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作者:謝清吉、李嘉恩(2001-11-15);推薦:徐業良(2001-11-16)
附註:本文參加九十學年度「元智大學工學院學生專題論文競賽」。

高齡者居家活動監測系統之設計

摘要

本文為九十年度國科會「高齡者生命品質維護系統」計畫中所發展的居家活動監測系統,活動監測的項目包含居家電器類使用與機械式開關次數兩大項,設計上在不改變其外觀與其正常的操作模式為前提下,以“非察覺性(non- conscious)”的方式,監測高齡者居家活動的各項活動量,藉由居家生活行為的長期紀錄,可以提供子女與照顧者家中高齡者的居家活動指標。在監測居家活動的無線技術架構下,可利用相同的無線傳輸技術,同時達到網路遠端控制家電的功能,希望能規劃出適合高齡者健康、科技的居家生活遠景。

1. 研究背景與目標

近年來許多研究學者致力發展在居家環境下之健康監測系統,以分擔高成本的醫療人力與資源,居家環境是每人每天最常停留的場所,非常適合發展居家環境下的健康監測相關技術,藉此可獲得長期持續性的重要生理健康資料。居家環境下的健康監測可以分為兩個層次,第一個層次是生命、生理訊號的監測,目的在於意外發生與生命跡象微弱時緊急救援通報,目前許多醫療與安養機構都設置有簡單的紅外線感應裝置,當長時間偵測不到高齡者的活動跡象時便會發出緊急救援訊號。第二的層次是更積極地藉由日常居家活動以及行為模式長時間、持續性的觀察,如睡眠模式、排泄模式以及居家活動能力與模式,察覺行為模式、習慣的改變可以早期發現健康異常的徵兆,如McDermottBreen[1997]所做的研究即顯示出日常行為模式改變時,可能代表了生理機能退化的早期徵兆。Boockvar等人[2000]更藉由安養機構中健康照護者的實際服務經驗,證實了在疾病與生理機能退化會導致心理層面與生理層面的行為改變,藉由觀察記錄這些改變的過程,我們可以及早預防疾病與生理機能更加惡化的可能。

一般老人照護的概念還是偏重在病痛發生、功能喪失、緊急事故發生等“失效狀態”發生時的處理,若能透過對健康高齡者日常活動狀況做長期、非察覺性監測,建立資料傳輸、儲存、處理、探勘、生活品質評估等資訊系統,在其功能性健康狀況有惡化徵兆時便能做出預判,告知子女或照護者做及時處理,不但能降低高齡者醫療照護之成本,更重要的是維持高齡者獨立、健康之生活品質。評估生理功能與生命狀態的指標,最著名的便是IADL(Index of Activities of Daily Living and the Instrumental Activities of Daily Living),以基本的簡單行為,如是否能自行呼吸、人體動作狀況、穿衣行為、如廁以及飲食活動等,作為獨立生活能力的評斷指標[Katz et. al, 1963; Spector et. al, 1987]。本文藉著多種感測技術紀錄日常居家生活中的各項活動,包括電器類使用量以及機械式開關類使用量,藉由無線傳輸機制藉由家中電腦伺服器接收。在監測的同時,利用相同的無線傳輸技術可達到反向的遠端控制電器功能,未來藉由網際網路技術的整合,子女或照護者可以藉著網頁介面觀察家中高齡者的各項活動指標與家中電器、門窗開關情形,並可利用遠端控制技術控制家中電器開關,希望藉由此項研究能具體規劃未來健康科技住宅的遠景。

2. 設計需求

居家活動監測系統是以“非察覺性(non- conscious)”為前提,並以自動化、模組化的設計為基本的設計需求。本系統以自然地融合於高齡者的家庭設施而達到非察覺的監測,透過我們所謂的家庭總管(資料伺服器)來進行監測資料的統合整理以及遠端控制的功能,以下便針對本研究的各項設計需求加以討論。

(1)非察覺性

所謂的非察覺性的設計需求,必須使高齡者無須改變其日常的作息習慣、無須在其身上加裝任何的感測裝置、亦無需額外的操作手續,自然地量測到高齡者使用家中設備的情況。因此,本監測系統在工作時不須要額外再啟動任何裝置,而會伴隨著高齡者在使用居家設備時自動開始進行監測。

