2012 年第 6 期
计 算 机 与 现 代 化 JISUANJI YU XIANDAIHUA
总第 202 期
文章编号: 1006-2475( 2012) 06-0077-04
基于物联网的养老院管理系统设计与实现
王 震，刘智斌
( 北京理工大学珠海学院计算机学院，广东 珠海 519085)
摘要: 介绍基于物联网的养老院管理系统的各项功能，重点叙述 RFID 人员定位原理、摔倒检测原理和健康监测等传感器原理和实现。通过在 RFID 标签中录入老人的身份编号等信息，当老人携带标签路过某一布置了读卡器的路段
时，系统便能确定该老人位置。运用重力加速传感器，采集加速度变化波形作为摔倒检测的依据。 关键词: 物联网; 射频识别技术; 人员定位; 健康监测; 跌倒检测 中图分类号: TP311
文献标识码: A
doi: 10． 3969 /j． issn． 1006-2475． 2012． 06． 022
Design and Implementation of Nursing Home Management System Based on Internet of Things
WANG Zhen，LIU Zhi-bin
( School of Computer，Zhuhai Campus，Beijing Institute of Technology，Zhuhai 519085，China)
Abstract: This article introduces the various functions of nursing home management system based on Internet of things，describes the RFID personnel positioning principle，the fall detection principle，the principle of health monitoring sensors and their imple-mentation． Through inputting the identification number of elderly and other information in RFID tag，when the elderly carries it and passes a checkpoint，the system can determine the position of the elderly，and uses gravity acceleration sensor to collect the acceleration waveform as the basis for fall detection．
Key words: Internet of things; RFID technology; personnel positioning; health monitoring; fall detection
0 引 言
随着时代的发展，一般养老院里的基础建设日趋完善，配套了各种娱乐设施，如健身场、运动场。这些设施确实丰富了老人们的生活，同时也给老人们带来潜在的活动风险。因为场所涉及的范围大，监管人员不可能顾及到每个角落的每位老人，所以必须采取一种有效的方式来照顾这些老人。
［1］，
基于物联网的养老院管理系统 引入物联网高科技信息技术，通过射频识别 ( RFID) 、传感器、无线传输( ZigBee) 等信息传感设备，实现对养老院老人的日常生活进行远程监控、实时定位和实时服务管理，符合未来养老服务需求，以应对老龄化带来
［2］
的诸多问题
［3］
。
1 功能描述
如图 1 所示，本养老院系统分为两个主要部分:监控终端和老人移动腕带终端。整个养老院系统采
图 1 系统功能结构图
［4］，
用目前比较成熟的 RFID 射频识别技术和 ZigBee 无
线传输技术
配合体温、脉搏和重力感应等传感
收稿日期: 2011-12-28
作者简介: 王震( 1980-) ，男，河南泌阳人，北京理工大学珠海学院计算机学院讲师，硕士，研究方向: 嵌入式与物联网工程; 刘
智斌 ( 1989-) ，男，广东深圳人，本科生，研究方向: 嵌入式应用开发。
