嵌入式平台助力环境辅助生活

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#嵌入式系统 #环境辅助生活 #健康监测 #家庭自动化 #无线通信

第9章开发用于环境辅助生活的嵌入式平台

哈巴克里斯蒂安‐格˝约兹˝博士教授，利维乌·布伦尤克博士教授，瓦列里乌·大卫博士教授
“格奥尔基·阿萨希”雅西技术大学，电气工程学院，罗马尼亚雅西曼热龙大道23号，700050

9.1 引言

传感器技术、无线通信和健康信息系统的快速发展，主要基于微型化和集成化，导致了医疗领域新设备和应用的激增。这为先进的无线医疗、移动健康和辅助生活应用（Kulkarni 和 Ozturk，2011；Kuroda 等，2012；Mukhopadhyay 和 Postolache，2013）奠定了基础。

人口老龄化问题正在影响大多数发达国家，这些国家已将其视为未来几年最重要的问题之一，对卫生和社会部门（预算和员工数量增加、需要新的服务和技能）、工作效率和就业市场产生直接影响。欧盟委员会在其欧洲2020战略中指出，人口老龄化是社会面临的主要挑战之一。此外，世界卫生组织估计，到2025年，60岁以上的人口将达到约12亿，到2050年将达到约20亿（Hossain和 Ahmed，2012）。另一方面，欧盟委员会认识到，解决这一问题的方案可以促进新技术和服务的发展，从而提高竞争力，并创造新的高技能工作岗位（欧盟，2014）。

为老年人或患者提供医疗保健服务的新趋势是将服务从诊所和医院转移到人们家中，特别是考虑到90%的老年人更喜欢自己家中的舒适性（Rashidi 和 Mihailidis，2013）。测量生命体征、启动医患互动、监测和核对患者用药现在都可以在诊所之外进行，这是由于成功尝试将这些活动与嵌入式系统集成所致。

实现家庭自动化的嵌入式系统。许多这些家庭自动化系统除了开始包含对家庭住所系统（如照明、门、风扇和空调）的控制和监测等常规功能外，还为老年人和残疾人提供支持，特别关注独居者的需求。

具有广泛功能的嵌入式系统与新型智能传感器的出现，为远程诊断和治疗、不同环境与情境下的监测以及患者持续监测开辟了创新方向，并实现了信息的实时处理和快速干预。由此产生的效果包括减少能源消耗、节省时间、提高舒适性、安全性和增强的环境辅助生活。

在本章中，我们研究了环境辅助生活系统带来的前景，特别是针对在不同环境条件下与智能老年人与患者监测相关的一些应用。

我们将介绍一种用于开发环境辅助生活系统的系统，该系统通过监测某些生物信号以及家庭自动化组件提供的信号，识别可能的交互，从而显著增强对增强生活环境的支持。

该系统可用于在不同环境下对生物医学信号进行长期监测，这些环境因素包括体温、生物阻抗（布勒纽克等人，2014）以及人体活动。因此，考虑了多种运动类型、自由跌落（布勒纽克等人，待发表）、睡眠活动和心脏活动（心电图、光电容积描记法），并结合家庭自动化信号对心率变异性（HRV）进行监测，这些家庭自动化信号可能会影响上述生理信号：室温、照明、空调、噪音、光照强度以及其他外部天气条件（布勒纽克和哈巴，2014）或电磁干扰（David等，2013年；尼卡等人，2011）。已测试并实现了中央单元与客户端模块之间以及中央单元与云服务之间的多种通信协议（Breniuc 等，2010），相关内容将在本章中讨论。

最后，我们将讨论如何利用系统内置的模块化和灵活性来进一步开发该平台，并实现具有不同功能水平和复杂性的定制化产品。

9.2 持续进行的研究

用于主动健康以及智能监控的嵌入式平台的发展，旨在支持和改善老年人、残疾人、慢性病患者等人群的生活，便于在紧急医疗状况或日常活动中出现困难情况时迅速干预，现已成为全球众多研究团队的关注焦点。

有许多努力致力于连接和协调不同领域，例如电子健康、远程监控、远程医疗、移动健康、环境智能（创新的人机交互）、智能家居房间，甚至智慧城市和环境辅助生活，以创建多功能、安全且更用户友好的系统，从而在提升生活质量的同时降低医疗保健成本，并高效利用环境。

此外，“物联网”概念实现了任何事物在任何地点、任何时间、通过任何网络和任何服务的连接——为众多具有重大技术、经济和社会影响的应用打开了大门（Riazul Islam 等，2015）。

这些智能监控和支持平台是采用不同架构实现的分布式系统。它们包含用于生理、医学或环境数据采集的无线传感器网络（包括移动和可穿戴传感器）以及多传感器节点、高级信号处理设备、不同的通信基础设施和协议，以及监控设备（个人数字助理—PDA、智能手机、平板电脑、笔记本电脑和计算机）。

有许多基于中间件架构的此类系统，这些系统集成了医疗健康设备，并使用不同的通信协议（Pereira et al., 2014），还有由可穿戴传感器/设备（带GPS的智能鞋、带传感器的胸带/支持心电图 — ECG、肌电图 — EMG、皮肤电活动 — 皮肤电活动记录、跌倒检测等）组成的系统，这些设备与智能手机或平板电脑等个人移动设备协同工作（Silva et al., 2014）。

智能多感官系统的开发至关重要，这类系统能够为感官障碍人士（尤其是视力障碍者）提供实时且连续的辅助（安多，2012）。

因此，针对盲人，提出了一种系统（安藤等人，2014），用于用户定位（基于超声波收发换能器）和用户‐环境交互，从而实现具有高空间分辨率（定位系统的精度约为4厘米）的实时辅助。

