩個(gè)部分。數(shù)據(jù)信息采集層包括家具用品狀態(tài)采集點(diǎn)、家電控制狀態(tài)檢測(cè)點(diǎn)、用戶體征參數(shù)采集點(diǎn)；數(shù)據(jù)處理層包括ZigBee數(shù)據(jù)終端、串口驅(qū)動(dòng)、STC89C52存儲(chǔ)。通過(guò)分布在家居用品的傳感器進(jìn)行不同功能的信息采集與處理。ZigBee主節(jié)點(diǎn)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(yīng)的控制指令，完成相應(yīng)的指令。同時(shí)，ZigBee主節(jié)點(diǎn)還能將各子節(jié)點(diǎn)發(fā)送到云服務(wù)器，可形成屬于用戶自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，方便后期進(jìn)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(wù)器為共享資源，可用于醫(yī)護(hù)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(jī)控制的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高精度以及高穩(wěn)定性的稱重過(guò)程的一系列要求。為了方便程序編寫、調(diào)試和調(diào)用，本次程序設(shè)計(jì)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(jìn)行統(tǒng)一化管理和調(diào)用各個(gè)子程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有效的運(yùn)行。子程序包括數(shù)據(jù)采集程序、按鍵程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、報(bào)警模塊程序、LCD顯示功能程序等，各個(gè)子程序的相互協(xié)調(diào)、明確分工，在主程序的管理與調(diào)用中，共同完成本系統(tǒng)一系列功能，實(shí)現(xiàn)健康管理、亞健康報(bào)警、健康監(jiān)測(cè)等功能。

2總結(jié)與展望

實(shí)現(xiàn)在家居生活中實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)人們體重變化并有效的進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際需求結(jié)合實(shí)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(shè)計(jì)，并進(jìn)行了部分功能測(cè)試與檢驗(yàn)。未來(lái)將開發(fā)基于大數(shù)據(jù)的健康運(yùn)動(dòng)方式推薦系統(tǒng)。根據(jù)用戶近期的健康監(jiān)測(cè)參數(shù)，為用戶推薦更合適、更精準(zhǔn)、更有效的健康運(yùn)動(dòng)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(xué)院物理與電子工程學(xué)院