用于社区人员监护的穿戴式监护系统及方法

摘要

本发明涉及一种用于社区人员监护的穿戴式监护系统及方法。监护系统包括：由被监护对象佩戴的穿戴式监护装置、连接所述穿戴式监护装置与监护中心的无线传感器网络，以及用于对被监护对象进行监护、管理和/或定位的监护中心。本发明的监护系统及方法可同时对多个对象实施多个参数的动态实时监护；而且被监护者使用穿戴式监护装置时其日常活动不受影响，通过无线网络扩展了实施监护的地理范围，将多监护对象实时采集的多种数据集中到监护中心或者其他客户端管理，实现了多目标的远程集中监护。

说明书

技术领域

本发明涉及智能监测技术，更具体地说，涉及一种用于社区人员监护的穿戴式监护系统及方法。

背景技术

社区中的一些人员在活动时需要实时监护其健康状况，比如，患有心脑血管疾病的老人在病发时需要立即就医，但是此时老人身边很可能没有其他人员，因此不能被及时发现得到救治。若有一种基于无线网络的穿戴式监护系统，老人就可以佩戴这种监护系统，当在社区范围内活动时，社区监护中心及家庭人员可以远程实时监护老人的健康状况和位置信息，一旦发病或者意外跌倒等危险发生时，监护中心及家人可在第一时间得到异常信息及位置信息，进而进行相应处理。做好社区中老年人的健康状况监护、保健工作，对提高老年人的生活质量具有十分重要的意义。

现有的健康监护系统和设备按照其特点可大致分为两类。一类是室内人员监护系统或设备，比如医院监护病房内的监护系统，这类系统特点是可监护的参数丰富，成本高，只能应用于室内，限制了人员的活动范围。另外一类是可随佩戴人员移动的监护设备，比如微型血糖仪、血压仪等设备，将此类设备佩戴到身上，可以随时监护自身健康状态，但是这类系统或设备一般功能单一，或者只能在佩戴者本地显示，难以实现远程监护，限制了使用范围。在一些具有单一参数监护功能的设备中，已见有使用GSM、CDMA或者其他网络远程发送手机短信报警的功能，但这些设备或系统功能尚不完善，或者被监护对象单一，或者监护指标单一，或者网络不完善扩展能力查，难以满足实际需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术无法同时实现多对象多参数的远程监护以及无法提供便携式监护的缺陷，提供一种用于社区人员监护的穿戴式监护系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于社区人员监护的穿戴式监护系统，包括：由被监护对象佩戴的穿戴式监护装置、连接所述穿戴式监护装置与监护中心的无线传感器网络，以及用于对被监护对象进行监护及管理的监护中心；所述穿戴式监护装置包括：用于实时采集被监护对象多种健康状况指标及状态的传感器组模块、用于实现穿戴式监护装置与监护中心之间双向通信的无线通信模块、用于对监护所得信息进行分类处理的数据处理模块、用于实现被监护对象与监护中心之间信息交互的人机交互模块，以及为上述模块供电的电源模块。

在本发明所述的监护系统中，所述传感器组模块实时监测被监护对象的体温、心率、血压、血氧浓度、心电、地理位置、是否跌倒。

在本发明所述的监护系统中，所述无线传感器网络包含固定或移动的多跳自组织网络节点，具有混合拓扑网络结构，并且具有自动组网特性以及自适应组网特性。

在本发明所述的监护系统中，所述无线传感器网络采用混合拓扑网络结构，适用于在多用户多任务，固定、移动节点混合存在环境下，完成组网和通信任务；还包含局部路由维护策略，可根据数据传输的能量代价和最大网络时延门限确定路由树重新建立时机。

在本发明所述的监护系统中，所述穿戴式监护装置与监护中心通过无线传感器网络进行通信，并且，所述无线传感器网络利用其包含的固定节点为被监护对象在网络中的定位提供位置参考服务。