由于嵌入式平台允许在医院、家庭或任何其他环境中对个人进行监测——并且能够在困难情况下发送信息和警报——因此其多功能性、可配置性和可定制性成为非常重要的特性。一些个人健康系统（PHSs）具备额外的决策支持功能，能够适应用户（患者/个人）的变化，这些特性在心脏病学（Fayn和Rubel，2010）或其他疾病中非常有用。

此外，由于老年人随着时间推移出现认知衰退，以及环境的多样性和动态性，辅助生活系统在设计上具备适应性和可扩展特性，以适应人们能力及周围环境的变化。通过中间件和语义机制实现辅助服务与感知与交互设备的动态集成。因此，系统模块化（例如基于面向服务的方法）、语义网技术、分布式开放服务网关倡议（DOSGi）使得能够根据患者所处环境选择合适的辅助服务和设备，从而提供更高的灵活性、透明度、可扩展性和简便的重新配置（Aloulou等，2014）。此类系统（已针对三种老年人和护理人员最常见的且最需要的辅助服务进行了测试）可在考虑更多活动的基础上进行开发。此外，开发提供实时辅助的“虚拟护理者（ViCG）”可为人类护理人员提供切实支持，使其仅需在需要额外帮助时介入（Hossain和Ahmed，2012）。

考虑到传感器技术（基于人体组织相容性材料的移动和可穿戴传感器）、辅助机器人技术、安全领域（基于生物特征和生理特征的非侵入式用户认证方法）以及智能家居方面取得的进展，在环境辅助生活领域中，有许多机会可以将成果成功转化。

所获取的生理信号水平以及通常情况下使用中的传感器/设备的响应都非常低，因此即使面对所使用的移动或无线通信系统也需要采取特殊预防措施。此外，医疗设备（尼卡等人，2011）、用户支持设备或电子电器（David等，2009）可能是重要的电磁场源。由于电磁场源与用户之间的距离非常小，在穿戴式设备、智能服装或电子纺织品的情况下必须采取特殊预防措施。

通常，关于电磁场对生物和健康影响的研究主要考虑以下方面：识别暴露于电磁场的人体是否存在某些生物信号的改变（Andritoi 等，2013；Branzila 和 David，2013）；确定外部场在人体内感应的场和电流，或比吸收率——SAR（Nica 等，2012）。

未来需要解决的一些主要问题包括：
- 系统微型化并使其具有普适性；
- 开发低功耗系统或具备能量采集能力的系统；
- 融合多种现有标准，提高系统互操作性；
- 为系统及系统组件间传输的敏感数据提供安全性。

在本章中，我们考虑了生物信号和环境参数的监测，并探讨了它们集成与控制的可能性。特别关注系统在不同情境和应用中的多功能性、灵活性和适应性，这使得我们所提出的系统能够根据用户的特定环境和健康状况进行配置和调整。

9.3 环境辅助生活挑战与应用

环境辅助生活系统利用信息、通信以及通常意义上的新技术，对个人（尤其是老年人）在其日常生活和工作环境中进行监测、支持和社交连接（Rashidi 和 Mihailidis，2013；Queiros 等，2015；Monekosso 等，2015a，2015b；Geman 等，2015）。

示意图0

AAL系统在用户所处环境中为其提供协助，监测其身体健康状况（远程监控）并执行用户行为分析。

环境辅助生活（AAL）旨在改善用户的健康状况和健康福祉，并确保用户的社交互动以及安全与安全性。除了为大量人群提供持续的辅助外，环境辅助生活还为护理人员提供了切实的支持。

用于收集和处理信息或针对不同情况做出适当响应的设备被嵌入用户的身体和环境（环境智能）中。因此，微型化、兼容性、连接性以及数据准确性和安全性都非常重要。

在AAL系统的设计和运行中，一个基本问题是对干扰因素（扰动）的分析、减少和控制。由于存在多种多样的电磁场源，并且其在空间和时间上广泛分布，从而形成了“电磁环境”（David等，2013年），该环境既影响电子设备（电磁兼容性问题），也影响用户健康（生物电磁兼容性问题）。

环境辅助生活的许多方面包括：
- 在智能家居（智能家庭自动化）中的活动识别（如坐、走、跑）（Sun等，2010年，Fernandez‐Luque等，2014年）。
- 物体或人员的定位与识别（例如基于生物特征的人员识别）。定位的准确性—化系统的范围在无线网络技术情况下为米级（1 m ÷ 5 m），而在基于超声波的系统情况下为厘米级（约4 cm）（安藤等人，2014）。
- 事件检测、分类与定位。其中一项广泛应用的任务是利用传感器或基于视觉的设备进行跌倒检测，能够识别、分类并区跌倒与其他日常生活活动（安藤等人，2015）。
- 位置/情境感知。
- 行为分析，例如基于统计预测算法的行为模式，用于建模昼夜活动（维罗内等人，2008）。
- 用户交互（人与人，或人与物体的交互），从而使系统能够感知上下文，建模以预测未来情境的发展（里林克‐布兰杰，2012）。

除了其基本目标，即提高和监测人们生活质量（支持脆弱用户的行动能力和自主性）之外，环境辅助生活还可能具有以下用途：
- 用于评估个人的整体健康状况（长期或持续的健康状况监测）；
- 用于紧急事件检测与干预（跌倒检测、医疗紧急情况或危险检测）；
- 用于情绪健康并协助老年人的照护（社会联系与沟通）；
- 用于检测疾病状况和/或进展；
- 用于评估医疗干预措施（治疗、假肢、康复、诊断）；
- 用于鼓励老年人完成日常活动，提供安全与独立性。

