智能家居分布式健康管理系统探究

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摘要：智能家居系统是电子信息技术和生物信息的结合体，能让人们与家居以及外界进行交流，本文以单片机为主控芯片，采用的分布式健康监测系统可通过床、地板、饭桌形成一个功能集成化、低成本、易操作、可实时采集人体健康参数的健康监测系统，能实现健康监测、健康管理等功能。

关键词：智能家居；健康监测；分布式系统

0引言

世界上第一幢智能建筑CityPlace是由美国联合科技集团开发的，随后出现了SmartHome系统对多种功能结合的家居设备进行控制和管理[1]。新加坡推出“未来之家”后，美国研发了代表性的X-10智能家居系统[2]。Honeywell、CAN等公司逐渐成为智能家居行业的领头企业。我国在1997年确定小康住宅电器总体设计要求，1999年研讨我国智能小区的发展方向，起草第一部智能住宅小区技术标准[1]。虽然我国的智能家居系统行业较国外而言起步晚，但随着我国科技与经济不断发展，中兴、华为、海尔、小米、TCL等多家企业也加入了智能家居产品的开发和研究的行列中[3]。西南交通大学科技公司研发了“网络智能控制数据终端系统网”；清华同方开发了“e.Home数字家园”；海信开展了“智能家居控制系统”等。1988年东京医科大学Tamura研究团队通过传感器，分析人体在床上的温度分布，实现人体在睡眠中的实时监测，进而分析用户的睡眠质量。1999年，美国乔治理工学院建造了智能住宅AwareHouse，用于衡量居住者生活中的健康状况。随后，Postolache等人将BCG传感器至于轮椅背后，以轮椅为载体，实现无意识监测呼吸频率和心率。国内的家庭健康系统起步较晚，白净教授团队研发了一套可在家完成监测患者心电、血压情况，并将数据反馈给医院的监测系统[4]。2000年，吴宝民等人开发了一套网络化生理参数监测系统，通过手持电脑联系患者与医院，将患者端采集的数据发送至手持电脑中，并传送给医院供医者分析[5]。香港中文大学开发了一套基于液体静力学的无袖套血压测量保健衫，浙江大学叶学松课题组研发了可同时测量细腻点、血压、心率等多种生理参数的可穿戴生理参数监测系统[6]。智能家居产品日益成熟，但国外的许多智能家居系统价格昂贵，不符合国内的消费需求。同时，我国国内的智能家居系统所需的终端数较多，且由不同的公司生产，它们之间互不兼容，造成操作复杂的弊端。再者，智能家居的国际标准还没有明确的统一，许多企业研发的产品基本只适用于自身的组网和通信协议，这样就导致了智能家居产品使用范围具有局限性[7]。除此之外，智能家居系统还存在容易发生虚警和漏警的现象，这是因为传感器技术的不足及其灵敏度受环境影响的原因，造成系统虚警漏警的现象，从而降低了智能家居的舒适度[8]。