在本发明所述的监护系统中，所述监护中心包含被监护对象的全部数据以及客户端软件，其中，所述客户端软件包含有社区及无线传感器网络部署地图。

一种用于社区人员监护的穿戴式监护方法，包括如下步骤：

(a)被监护对象佩戴穿戴式监护装置；

(b)对被监护对象各项指标和状态进行实时监测；

(c)比较监测值与预先设定的安全值，判断是否发生异常事件，若是，则执行步骤(d)，否则继续监测；

(d)将异常情况通过无线传感器网络通知监护中心及其他客户端，并产生报警。

在本发明所述的监护方法中，所述步骤(c)中对异常事件的判断进一步包括：判断是否至少一个监护指标超过正常标准，或有至少一个异常事件信号产生。

在本发明所述的监护方法中，所述步骤(d)进一步包括：根据监测信息的不同需求决定是否直接对监测信息在本地进行处理。

在本发明所述的监护方法中，所述步骤(d)进一步包括：利用基于混合拓扑网络结构的无线传感器网络，根据接收信号强度(RSSI)的定位算法来测定被监护对象在网络中的具体位置，并将该具体位置上报给监护中心。

实施本发明提供的社区人员穿戴式监护系统及方法，可同时对多个对象的多个参数进行动态实时监护；所用的穿戴式监护装置使得被监护对象的活动不影响监护功能；通过无线网络扩展了监护范围，将多监护对象的多种数据集中到监护中心或者其他客户端管理，实现了远程监护。此外，根据所监测信息的不同，本发明所述的穿戴式监护装置把得到的一部分监测信息经网络直接发送至监护中心及客户端，并对其他一部分信息在本地进行处理，在得出必要的特征信息之后根据规则决定是否再传送至监护中心及客户端。这种处理方法减小了数据通信容量，减轻了网络通信负担，提高了整个监护系统的效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明用于社区人员监护的穿戴式监护系统的结构示意图；

图2是图1中穿戴式监护装置功能模块协作示意图；

图3是本发明穿戴式监护系统传感器分布示意图；

图4是图1中混合拓扑网络结构无线传感器网络的网络结构图；

图5为初始路由树建立时数据传输路径图；

图6是Sink移动后路由路径重新建立示意图；

图7是本发明所述用于社区人员监护的穿戴式监护方法步骤流程图。

具体实施方式

本发明的各实施例涉及用于社区人员监护的穿戴式系统和监护方法。本发明阐述了一种基于无线传感器网络技术的社区人员穿戴式监护系统及其监护方法，通过在社区内部署低成本的无线传感器网络，被监护对象佩戴穿戴式监护系统，社区中设置监护中心，使得被监护对象在社区范围内活动时，穿戴式监护装置实时监测被监护对象的体温、心率、血压、血氧浓度、心电、地理位置、是否跌倒等信息，并通过无线传感器网络将所监测的直接信息或经穿戴式监护装置处理后的信息发送到社区监护中心或者其他客户端，进行实时监护。此外，被监护对象在社区范围内可自由活动，监护功能不受影响。

图1是本发明用于社区人员监护的穿戴式系统的结构示意图。如图1所示，本实施例中的用于社区人员监护的穿戴式系统包括：穿戴式监护装置10a、10b...10n，无线传感器网络11，以及监护中心12。

其中，所述穿戴式监护装置10a、10b...10n由被监护对象佩戴，用来实时采集被监护对象的多种健康状况指标及状态；该装置包括传感器组模块、无线通信模块、数据处理模块、人机交互模块、以及电源模块。

在本实施例中，传感器组模块用于实时采集被监护对象的多种健康状况指标及状态，比如体温、心率、血压、血氧浓度、心电、是否跌倒等，所监护的指标和参数可按照实际需要随时扩展；无线通信模块实现将整个穿戴式监护装置接入预先部署的社区无线传感器网络中，将采集到各种的信息与社区监护中心及其他客户端进行双向交换；数据处理模块根据所监测信息的不同，穿戴式监护装置把得到的一部分监测信息经网络直接发送至监护中心及客户端，把一部分信息在本地进行处理，得出必要的特征信息之后再根据规则决定是否再传送至监护中心及客户端，这种处理方法减小了数据通信容量，减轻了网络通信负担，提高了整个监护系统的效率；人机交互模块具有输入设备和输出设备，提供简单的交互功能，微型显示屏以文字、图像方式显示监护参数，微型扬声器以语音方式进行提醒，被监护对象可通过微型键盘、触摸输入装置、麦克风及按钮等发送信息，与监护中心进行通信；电源模块为整个穿戴式监护装置统一供电，对于有特殊功耗要求的传感器可采用独立电源供电。