示意图1

通过适当的数据处理与分析，可以支持个人的日常活动，监测患者（原位健康调查），并在紧急情况下迅速干预。

9.4 提案方法

AAL系统依赖于各种技术、设备和服务，从最简单的传感器到用于监测的复杂系统。

监控、报警和远程护理。AAL系统是连接各类用户（包括被辅助者）与被辅助者所处环境的纽带。这种连接包含多向路径，并涉及多个层次的交互。

9.4.1 传感器和数据采集系统

AAL系统是一种实现感知‐处理‐执行循环的自动化系统。该循环的活动如下：
- 持续或定期读取数据集，以确定被辅助者的状态、被辅助者与系统所处的环境以及他们之间可能存在的交互。这是通过一组传感器或数据采集系统（Postolache 等，2012年）实现的。数据采集在住宅内的不同位置进行，其中一些位置具有明确定义的固定位置，而另一些则可能是移动的，因为它们被固定（安装）在被辅助者身上或被辅助者携带的物体上（如眼镜、拐杖、鞋子、衣物等）。
- 为了被AAL系统组件使用，所获取的数据必须经过处理。该系统可以使用直接来自传感器的原始数据，或通过多个传感器数据融合或本地数据处理得到的二次数据。
- AAL系统获取的数据将被解读，并与现有信息结合，用于制定决策并采取特定行动。
- 这些行动将通过执行器来实施，执行器会与被护理人员、环境或系统中的其他参与者进行直接或间接的交互。这些行动可能非常简单，例如打开或关闭灯泡，也可能更为复杂，例如呼叫护理人员、护士或医生。

9.4.2 平台

正如我们所见，AAL系统的实现将需要一个涵盖多种技术、设备和服务类型的平台。关键特性将涉及：
- 数据采集，
- 数据处理和决策算法的实施，
- 交付行动。

尽管基本功能很重要，但从用户角度来看，系统还需考虑其他功能，因为这些功能同样重要。其中一些附加功能包括：
- 适用于所有用户（被辅助者、护理人员、医生）的易于使用的界面；
- 由于以下两项系统要求而实现低功耗：
- o 系统不得增加用户的能源和通信服务（电话、互联网、安全）费用，
- o 对于未由主电源供电的移动元件或设备，需具备较长的电池续航；
- 对系统硬件和功能进行定制化，以便适应以下人群：
- o 具有不同健康状况或能力的人，
- o 居住在不同家庭/环境中的人，
- o 与不同用户互动的人，
- o 对服务有不同需求的人。

为了满足这些要求，必须考虑一个灵活、可适应且可配置的系统。

9.4.3 连接性

AAL系统从其功能上来说是一种分布式系统，其运行离不开各个组件之间的信息交换。信息交换通过有线或无线通信通道实现，并呈现出向扩展无线解决方案发展的趋势。随着这些系统的复杂性不断增加，系统内部及外部交换和传输的数据量可能会增加。因此，在设计和实施AAL系统时，通信是一个需要重点考虑的重要特性。

微电子和通信技术的快速发展导致了连接性的空前增长。这种发展得益于移动和无线通信技术，例如WiFi、蓝牙和ZigBee（Breniuc 等，2010）。这种增长提高了连接的可能性，并支持设计人员创建更加移动化和互联的系统与设备。这为系统架构的开发、在操作区域内的安装、系统组件的可访问性、数据采集与处理以及命令和数据的双向传输提供了更大的灵活性。能够在这些系统上运行的软件进一步增强了灵活性和连接性，并简化了这些系统的使用。

增强的连接性不仅考虑系统本身，还包括通过有线或无线方式与其他系统或运行在专用计算机上或云中的应用之间的连接。

连接性的增强为应用带来了许多优势，其中最重要的是：
- 能够在现场直接更新运行在不同AAL子系统上的软件应用。在此类系统中，我们可以考虑：
- o 由于添加新的传感器、执行器或引入必须计算的新的衍生量而导致的软件更新，
- o 改变采集的数据的类型、数量或精度，
- o 更新系统运行中使用的算法。
- 更新硬件结构的能力（如果使用可编程集成电路）。此结构的更新将与软件更新具有相同的目的，只是这里设想这些功能将在硬件中实现，而不是在软件中。
- 移动操作员使用专用设备，或通过移动通信直接连接到系统，或通过系统和操作员所连接的云服务，使用平板电脑或手机采集数据样本的可能性。

这些采样在系统安装、配置和定制化期间是必需的，同时在定期检查系统运行情况以及对提供敏感数据的传感器进行重新校准时也是必需的。

的实现 fl 灵活的即插即用系统。在这种系统中，组件可以自动插入或拔出，系统能够识别每种情况并做出相应调整。此功能对于系统定制初期所使用的测量系统，或用于更换发生故障或过时的组件都至关重要。此类智能系统应能识别设备的连接/断开状态，并对其进行智能控制，以全面掌握整个系统的状况。

从测量和监控节点接收连续数据流（用于表征环境和人员活动），并可临时存储在系统内存中。随后，数据可在定期被传输至专用处理单元，或在专用计算机或云上运行的分析与诊断应用。

将移动设备（平板电脑、智能手机）转变为环境辅助生活系统（ALL系统）的组件，或利用其不断提升的性能（如处理能力、内存容量、屏幕和视频摄像头分辨率、多种通信方式（GSM、GPRS、3G、Wi‐Fi、蓝牙、近场通信—NFC）以及集成传感器（加速度、温度、GPS））将其转化为系统的用户界面。这些设备可通过直接使用或添加配件，转换为用于测量距离、角度、地理位置、湿度、噪音或干扰的测量仪，作为表面检测元件，或用作条形码或射频标签读取器，也可用于采集图像或视频，以增强对人员及其环境的信息获取。