1智能家居分布式健康管理系统设计

本系统采用开源硬件平台，运用分布式架构实现快速开发、功能模块扩展，增加健康监测与管理功能，扩大了测量范围，有效的将健康监测管理与智能家居结合起来，为用户提供实时的健康监测、健康管理、亚健康报警。本系统整体框图如图1所示，为了有效的将传统压力传感器、健康系统以及智能家居有机融合在一起，本系统通过平时常用的家居桌椅、床、地板等位置放置相应的传感器集群、监测和判决模块来实现数据的实时采集；通过数据的分析及时对家电进行相应的控制向用户反馈相应的健康生活指导，通过控制中心模块进行数据分析、处理与判决，实现降低智能家居系统成本、功能完善、集成式测量体重。系统组成主要有压力传感器、HX711芯片、STC89C52单片机等部件。传感器选用电阻应变片压力传感器构成电桥，将物体重力转换成为电压信号，再由集成芯片HX711完成信号放大和模数转换功能。最后通过STC89C52实现数据处理，通过定量实验达到较高的稳定性。本系统一共分为四个模块，包括报警模块、显示模块、信息采集模块、控制模块。其中采用STC89C52作为系统的控制芯片，显示模块采用LCD1602液晶显示器，数据采集由各种传感器组合完成，进而通过各种系统程序完成系统控制、报警、显示等功能。本次的智能家居分布式健康管理系统采用STC89C52单片机及晶振电路和复位电路组成整个系统功能的核心单元，整体硬件电路如图2所示。其中晶振电路与复位功能分别由STC89C52的X1、X2、RESET引脚输出。STC89C52芯片连接HX711芯片，当接收到HX711输出的信息后，根据具体功能要求控制相关模块进行响应，根据系统功能延伸出信息采集电路、报警电路、按键复位电路、显示电路、控制电路等。在正常功能中，达到人机交互的功能，实现清晰地显示用户的健康状态以及设备状态，用户在显示界面上关注自己的健康状态的同时也能实现健康预警功能，例如快达到健康临界值时，及时的控制自己的饮食习惯，增加自己的运动量等；出现亚健康状态时实时显示相关体征值与超额信息，提醒用户进行健康运动，实现有效的健康监测和亚健康预警功能。声光同时报警是考虑到不同人群的适用范围，例如聋哑人对光报警更敏感，视力障碍的人群对声音更敏感，两种不同的报警模式能够更有效的达到向用户报警的功能。智能家居分布式健康管理系统不仅具有健康管理功能，还能有效的将家居系统与健康管理有效的结合起来，构成高效、智能的家居健康管理系统。为达到这一目的，本系统将STC89C52的P1.1—P1.6用作功能延展区，在这个区域依次连接开关，用作控制家用电器电源，除去传统的智能家居的窗帘控制、灯光控制等可以在此区完成外，本系统还在此区添加了智能健康控制功能，主控系统在接收到用户的亚健康报警时，可通过控制开关锁存相应的家具，例如冰箱、零食柜等，更加有效的从源头减少不健康的生活习惯。健康监测首先是通过压力传感器采集被测物体的被测值，将其转换成电压信号。由于输出电压信号通常较小，需要经过前端信号处理电路进行准确的线性放大，放大后的模拟电压信号再经过A/D转换电路转换成数字信号被送入到主控电路中，再经过主控电路的单片机控制译码显示器，从而显示出相应的体测参数。其中数据采集模块对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。系统软件组成分为两个部分。数据信息采集层包括家具用品状态采集点、家电控制状态检测点、用户体征参数采集点；数据处理层包括ZigBee数据终端、串口驱动、STC89C52存储。通过分布在家居用品的传感器进行不同功能的信息采集与处理。ZigBee主节点获得信息后将信息传输给主控芯片STC89C52，由主控芯片分析信息后向串口发出相应的控制指令，完成相应的指令。同时，ZigBee主节点还能将各子节点发送到云服务器，可形成属于用户自己的数据库，方便后期进一步分析用户的健康状况，为用户提供更贴合自己的健康管理方案，除此之外，此云服务器为共享资源，可用于医护人员诊治用户的数据分析表，更加便捷的获取近期用户的健康信息。本系统利用单片机控制的优势，实现高精度以及高稳定性的称重过程的一系列要求。为了方便程序编写、调试和调用，本次程序设计采用了模块式思想，分为主程序与子程序。主程序用于初始化系统，进行统一化管理和调用各个子程序，实现系统有效的运行。子程序包括数据采集程序、按键程序、A/D转换程序、报警模块程序、LCD显示功能程序等，各个子程序的相互协调、明确分工，在主程序的管理与调用中，共同完成本系统一系列功能，实现健康管理、亚健康报警、健康监测等功能。

2总结与展望

实现在家居生活中实时的监测人们体重变化并有效的进行健康监测与管理，开展了本次智能家居分布式健康管理系统研究，完成系统软硬件的设计。根据实际需求结合实用性、适用性、稳定性、功能性等方面出发，完成了智能家居分布式健康管理系统的软硬件设计，并进行了部分功能测试与检验。未来将开发基于大数据的健康运动方式推荐系统。根据用户近期的健康监测参数，为用户推荐更合适、更精准、更有效的健康运动方式。分析用户近期热量摄入量，为用户推荐健康的食谱用以均衡热量。

作者:张楠 张福鼎 单位:江苏第二师范学院物理与电子工程学院