此外，穿戴式监护装置10a、10b...10n还具有以下功能：

实时监测被监护对象的多种指标及状态；对部分监测信息进行处理；识别和判断被监护对象的状态；通过无线通信接口与监护中心及其他客户端进行双向通信；向被监护对象提供人机交互界面，以查看信息及进行双向通信。

穿戴式监护装置10a、10b...10n的形式和结构可按不同被监护对象的具体要求做个性化更改，采用背带、腕带、头戴等多种方式布置各种传感器。腰部放置跌倒监测传感器；腋下或耳垂部位放置接触式体温监测传感器；手臂部位放置血压、心率监测传感器；胸部放置心电监测传感器；手部佩戴输入输出设备供用户交互；在头、背、腿、脚等其他部位也可佩戴不同传感器。根据传感器的性能和要求采用有线或者无线形式与穿戴式监护装置连接。

穿戴式监护装置10a、10b...10n内部各模块之间的动能协作关系如图2所示，穿戴式监护装置通过传感器组模块采集所需数据，根据数据类型和要求判断是否需要进行本地数据处理，如果需要本地处理，则通过数据处理模块进行处理，再将处理结果发送至无线通信模块进一步发送到监护中心或其他客户端，如果不需要本地处理，则直接将所采集的数据通过无线通信模块发送至监护中心或其他客户端。此外，数据处理模块还可接收从监护中心及客户端发来的数据，处理本地用户的输入输出请求；并将监护数据通过本地输出设备显示出来，通过报警装置发出报警信号。本穿戴式监护系统传感器分布如图3所示，包括：头部设备31、背部或腰部设备32、胸部传感器33、手部设备34、输入输出和/或控制设备35、腰部设备36、腿部或膝部传感器37以及脚部传感器38。

图4是图1中无线传感器网络的网络结构图。本发明涉及的社区人员监护系统可对多个被监护对象同时监护。图1中所述穿戴式监护装置10a、10b...10n与社区监护中心12或其他客户端通过无线传感器网络11连接，形成监护网络。无线传感器网络一方面实现监护装置和监护中心或其他客户端之间的双向无线数据通信，另一方面依靠网络自身技术特性实现对被监控对象的定位。

本发明提出了一种基于混合拓扑网络结构的无线传感器网络，是对现有无线传感器网络结构的一种改进。混合拓扑网络不同于传统的静态无线传感器网络拓扑也不同于移动自组织网络拓扑，混合拓扑网络由静态(固定)节点与动态(移动)节点共同组成。由于动态节点的存在，其局部网络结构动态变化，由于存在静态节点，网络拓扑结构变化范围以及速度均小于传统移动自组织网络。这种网络结构和特点特别适用于社区监护应用中的多用户、多任务的通信。在社区监护应用中，社区中布置的固定节点与被监护者佩戴的穿戴式设备(具有移动性)共同构成一个混合拓扑网络。

具体来讲，无线传感器网络由一系列的多跳自组织网络节点组成，固定节点按照保证网络有效通信的部署要求被预先部署于社区之中，是网络中的固定路由，承担数据转发任务以及辅助定位任务(位置参考服务)。穿戴式监护装置是网络中移动节点，由于被监护对象需要在社区范围内活动，所以穿戴式监护装置在整个监护网络中具有移动特性，移动节点是网络中的移动路由，也承担数据转发任务以及定位任务。

此外，本实施例中的混合拓扑网络结构无线传感器网络还具有自动组网特性和自适应组网特性：

(1)自动组网特性：无线传感器网络根据保证有效通信的需要，在社区中预先部署好，由多个分布式网络节点构成。在各固定节点放置至指定位置后，固定节点可自动组网，形成通信链路，新增固定节点也会自动加入已有的网络中，不需要用户干预。局部固定节点的增加和减少不影响网络整体结构；

(2)自适应组网特性：当在目的节点和源节点之间可形成通信链路中，因一个节点发生故障通信链路受破坏时，可自行与其他节点相连接，形成其他可行的通信链路。

如图4所示，多个被监护对象社区可以同时在网络内活动，在网络内部被监护对象和监护中心之间可形成多条不同通信链路。被监护对象A与社区监护中心之间通过链路1相连接，链路1由固定节点B、C、D、E组成。当B发生故障时，B与C之间的通信链路中断，链路1不能正常形成，此时，网络可自适应调整，自动建立由固定节点G、F、D、E组成通信链路2。同样道理，当被监护对象在区域中位置改变时，网络也可进行自适应调整，建立新的通信链路。