9.4.4 系统架构

环境辅助生活系统的通用架构如图9.3所示。众所周知，该图仅能为实际的ALL系统提供一个示意图。我们可以想象，有许多因素会影响为特定场所、被辅助者和系统用户配置和定制的这种复杂系统的最终结构和功能。其中一些最重要的因素如下：
- 被辅助者的家庭住所的类型、大小和形状，
- 被辅助者人数及其需求，

示意图2

可用的有线和无线局域网及广域网连接，
系统用户（护理人员、护士、医生）的数量和类型，
被辅助者的社会文化背景，
社区。

为了应对所涉及的复杂性，我们希望将整个系统构建成多个子系统或设备类别的组合（图9.3）：
- 健康系统（HS）——将用于收集、存储、处理和显示与被辅助者的生理相关的健康参数。数据可以直接从被辅助者的可穿戴设备以及其他移动和固定节点收集。
- 家庭自动化系统（HA）——用于对照明系统、门窗、风扇、空调（AC）系统、继电器类型控制等家用物品进行控制和监测，测量环境参数并表征环境状况，执行家庭监控并提供家庭安全。
- 移动节点（MN）——安装在被监测人员或随被辅助者移动的物体上（如拐杖、衣物、轮椅等），或安装在人工个人助手（机器人）上。
- 固定节点（FN）——是安装在家庭中的测量和监控节点，用于记录人机交互与环境的互动（例如椅子、地板、床以及厨房、浴室或其他房间物体中的传感器），或用于监测和表征人类活动（雷达、位置传感器、麦克风、光障、CO2传感器）。

在此设置中，健康系统和家庭自动化是环境辅助生活系统的两个重要组件。它们收集数据，进行处理，并根据已实施的算法采取行动。根据具体实现，我们可以考虑三种操作模式：
- 健康系统（HS）和家庭自动化系统（HA）独立运行，并通过有线或无线连接直接通信；
- 健康系统（HS）和家庭自动化系统（HA）独立运行，但两者之间的通信与协作通过系统外部的应用（云应用）实现。与互联网的连接通过集线器实现；
- 健康系统（HS）和家庭自动化系统（HA）被嵌入同一系统中，并作为不同的软件组件实现。两者之间的通信在应用层面实现。

9.5 实施与评估

基于图9.3所示的架构，我们开发了多个系统组件的原型。本文将介绍家庭自动化系统、健康系统以及固定和移动节点。

示意图3

9.5.1 家庭自动化

家庭自动化（HA）系统旨在提高家庭舒适度和安全性。该HA系统由三个模块组成：中央单元、气象站和监控系统。系统的框图如图9.4所示。气象站模块包含用于采集各种天气参数（温度、湿度、气压、光照强度）信息的传感器。系统根据温度和湿度计算热舒适指数。此外，该模块还配备雷电/风暴探测器，可在必要时警示风暴的距离以及雷电活动的强度。根据这些信息，用户可采取适当措施以确保适宜的热舒适性，并采取预防措施避免强风暴造成的损害（如雨水进入室内、窗帘或窗户损坏等）。监控系统将提供门窗状态（开启或关闭）、关注区域内的移动检测等信息。这些信息将用于识别非法入侵和非法滞留情况。

该系统可整体运行，其中中央单元负责协调整个操作。模块之间的通信通过射频链路进行。模块之间的最大距离取决于射频链路的类型以及住宅结构。

以及组件材料。实际的射频技术可确保在普通住宅内的距离和墙体材料范围内实现覆盖。两个模块的信息由中央单元收集、处理和显示。数据还可以传输到个人计算机，以便进行进一步的分析、处理和存储。

气象站和监控系统也可以以独立模式运行。气象站模块还可以放置在室外。对于需要在更广泛区域分布站点的应用（例如多栋建筑的养老院），可通过GPS接收器确定位置。如果希望创建一张从环境参数（如温度、湿度、噪音或化学污染）角度刻画地理区域特征的地图，则使用GPS非常有帮助。这需要将气象站连接相应的传感器，移动站点至目标区域，同时采集数据并将其与地理坐标一起存储在本地存储器中，随后进行数据分析，并通过谷歌地球等应用绘制地图。

每个模块均基于微控制器构建的微系统，具有以下功能：
- 模块独立运行的协调器；
- 从传感器进行数据采集和处理；
- 模块与个人计算机的连接性，用于数据传输、调试和软件更新；
- 本地数据显示和临时本地数据存储；
- 射频连接和GSM/GPRS通信。

在特殊情况下，模块可以向预设电话号码发送自动短信或 GPRS消息。对于气象站，当某个气象参数超过预设阈值、舒适度指数超出正常范围，或风暴距离小于预设距离时，即视为特殊情况。对于监控系统，特殊情况包括窗户状态发生变化（如破碎或与正常情况相反——应关闭却打开）、检测到入侵等。通过使用GSM和 GPRS调制解调器模块，可实现自动短信或GPRS消息的发送。发送的消息将包含有关特殊情况的信息，如有需要，还会包含气象站的地理坐标。

