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的健康監(jiān)測系統(tǒng)，能實現健康監(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“網絡智能控制數據終端系統(tǒng)網”；清華同方開發(fā)了“e.Home數字家園”；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，并將數據反饋給醫(yī)院的監(jiān)測系統(tǒng)[4]。2000年，吳寶民等人開發(fā)了一套網絡化生理參數監(jiān)測系統(tǒng)，通過手持電腦聯(lián)系患者與醫(yī)院，將患者端采集的數據發(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的可穿戴生理參數監(jiān)測系統(tǒng)[6]。智能家居產品日益成熟，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)所需的終端數較多，且由不同的公司生產，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)的產品基本只適用于自身的組網和通信協(xié)議，這樣就導致了智能家居產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數據的實時采集；通過數據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據分析、處理與判決，實現降低智能家居系統(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轉換功能。最后通過STC89C52實現數據處理，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，數據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，根據具體功能要求控制相關模塊進行響應，根據系統(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過A/D轉換電路轉換成數字信號被送入到主控電路中，再經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。其中數據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。數據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、用戶體征參數采集點；數據處理層包括ZigBee數據終端、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據庫，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據分析表，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，實現系統(tǒng)有效的運行。子程序包括數據采集程序、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)基于大數據的健康運動方式推薦系統(tǒng)。根據用戶近期的健康監(jiān)測參數，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