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器，基于物联网工程的思想设计而成。在老人身上配置 RFID 标签和各种传感器，通过 ZigBee 与监控端无线互联，即以老人为对象组成一个小型的物联网。系统可以实现 RFID 定位、实时体温脉搏健康状态检测、位置信息查询和重力感应摔倒报警等功能，为老人的日常生活进行精准位置定位和身体健康指数实时监控。
1． 1 监控服务器端
图 2 系统框图
该部分是本系统的核心部分，实现了养老院的人员综合管理，主要有以下功能:
( 1) 人员管理: 该功能允许管理人员在监控终端通过电脑查询全部老人的当前位置分布情况，以及每个老人当前的具体位置和健康状态，如血压、体温、心
2 RFID 人员定位和跌倒检测功能原理及实现
2 ． 1 RFID 人员定位功能
率等。
( 2) 事件处理: 该功能允许管理人员进行紧急事 件处理，如接收老人腕带发出的警报以便及时处理、 或者接收老人的紧急呼叫请求等事件。
( 3) 语音广播: 该功能允许管理人员在某些情况 下进行广播。
［5］监控端软件基于嵌入式 Linux操作系统设计，
该系统是在 PXA270 平台上的一个 ARM Linux 移植版本
［6］
RFID 读写器模块描述
RFID 读写器模块是整个系统的重点，能够帮助 养老院的工作人员清晰地知道老人当前所在位置以 及周边的环境，为工作人员提供极大的帮助，使老人 即使在无人陪同的情况下也能自己去较远的地方，一 2 ． 1． 1 般情况下标签内写入的是持卡人身份等信息的编码。
在基于物联网的养老院管理系统中设置了 5 个检查点，每一个检查点都有一个 RFID 读写器模块，通过老人手上的腕带标签对老人进行定位。如图 3 所示。
图 3 RFID 老人定位原理图
2． 1． 2 实现原理
RFID 读写器中读写模块的核心部分包括一个用于控制的微处理器 MF RC500 和一个 RFID 基站芯片。它具有与用户主系统的串行通信能力，可根据用户系统的命令完成对 RFID 卡的读写操作，并将所得数据返回给处理器系统，这个处理器系统可以是一个
，版本号是 2． 6． 9。在该 Linux 系统之上，软件采用
［7］
QT-embedded 4． 5处理等功能
［8］
来实现图形界面和多线程
。
1． 2 老人移动腕带终端
该模块为系统的移动模块，可以实时监测老人健康状态，主要有以下功能:
( 1) 健康状态监测: 该功能通过腕带上的传
感器，实时检测老人的血压、脉搏、体温等生理特征，并进行记录、比对。
( 2) 发送警报: 该功能用于老人与监控终端进行通讯。当佩戴腕带终端的老人摔倒、健康信息异常、或者需要服务时向监控终端发出呼叫信息。
( 3) RFID 标签定位: 该功能实现在养老院范围内通过 RFID 射频识别卡记录的标签信息实现无线人员定位。
腕带终端是佩戴在老人手腕上的便携式终端，其程序主要任务是采集装备在老人身上的各种传感器信息，然后经过处理和过滤后由 ZigBee 无线发送到监控端。程序是基于 Linux 2． 6． 24 内核的操作系统之上运行的，通过 Linux API 系统调用，实现多线程处理和中断处理。由于程序同时有多个传感器数据采集，因此采用多线程，按键操作可以用外部中断来
。
( 1) 本养老院管理系统采用读卡器与非接触性
IC 卡相结合的工作原理，在实现读写信息上与传统
主控板
［10］ 的接触式读卡器相比有以下突出优点:
①RFID 卡具有较强的数据通信功能，传输速率较快，读写距离较远，且具有防冲突功能，能在同一时
实现 。
系统框图如图 2 所示。
［9］
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。
②RFID 卡具有唯一的卡片序列号，该序列号无 法复制，因此它具有更高的防伪装性。
( 2) 本项目中养老院人员定位实现原理: 将
RFID 读写器布置在待测位置处，当有 RFID 卡经过 时读取 RFID 卡，代表老人刚好经过本路段。如图 3
中将每个 RFID 读写器分别置于图中各检查点位置，
每个检查点分别代表不同的地理位置信息。例如: 大
门口、食堂、住宿区、娱乐室和运动场。而 RFID 标签 卡配置于每个老人的腕带上，当老人佩戴的腕带经过
间处理多张在读写器天线内的卡片