在选择用于构建家庭自动化的组件时，记住一些规则会很有帮助：
- 所使用的微系统应基于同一系列的微控制器。这将导致使用相同的编程环境环境（从而更充分地利用开发人员的专业知识），使用相同的仿真、实现、调试和软件更新方法，从而降低整体开发工作量。此外，它还允许平滑过渡到微控制器系列的其他成员（直接影响微系统的硬件和软件优化，以高效利用其资源：闪存、输入/输出 — I/O 线路数量，同时减小微系统尺寸和能源消耗等）；
- 系统应包含多种微系统供电方案（USB — 通用串行总线、电池、太阳能电池等）以及电压稳压器 5/3.3 V，以适应不同的连接模块；必须提供用于输出电压的微型连接器，以向外围模块供电，同时提供数字和模拟I/O，便于外围模块的轻松连接或拆卸。还应提供串行通信线路，以便外围设备或类似的微系统能够方便快速地互连。
- 使用符合规格的外围模块 fi应用要求并且具有相同电气和机械兼容的连接器与现有的控制微系统相结合；
- 使用可通过标准串行接口进行控制的外围模块接口（UART、SPI、I2C 等）。

为了开发家庭自动化系统的原型，我们使用了由Digilent公司制造的不同模块，这些模块专用于构建基于微控制器的嵌入式系统。该公司的产品通常符合前述列出的要求。在其丰富的产品中，我们发现chipKIT微系统非常符合我们的需求。这些微系统基于 Microchip公司的32位PIC32微控制器，可使用MPLABX设计环境或MPIDE进行应用程序开发，其中MPIDE是一种面向PIC32微控制器的Arduino类型开发环境。chipKIT模块有两种外形规格，一种兼容Pmod外围模块，另一种兼容Arduino“Uno”和“Mega” 外形规格的扩展板。

对于智能家居辅助原型，我们使用了与Pmod模块兼容的 chipKIT模块，这些模块可直接连接到chipKIT连接器，并实现不同的外设功能。该类别中可用的基于微控制器的模块包括chipKIT MX3、 chipKIT Pro MX4和chipKIT Pro MX7。它们在类型上有所不同

所使用的微控制器对可用的硬件资源以及Pmod模块的可用连接器数量施加了限制。例如，chipKIT MX3的主要组件和特性包括：一个 PIC32MX320F128H微控制器（128K闪存、16K内存、80 MHz工作频率、42个I/O引脚、12个模拟输入等），5个用于Pmod模块的12针连接器，一个I2C连接器，以及一个用于编程和调试的USB连接器。这 42个I/O引脚支持不同的通信协议，如I2C、SPI和UART，以及其他功能，如脉宽调制（PWM）、外部中断线等。

性能最强的chipKIT微系统chipKIT Pro MX7具有以下组件和特性：一个PIC32MX795F512L微控制器（512KB闪存、128KB内存、80 MHz工作频率、52个I/O引脚、16个模拟输入等），6个与Pmod模块兼容的12针连接器，2个USB连接器，2个I2C连接器，2个CAN（控制区域网络）和1个以太网连接器。52个I/O引脚支持使用I2C、SPI、 UART、CAN、USB和以太网接口进行通信，还可实现PWM信号、 PMP/PSP（主并行端口/从并行端口）模式、外部中断信号等功能。

用于开发智能家居辅助原型的微系统的选择将取决于硬件资源的复杂性和数量，这些资源需满足应用的需求（闪存和RAM内存、 I/O引脚数量、Pmod兼容连接器数量、通信接口的类型和数量）。

使用这些模块的优势在于灵活性，即可以在不更改应用程序软件的情况下，用资源更丰富的微系统替换初始微系统。

为了实现射频通信，我们使用了PmodRF1模块。该模块基于 AT86RF212收发器，具有以下参数：IEEE 802.15.4认证、 700/800/900 MHz ISM频段、250 kbit/s传输速率、最大通信距离可达6 km（视距通信），并通过SPI通信接口进行控制。在通信中我们实现了ZigBee协议，其中各模块以网状网络方式连接，中央单元作为FFD——全功能设备，而气象站和监控系统则作为RFD——精简功能设备。ZigBee协议的使用实现了家庭自动化子系统之间的互联，同时也使家庭自动化系统能够连接到其他兼容系统。网状网络允许RFD模块之间进行数据交换，从而降低了应用复杂性（例如，单个温度

提供气象站和监控系统所需温度数据的传感器）。

为了降低功耗，模块之间的通信被限制在特定频率和特定时间内进行。由于通信条件恶化、中央单元因断电、维护或升级行动而暂时不可用，通信也可能被暂停。因此，气象站和监控系统模块具备临时本地数据存储功能至关重要。

用于本地数据存储，广泛使用的两种解决方案是：一种使用带 I2C/SPI兼容接口的EEPROM存储器，另一种使用SD卡类型的存储器。

SD卡解决方案因其高速SPI接口、大存储容量以及数据传输到个人计算机的便捷性而被更广泛使用。数据以CVS（逗号分隔值）格式存储在SD卡上，可轻松导入Excel或其他数据处理软件进行数据处理。

对于气象站，一条记录将包含来自传感器的数据（温度、湿度、气压、光照强度）、计算得出的舒适性指数、GPS接收器接收到的地理数据以及时间日期戳。在我们的原型中，本地数据存储使用了 PmodSD模块，该模块提供了与SD卡的接口。

对于地理定位，我们使用了基于联发科GPS MT3329电路的 PmodGPS模块。该模块通过简单的UART接口进行控制。数据可以通过不同类型的语句输出，这些语句基于国家海洋电子协会（NMEA）协议。我们的原型采用RMC（GPS推荐最小数据）输出语句类型，以集中形式包含大部分GPS信息。