针对在大规模传感器网络连续数据传输环境下移动节点在网络中移动产生的路由变化问题，本发明提出了混合拓扑网络结构下的局部路由维护策略，并根据数据传输的能量代价和最大网络时延门限，确定重新建立路由树的时机，减少了洪泛消息的次数，避免网络风暴，同时延长了网络寿命。在树状网络中由于sink的移动往往导致数据在传输给sink的最后一跳丢失，因此在一定时间内，我们仅需要重新建立最后一跳的路由关系，而没有必要每次都对整棵树进行刷新。

局部路由维护策略描述如下：如图5所示，建立好了完整路由树的情况下，数据源节点A和B将采集到的数据通过路由树向sink节点回传，传输路径为：A-＞D-＞F-＞J-＞Sink和B-＞E-＞F-＞J-＞Sink。当sink节点移动后导致J与sink节点不能够通信，导致数据在最后一跳丢失。经过一定时间后，如图6所示，sink节点广播出FLOOD TTL 2消息，仅由处于邻居节点的H节点收到该路由维护消息后，建立与sink节点的路由关系。H将消息生存期减1后重新广播出去，节点D和F收到H广播的新路由维护消息，更新自己的路由关系。重新建立了新的路由路径：A-＞D-＞H-＞Sink和B-＞E-＞F-＞H-＞Sink，从而恢复了数据在最后一跳的路由。

此外，社区设有监护中心12，负责监护、管理整个社区内的多个被监护对象的全部监护数据，提供数据库支持。在异常事件发生时，实时得到发生异常的事件类型、地点信息，并做出相应处理，比如通知救护人员进行救治。此外还可以在家庭中部署监护客户端供家人对被监护对象进行监护。也可通过Intemet网络、GSM/CDMA网络发送特定监护数据到指定人员的移动终端、固定终端等设备中。监护中心配备基于PC的管理平台，可以集中显示社区内所有被监护对象的监护指标，显示社区地图和被监护对象当前的位置，显示被监护对象的活动轨迹，提供与被监护对象通信的渠道。其他客户端则提供简要功能，适用于家庭及移动设备终端，可供被监护者的家人使用。

社区监护中心客户端软件提供所在社区及无线传感器网络部署地图，异常事件发生时，在地图中显示异常事件发生的位置、类型及其他信息；提供异常事件存储服务；提供信息管理服务及与被监护对象的双向通信服务。

社区监护中心还可根据需要随时查看被监护对象的各项指标和状态，查看被监护对象的位置，并可以与被监控对象进行双向数据通信。

图7是本发明所述用于社区人员监护的穿戴式监护方法步骤流程图。如图所示，当被监护对象穿上穿戴式监护装置时，流程便在步骤701中开始；在步骤702中，穿戴式监护装置中的传感器组模块实时采集被监护对象的多种健康状况指标及状态，比如体温、心率、血压、血氧浓度、心电、是否跌倒等，并且所监护的指标和参数可按照实际需要随时扩展；在步骤703中，将监测值与预设安全值进行比较来判断是否有异常事件发生，若是则流程进入步骤704，否则返回步骤702继续监护；在步骤704中，进一步根据数据类型和要求判断是否需要进行本地数据处理，如果需要本地处理，则流程进入步骤705，否则执行步骤706；在步骤705中，通过穿戴式监护装置中的数据处理模块进行数据处理，再将处理结果发送至无线通信模块进一步发送到监护中心或其他客户端；在步骤706中，直接将所采集的数据通过无线通信模块发送至监护中心或其他客户端；在步骤707中，监护中心根据接收到的事件数据对被监护对象进行建议或报警提示，报警内容至少包括：被监护对象标识，异常事件发生地点、时间、类型、异常事件内容。

其中，步骤603的判断包括：判断是否至少一个监护指标超过正常标准，或有至少一个异常事件信号产生；此外，本发明的监护方法还利用所述无线传感器网络实现了对被监护对象的定位，以便监护中心采取进一步措施。