［11］ 收; 数据帧的第二字节表示功能类型号; 后面剩下的 所有字节表示具体的数据。在不同的功能类型的情 况下，数据部分的结构都有所不同。按功能类型的不 同，数据部分定义如表 2 所示。
表 2 定位功能数据帧结构
功能类型: 接收检查点定位信息
类型号: 0x01
数据部分结构: ［NODE］ ［UID］ 用户号
说明: 检查点号 1 字节 每一个检查点时，读写器将从老人的 RFID 卡上读取
检查点的定位信息只有当检查点检测到老人的
老人的身份信息，并把信息发送到监控终端。监控终
电子标签经过时便会发送，其中第一字节表示检查点
端便知道该老人刚从某个区域移动至另一个区域。
的 ID，接下来的两个字节表示检测到的电子标签的 RFID 读卡程序流程图如图 4 所示。
用户号。
2． 2 人员跌倒检测功能
大小: 2 字节
在大多数时候，养老院的老年人行动的节奏相对比较慢，因此在整个行动过程中，其加速度矢量变化不大。本系统利用加速度这个矢量值来判断老人是
［12］ 否摔倒 。具体实现原理如下: 加速度传感器被固定在老人身上，在加速度传感器上定义 Y 轴为曲线，它在正常静止状态下为-1g; 同时定义 X 轴和 Z 轴的加速度曲线，其正常静止状态下应该为 0g; 一根矢量曲线是三轴加速度的矢量和，正常静止状态下为 + 1g。
( 1) 正常状态分析: 一般情况下，老人的动作幅度不大，加速度变化值不大。
( 2) 跌倒过程分析: 跌倒过程中的加速度变化明显，主要有以下 4 个特征:
图 4 RFID 读卡程序流程图
2 ． 1． 3
RFID 数据通信实现
为了方便养老院监控端程序处理串口所接收的数据时遵循系统定义的协议，每一帧数据定义描述如表 1 所示。
①失重: 在跌倒开始发生的失重现象。对于一般跌倒，合加速度小于 1g。
②撞击: 人体撞击之后，跌倒与地面发生强烈撞击，在合加速度曲线中会产生一个变化很大的曲线波形。
③静止: 正常情况下，人在跌倒后，很少会马上站起来，会有短暂的静止状态。在合曲线上会出现一段平稳过渡期。
④比较合矢量曲线: 跌倒之后，人体发生位置偏移，人体的方向会与原静止的姿态不同，根据这时与原静止状态的比较可以得出，老人是处于跌倒
数据帧的第一字节表示接下来还有多少字节的数据要接收，这是为了方便接收程序控制数据的接
表 1 基本数据帧结构
数据: ［LN］ ［FN］ ［xxxx． ． ．］ 数据部分 说明: 后续数据长度 功能类型号 1 字节 数据大小: 1 字节 LN-1 字节
状态 。
［13］
3 系统数据库设计
［14］
，
本系统的数据库采用 SQLite3 数据文件保存在监控端服务器，由监控端程序负责维护。数据库中主要的实体与关系设计如图 5 所示。
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图 5 数据库实体-关系图
状态，符合未来养老服务方向，应对老龄化带来的诸多问题。目前整个系统中实现了地图查询功能、事件处理功能、RFID 定位功能、ZigBee 无线传输功能、脉搏体温状态检测功能和跌倒检测报警功能等，其中人员定位和状态监测等功能已取得比较好的效果。
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根据图 5 可以看出，简化的数据库主要维护
了 3 个表。其所定义的老人表中维护养老院中老人的基本信息，包括个人信息、健康状态值和所处区域位置;另外地图检查点和地图区域两个表则描述整个养老院区域划分和检查点布置情况。由于一个检查点连接了两个区域，分别在检查点两侧，因此检查点实体表中有 oneside、anotherside 两个属性，分别表示与检查点相邻两个区域的区域号。这样不仅可以很方便地处理人员的定位，而且可以适应地形的变换，如果需要将系统换到另一个养老院地形的情况下，则只要把数据库的区域节点信息按其地形重新更改替换就可以直接使用。
4 结束语
基于物联网的养老院管理系统作为一个有实际意义的物联网系统应用方案，是老龄化问题的重要应对策略。未来世界是物联网的世界，引入物联网这新一代高科技信息技术，通过射频识别、传感器、无线传输等信息传感设备，按预定的协议，以实现对养老院的老人日常生活处于远程监控、实时定位和实时管理
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