GSM/GPRS调制解调器采用支持850/900/1800/1900 MHz频段通信的SIMCOMSIM900电路，并可通过UART接口传输AT命令进行控制。

使用基于AS3935雷电传感器集成电路的雷暴探测器实现了对伴随照明现象的风暴检测。AS3935可通过四线标准SPI或I2C接口进行编程。该传感器输出有关40公里最大距离内风暴存在的信息，并指示风暴的强度。

示意图4

本地数据显示采用了一块分辨率为128x32像素的PmodOLED OLED显示屏，并通过SPI接口进行控制。在面向老年人的应用中，使用更大的显示屏会更容易被接受。因此，我们还测试了PmodOLED2 OLED显示屏，该显示屏尺寸更大，分辨率为 256x64像素，支持16级灰度。

关于气象站和监控系统模块所需的传感器选择，市场上实际提供了多种解决方案。在气象站中，我们使用Sensirion SHT21进行温湿度测量，Epcos T5400传感器进行气压测量，以及Maxim MAX44009进行光照强度测量。所有这些传感器都可以通过I2C接口进行控制。

该微系统可以通过USB接口供电，但在移动应用中由四节1.2 V/1000 mAh电池供电。该微系统包含电源稳压电路，用于提供5 V和3.3 V电压，以供给板上的微控制器以及连接到Pmod接口的模块。图9.5给出了气象站原型。图9.5。

WeatherStation 上运行的应用是使用 MPIDE 编写的。由于与 Arduino 平台的兼容性，初始原型设计非常快速，因为有大量用于控制传感器、通信接口、显示器和其他设备的库可免费使用。

第9章开发用于环境辅助生活的嵌入式平台

9.5 实施与评估（续）

9.5.2 健康系统

该系统设计用于与AAL系统的其他组件结合使用，以实现医疗数据的收集、处理、存储和传输，从而加强健康监测以及初步或“原位”医疗诊断。

在使用健康系统时，当前遇到的一个问题是，如何结合被辅助者和监测协议来设置监测过程的最优参数。根据被辅助者及其住宅的具体情况，健康系统必须安装在不妨碍其日常活动的位置。由于健康系统与其他AAL系统组件之间需要电源线和通信电缆来传输信息（命令和数据），这使得被辅助者难以接受该系统。

使用无线通信可提高健康系统的可用性。它能够增加可穿戴节点的移动性，从而提高被辅助者的接受度。

存储系统有时可用于通过收集和累积来自所有AAL系统组件的信息，以用于归档或进一步的数据分析，旨在优化整个AAL系统的使用以及改进AAL功能的过程。

根据哈巴（2012）中提出的设计步骤，我们创建了一个由三种节点类型组成的健康系统原型，一种用于控制健康系统，一种作为具有用户界面的移动节点，另一种用于收集和存储生理或医疗数据以及操作数据。

最小网络将由三种类型的节点各一个组成，这些节点基于既定的通信协议相互通信。该最小网络可以进行测试，并在后续阶段扩展其他节点。例如，可以有两个移动（可穿戴）节点（一个在被辅助者身上，另一个在其拐杖上）和一个存储单元，用于为它们提供存储服务。

示意图5

在图9.6中描绘了包含三种节点类型及其用于实现的模块的健康系统结构。这些节点具有不同的功能，并且都可以通过无线通信模块进行通信。

9.5.3 固定节点和移动节点

示意图6

在图9.7中，我们展示了用于开发和实现健康监测系统（布伦纽克等，待发表）的固定和移动节点的医疗应用开发系统（SDMA）的架构。

SDMA至少包含两个模块：健康中央单元（HCU）和固定节点（FN）或移动节点（MN）。健康中央单元和固定节点放置在病人监控区域，而移动节点通常由病人佩戴或携带。这些模块通过射频链路进行通信，射频链路也决定了模块之间的最大距离。健康中央单元通过射频链路控制FN和MN的操作，并通过该链路进行数据传输。在我们的原型中，射频通信采用ZigBee协议实现。该协议允许HCU或FN与MN连接到其他支持ZigBee协议的现有复杂系统。例如，可以建立FNs或MNs与第9.5.1节所述家庭自动化系统的连接。

数据由健康中央单元处理，并可发送至个人计算机进行存储和显示。重要的数据会在本地显示屏上显示。通过使用微系统，健康中央单元可通过有线或无线方式连接互联网，从而访问云服务，获得更高的多功能性。采集的健康数据可被发送并存储在患者病历中，授权人员（医生、护理人员、家庭成员等）也可访问这些数据。

FN或MN具有灵活且可重新配置的结构，因此可以覆盖大量用例。FN或MN上可用的传感器数量和类型取决于为被监测患者测量的生理信号的数量和类型。例如，在自由跌落检测的情况下，使用三轴加速度计。温度通过适当的温度传感器进行测量，呼吸通过胸阻抗进行测量，而心率则使用ECG模块进行测量。通常情况下，FN和MN的操作由HCU控制，但在某些应用中，FN或MN也可以作为独立系统工作，所有控制和处理均在节点本地完成。

对于独立运行，FN或MN应包含以下组件：
- 用于显示从患者收集的重要数据的本地显示屏；
- 用于临时存储待传输到个人计算机或通过互联网进行进一步处理的数据的本地存储器；
- 用于患者定位的GPS接收器；
- 用于数据交换以及在紧急情况下发送警告信息的无线通信链路。所谓紧急情况，是指患者的健康或生命处于危险中（例如跌倒、心率升高、体温异常等）。