本发明利用无线传感器网络来测定被监护对象在网络中相对位置，进而得知被监护对象在监护区域中的绝对位置。

在具体实施方式中，可采用基于接收信号强度(RSSI)定位算法测定被监护对象在网络中位置。基于接收信号强度(RSSI)的测距是一种廉价的测距技术，已知发射信号强度，接收节点根据收到的信号强度，计算信号在传播过程中的损耗，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。

无线信号的接收信号强度和信号传输距离的关系可以用式(1)表示，RSSI是接收信号强度，d是收发节点之间的距离，n是信号传播因子，其数值的大小取决于无线信号传播的环境。

P_R＝P_T/dⁿ        (1)

接收信号功率转换为dBm值的表达式(2)

RSSI(dBm)＝-(A+10*nlgd)       (2)

其中，常数A和n的值决定了接收信号强度和信号传输距离的关系。射频参数A和n，用于描述网络操作环境。射频参数A被定义为用dBm表示的距发射器1米时接收到平均能量的绝对值。从式(2)中解算出收发节点之间的距离d。

本发明中采用了已有的基于接收信号强度(RSSI)的定位法。方法之一是使用临近的三个锚点对目标进行定位。在二维空间里对一个目标定位，至少需要3个锚节点。通过RSSI值得到目标节点到3个锚节点的距离，通过这3个距离值计算出目标节点的位置。若已知3个锚节点的位置P₁(x₁，y₁)、P₂(x₂，y₂)、P₃(x₃，y₃)，锚节点到目标节点的距离分别是r₁、r₂、r₃，则目标节点的坐标计算如式(3)：

$\left(\begin{array}{c}{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2=r_1^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2=r_2^2\\ {(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2=r_3^2\end{array}\right)---\left(3\right)$

由式(3)可以计算出目标节点位置(x，y)为：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)={\left(\begin{array}{c}2(x_1-x_3)2(y_1-y_3)\\ 2(x_2-x_3)2(y_2-y_3)\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{x}_1^2-x_3^2+y_1^2-y_3^2-r_1^2+r_3^2\\ x_2^2-x_3^2+y_2^2-y_3^2-r_2^2+r_3^2\end{array}\right)---\left(4\right)$

式(4)为定位法坐标解算公式。

本系统针对室内环境采用了包含环境衰减因素的无线信号传播模型，较好的解决了室内环境对RSSI值的影响。针对锚节点测量的多组RSSI值，采取了中值策略选取最合适的RSSI值。

方法之二是距离最近定位法。测量目标定位点邻近锚点的RSSI值，RSSI值越大，表明参考节点与待定位节点越近，因此可将RSSI值最大的一个锚点的位置作为定位出来的位置进行粗定位。本方法可以对目标进行粗定位，效率高，定位可靠。

下面以某社区内人员监护的实施例来具体说明本发明涉及的监护系统和方法。

现要对某社区中特定的老年人的身体状况和活动情况进行24小时监护。则需要在该社区中部署无线传感器网络和监护中心。无线传感器网络由在社区内部署的多个通信节点构成，各个节点分布在社区中，按照有效通信距离要求部署，各个节点可以进行无线数据通信，自适应组网，形成监护系统的通信网络。监护中心位于社区的某一固定地点，通过监护中心专门人员可以24小时查看社区内所有被监护人员的身体健康状态、活动情况，当被监护人员发生异常事件时，监护中心可及时得到信息，并根据情况对事态发展做进一步的控制，监护中心通过无线网络可以与被监护人员进行通信。此外，监护中心可以扩展为其他监护客户端，供被监护者的家人使用。

例如：张三是一位患有心脑血管疾病的老年人，经常在其所在社区外出活动，家人担心张三在外出时突然发病，想对其健康状态随时进行监护。在张三所在社区部署监护网络和监护中心，其家人的手机或者电脑上部署监护客户端，张三佩戴了穿戴式监护设备。当张三在所在社区范围内活动时，通过监护中心和客户端，监护人员及家人可以随时查看张三的身体状况、位置信息和活动情况，当监护指标超过正常标准或者发生其他异常时，比如张三血压超过正常标准或者发生跌倒时，监护设备自动向监护中心及客户端发送血压超标或跌倒信息，产生报警，监护中心及客户端可做进一步处理。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围。