(2)外掛式模組化設計

居家設備的種類繁多,而且每種設備的工作原理與使用方式都不盡相同,如果每項家具都必須設計一個特殊的監測系統,不但設計上較為繁瑣,亦不符合經濟效益。因此,本監測系統必須採用外掛式的模組化設計,簡言之,就是設計出一套適合各項家用設備萬用型的量測設備,並且因為是採用外掛式的設計原理,所以並不需要改變家中設備的原貌,也不會影響家中設備原有的使用方式。我們以高齡者為設計出發點,將居家環境中的可能使用到的設備區分成機械式開關和居家電器兩類進行設計。

(3)伺服器整合-家電總管

本監測系統完成後將與其他居家環境下非察覺性自動化健康監測系統所量得的資料藉由家庭伺服器作資料的整合,未來將透過網路技術將家中資料傳輸至遠端資料庫,進行綜合診斷後以網頁介面的方式呈現。居家活動監測技術中的無線傳輸技術,可同時作為反向的遠端控制家電機制,可以提供高齡者或身處遠端的子女,透過網頁介面瞭解家中環境與電器的使用情形,並能遠端控制家電開關。

總結來說,本研究整體監測流程如圖1所示,主要是針對門、窗等機械式開關與居家電器等兩類為主要的設計對象,其中電器類之冰箱也可以機械是開關類作感測,另外並可加入一般常見的紅外線感測器作活動量監測。

本研究開發重點在圖1中進入“家庭總管”之前的硬體部分,依所需功能我們可以區分為機械式開關感測、電流感測、無線傳輸等三個子系統,以下便分別作細部討論。

1. 監測流程

3. 機械式開關感測系統

居家活動監測項目大致分為門窗與居家電器的使用次數,無論是門窗開關次數的計數,或是居家電器使用量的監測,所要傳送的資料大致上均是“on/off”的單一訊號。如圖2所示,前端是利用簧磁開關與電流感測器監測使用量的訊號,再經由相同的無線發射模組,將使用量訊號送至家中伺服器,所得的資料藉透過網際網路的傳輸,經由遠端的伺服器能完成長距離、長期的資料整合與儲存。

2. 系統作業流程圖

居家環境中的的門、窗不外乎是傳統的門軸式的,或日本的和式推向兩方的形式,兩者共通點是在開、關門、窗的時候,都有明顯的“錯位”發生。因此在計算門、窗的開關次數時,最簡單的方式便是將磁簧開關(圖3)裝置於無線發射模組的發射端,讓此一感測裝置可以隨意的配置於任何的門窗上,達成模組化設計的目標。

3. 磁簧開關

4. 電流感測子系統

所有的資料擷取,都必須在“非察覺性”的前提下,並且必須達到模組化、不破壞原有裝置的設計需求,因此,在居家電器使用量的量測方面,我們決定選用非破壞性的電流感測器。我們最終選用的電流感測器是屬於CT型的CTL-6-S(如圖4),所量到的電壓是利用分壓的方式擷取,符合安全性的考量,此電流感測器不需額外提供電源,有助於縮小居家活動監測系統的體積,是我們選用此電流感測器的最主要原因。

4. 電流感測器

CT型電流感測器的作動原理,是當被感測的電流流過磁鐵環,此時纏繞在磁鐵環上的線圈會產生感應電流,進而產生電壓差,注意此時所引出的是交流電壓,還須作進一步整流處理,才能得到所需之電壓訊號。

當居家電器被開啟作動時,其間流過的電流量會有明顯或些微的改變,藉由電流的變化可以觸發整體計數。然而居家電器的種類繁多,其中亦有所謂的“省電模式”(如電視、電腦螢幕),因此我們必須先證明電流感測想法的可行性,是否能量測到符合我們所定義的使用次數。我們將居家常用的電器區分成下面三類,做實際的電流測試:

(1)燈源類

市面上的燈源主要分為日光燈型與燈泡型兩種。其中日光燈需注意的問題是在於日光燈的光源非持續性的,而是以特定的頻率,做週期性的閃爍;至於燈泡方面,則需而外考量可調亮度的型式。因此,我們分別以日光燈型與可調亮度型的檯燈為實驗的對象,目的在了解當燈光的亮度改變時,其間電流的變化量以及日光燈的閃爍頻率是否會影響我們的量測效果。

(2)可調節類

一般家中的電器,多半都只是透過單純的“on/off”來達到開關電源的效果。然而除此之外,亦有些電器是可做某程度的輸出調整,如風扇可以調整其風速。因此,我們便以風扇為量測對象,設計實驗以了解當風速改變時,其間電流的變化情形。