出于维护、调试或软件更新的目的，需要通过串行连接将设备连接到个人计算机。构建SDMA的组件选择必须遵循与为家庭自动化系统选择模块时相同的规则。为了降低成本、保持兼容性并重用代码，在SDMA原型中我们使用了Digilent公司制造的模块，这些模块与用于家庭自动化系统原型的模块类似。一些无法从Digilent或其他制造商获得的模块由作者自行设计和原型开发，并特别注意保持与其他系统组件（如Pmod或Arduino连接器、电压等级等）的兼容性。

作为无线收发器，我们使用了PmodRF1模块，但也对PmodRF2模块进行了测试（基于Microchip MRF24J40收发器，符合IEEE 802.15.4标准，工作在ISM频段2.405–2.48 GHz，传输速率为250 kbit/s或625 kbit/s，最大通信距离约为300米，具有简单的SPI通信接口）。对于本地显示屏、本地存储、利用GPS系统进行定位以及GSM和GPRS消息发送，我们采用了与家庭自动化实现相同的模块。

在选择用于实现功能节点（FN）或移动节点（MN）的微系统时，我们必须考虑需要采集患者的哪些生理测量数据，以及现有哪些可用的模块可以完成这些测量。在这方面，所使用的模块可以兼容Pmods模块，或者可以是兼容Arduino chipKIT扩展板的chipKIT模块。

在我们的原型中，我们使用了这两种类型的模块；当无法获取时，我们构建了与任一类型兼容的测量模块。例如，在心率监测方面，我们采用了与Arduino扩展板“Mega”外形规格兼容的chipKIT Max32微系统。chipKIT Max32板基于PIC32MX795F512L微控制器，与chipKIT Pro MX7相同。采用这种外形规格的优点是能够方便地连接市场上现有的各种心电图Arduino扩展板。

健康中央单元采用chipKIT WF32微系统构建，具有以下特性：Microchip PIC32MX695F512L微控制器（80 MHz工作频率，512K闪存，128K静态随机存取存储器，43个输入输出引脚，12个模拟输入等）、微型SD卡连接器、带A型和micro‐AB接口的USB 2.0 OTG控制器、Microchip MRF24WG0MA无线网络模块等。这些特性提供了将数据集成存储到Micro SD卡以及将系统连接到无线网络路由器的功能，因此无需额外模块需要用来实现这些功能。这种微型系统也可用于构建需要更多内存和计算资源的更复杂的FN或MN。

与家庭自动化系统类似，健康中央单元、功能节点和移动节点的供电可通过微系统USB接口或电池进行。

在健康中央单元上运行的应用是使用MPIDE环境编写和测试的，充分利用了Arduino编程环境带来的各种优势。

在Breniuc等（即将出版）中提出了一种用于老年人跌倒检测的移动节点原型。跌倒检测采用基于Analog Devices ADXL345三轴加速度计的PmodACL模块实现。该加速度计（专用于跌倒检测）的分辨率可在±2/±4/±8/±16g范围内进行编程，并可通过SPI或I2C接口进行控制。移动节点采用chipKIT MX3微系统和PmodRF1收发器构建。

示意图7 包装状态和 b) 未包装状态)

在Breniuc等（2014）中提出了一种基于Analog Devices AD5933电路的阻抗测量系统（图9.9）。该系统采用chipKIT MX4微系统、PmodOLED2显示器、PmodSD SD卡接口以及用于功能选择的PmodENC编码器。该系统可用于呼吸测量。

已为心率、体温和湿度测量开发了类似的原型系统。该移动节点包含用于心率测量的Olimex ECG/EMG模块，以及用于温度和湿度测量的Sensirion SHT21传感器。该模块基于chipKIT WF32微系统构建，可直接连接到无线路由器。通过PmodOLED显示屏实现本地数据展示，射频通信采用PmodRF1收发器，功能选择则通过PmodENC编码器完成。

示意图8

示意图9

9.6 设计考虑

软件开发主要取决于所选的微控制器系统。

最近，大多数微控制器制造商通过为开发者提供全面的设计资源支持，不断扩大支持力度。这些资源分为以下几类：
- 评估板。围绕关键组件构建，并包含支持评估过程的其他设备和电路；
- 参考设计。这些设计针对不同的应用领域开发，包括家庭自动化和医疗保健领域的参考设计；
- 开发板，用于创建AAL系统的原型。这些开发板已包含部分所需的硬件资源，例如：电源电路、传感器、LCD显示器、通信模块（蓝牙、无线网络、以太网）、输入/输出元件（如微型按钮和微型开关）、发光二极管。在最新的开发板上，我们还可以找到传感器、触摸按钮、滑块和面板。板上现有的连接器可访问微控制器引脚，便于插入标准外设模块（Pmods、Arduino扩展板等）或用户自制模块。设计、原理图和设计提示的可用性有助于AAL系统初始原型的开发；
- 丰富的文档，包括数据表、白皮书、参考设计、代码示例、用户指南和参考手册；
- 实现最常见嵌入式系统功能的代码库；
- 应用平台，提供实现通用功能的可用代码，以及实现特定功能的代码，例如传感器数据融合、标准或专有通信协议栈（通用串行bus、蓝牙、以太网、无线网络）、电机控制、显示控制等。

AAL系统开发始终至少涉及两个步骤。第一步是原型阶段，在此阶段从初始产品概念开始开发规格和概念验证已获得。第二步从产品概念开始，将其逐步推进到用户手中。

为了缩短第一步所耗费的时间，设计者会考虑使用已有的组件，无论是涉及硬件还是软件部分的开发。在此阶段，工作重点将集中在概念的构思与开发上，即确定未来产品所具备的基本功能。近年来，主要在小型公司中流行一种做法，即使用介于业余爱好和入门级之间的开发板及软件组件来进行系统原型制作。尽管使用这些硬件和软件模块的演示板和开发板可能并不完全适合最终产品，但它们能够在极短时间内构建出功能原型。在我们的案例中，出于原型制作的目的，我们采用了Digilent的外设模块和开发板，以及兼容Arduino库的MPIDE编程环境。因此，我们得以利用互联网上丰富的Arduino库和代码示例，快速开发我们系统组件的功能。

在原型开发之后，设计的第二阶段将专注于制造一种不仅功能完善，而且满足多种最优性标准的产品，例如低成本、小型化、低功耗、美观设计、普适性和可用性。此外，该产品还必须符合医疗保健系统领域的特定指南、标准和法规（EEC, 1993；ANSI, 2009；AAMI, 2004；IEC, 2014）以及个人数据安全方面的规定（Zaidi, 2003；COM, 2012）。

对于FNs和MNs而言，最重要的优化将考虑系统微型化、微控制器资源管理、降低能源消耗以及限制无线通信模块的辐射发射。

在此阶段的软件开发中，将使用专业的编程环境（MPLAB 或 MPLABX 代替 MPIDE），这些环境包含增强的开发工具，例如具有高级代码优化功能的编译器、调试和内存跟踪工具、代码性能分析以及代码版本控制工具。

构建该平台的目的是为基于现有或新兴硬件和软件技术的多应用提供支持。该平台的架构源自其他已用于较小且更专用应用的平台，这些平台旨在仅测量一个参数，例如温度或湿度。

该平台最初构想用于支持环境辅助生活应用的开发，但也可用于其他能够利用该平台丰富功能集的领域。所提出的平台可应用于家庭自动化和环境辅助生活领域的多种应用。

不同的平台特征可以关联到环境辅助生活系统所需的特定特征。表9.1展示了一个覆盖矩阵，其中单元格（x）中的符号表示平台特征pf、af覆盖了环境辅助生活特征pf，因此可用于实现该功能。af

该矩阵可用于特定应用的设计和配置。可以根据已知硬件和软件资源的特定开发板对矩阵进行定制。通过确定我们想要构建的医疗保健或家庭自动化系统所需的功能，我们可以判断特定平台是否支持该系统的实现。

该提议系统的一个重要特征是在两个子系统之间共享采集和处理后的数据。家庭自动化系统收集的数据信息可被健康系统使用，以便针对被辅助者的状况或环境采取特定行动。这些行动可能包括发出简单的视觉或听觉警报，或更复杂的操作，例如调整特定生命体征的采集速率、开始将数据记录到SD卡，或向护理人员或医生发送警报消息。

两个子系统之间共享的数据类型以及在特定情况下要采取的行动类型，很大程度上取决于被辅助者及其所集成的护理系统。

基于我们所提出的已实现系统的特征，我们确定了实现以下交互的可能性：
- 偏离正常值和大气压力值的快速变化 → 大气压力值的快速变化可能对有健康问题者的健康和日常活动产生负面影响。大量研究表明，大气压力的变化（无论是上升还是下降）都可能对呼吸系统、肾脏系统和心血管系统的患者健康产生不利影响。这些变化还可能导致反应时间缩短和注意力改变，从而引发事故，并可能诱发或加剧患有精神疾病者的焦虑情绪。
- 温度、湿度和舒适度指数对被辅助者健康的影响。尽管人们可以适应温度和湿度的变化，但由于老年人健康状况较弱，他们可能会受到更严重的影响。温度的改变湿度可能引起呼吸系统和心血管系统问题，还可能导致皮炎患者的病情恶化。
- 用于检测存在、照明和噪音的家庭自动化传感器可用于识别被辅助者的异常活动，这些异常活动可能表现为被辅助者的非典型行为（如夜间多次上厕所），或与一天中的时间相关的异常活动水平（如白天长时间睡眠或夜间高度活跃），这些都可能暗示健康状况的变化。
- 家中或周围发生意外事件，例如住宅侵犯、窗户破裂、一个或多个公用设施系统故障（供水中断、停电、电话或互联网故障），可能引发焦虑、不安全和恐慌状态，直接影响被辅助者的状况或健康状况。这些情况可由家庭自动化系统捕捉，与健康系统共享，并采取预防措施以利于被辅助者。

在表9.2中列出了家庭自动化与健康系统应发生交互的情况，用于检测这些情况的元件（传感器、检测器、测量仪）以及各子系统应采取的行动。

实现基于两个系统之间的数据交换、与特殊情景检测相关的信号阈值的存储和针对患者的参数调节、两类数据的本地处理与融合，以及运行相应的检测算法以触发相关行动。家庭自动化和健康系统中无线通信模块和强大的32位微控制器的可用性，使我们能够在前一节介绍的原型中实现这些类型的交互（布伦纽克和哈巴，2014；布伦纽克等，待发表）。

在开发AAL系统时，表征系统将要运行的环境以及该系统对环境和用户的影响至关重要。在具有高磁场和/或电场的环境中记录生物信号（心电图、脑电图、肌电图）非常重要。我们开发了一种方法论，用于在磁疗过程中记录和处理个体的心电图信号，并研究由于高水平电磁环境引起的心率变异性（HRV）的变化，相关内容见安德里托伊等（2013）。

为了确定心率变异性（HRV），我们使用了两种方法，一种基于维格纳函数，另一种基于小波函数用于从受干扰的心电图信号中检测R波峰值，结果展示在布兰齐拉和大卫（2013）。

电磁干扰的表征及其防护是环境辅助生活设计中的关键步骤，需要应用为子系统验证而开发的方法论。