(3)配有省電模式類

先前所提到居家電器中亦有所謂的省電模式。因此,我們便以電腦螢幕為量測的對象,透過三用電表來讀取經電流感測器所屌引出的電壓值,判別電腦螢幕處於省電模式與一般使用中的電壓值相差多少。

針對上述三種形式的電器分別作測試,可以發現兩個結論:

(1)       由於電流感測器是經由電流的改變而導引出交流電壓,因此當居家電器的電源關閉時,我們所量的交流電壓值都會趨近於零;然而配有省電模式的家電,則會因為主電源始終都未切斷,因此當其處於省電模式時,亦會量測到某一固定的小交流電壓(約為0.52V),當離開省電模式時,則又會回到一般的on狀態。

(2)       當家電的電源打開時,由於家電種類的不同會量得不同的交流電壓,而此交流電壓的大小會隨著家電的功率大小而改變。功率越大者,所量得的交流電壓越大。

5. 無線發射模組

我們所選用的發射模組是TG-11無線收發模組,它是由發射器和接收器所組成的模組,系統特性如下:具備UHF發射接收電路,可做無線電傳輸及控制等相關應用。搭配編解碼IC,不易受外界雜訊干擾。可搭配DIP開關裝置來調整密碼設定。頻率範圍從300MHz434MHz

由於此發射模組為一套件,所以只要了解其電路連接的方式,就可以大致知道其作動的方式,因此下面我們就分別對發射及接收模組的電路概要的介紹,圖5為發射與接收模組電路圖,使用315MHz頻率的發射模組,HT-12E為編碼IC,其Pin1~Pin8連接DIP開關,調整JUMP來設定密碼,當發射模組與接收模組的密碼設定相同時才能進行收發動作;HT-12E編碼ICPin10~Pin13是控制訊號輸入腳位,接收外部“on/off”訊號。

5. 發射與接收模組電路圖

我們的門窗開關類是直接採取磁簧開關與無線發射模組互相搭配而成的,所以在實驗規劃上,我們將把磁簧開關裝置於發射模組的HT-12E編碼ICPin10~Pin13腳位,這四個腳位是訊號輸入處,專門接收外部“on/off”訊號,也就是磁簧開關的通路、斷路情形。在接收磁簧開關的“on/off”訊號時,其相對的接收模組腳位為HT-12D解碼ICPin10~Pin13,這些腳位是控制訊號的輸出,並隨著發射端的不同訊號而產生之不同動作,例如高、低電位。若我們將磁簧開關裝置於發射模組電路上的編碼ICPin10的腳位,並且在接收模組電路上的解碼ICPin10腳位上裝置上一顆LCD;當實驗進行時,把磁鐵塊遠離磁簧開關,其接收模組上的LCD會亮,代表意義為門窗此時是開著的;當磁鐵塊靠近磁簧開關時,遠端的接收模組上的LCD就會熄滅,代表意義為門窗此刻是關著的,由上述的實驗結果看來,此一整合磁簧開關與無線發射模組的設計是可行的。

6. 成果與未來展望

不論機械式開關監測或是電源感測系統,最後都以產品化的角度思考,與無線發射模組整合為單一的“整體化”產品,如圖6與圖7所示。圖6為機械式開關感測裝置,內含簧磁開關與無線發射模組。圖7的電源感測裝置,是一個類似插座盒的電源轉接裝置,內含電流感測裝置、訊號放大電路與無線發射模組。透過我們的居家活動監測系統所獲得的高齡者居家活動資料,經由網際網路的傳輸機制,遠端的照護者或子女可以清楚的掌握高齡者活動能力與家中各項設施的使用情形,更可積極地在生活模式異常改變時提早給予適當的關懷與照護,亦可透過如圖8所示的家庭總管系統透過遠端網頁介面控制家中電器關閉。

6. 磁簧開關裝置外觀

7. 居家活動監測系統的外觀

 

8. 家庭總管的顯示介面

本研究成果受邀在資策會舉辦之第五屆長青資訊月中展出,初步證實設計概念是可行的,後續還必須在產品強健性上繼續改進,特別是居家活動監測系統如何能正確、穩定地適用於各種不同型態家電,還需作更深入、完整之測試。

7. 致謝

於此感謝國科會對此計畫的贊助,同時亦需感謝資策會的邀請,使我們有機會參加第五屆長春月資訊展的展出。此外,我們也要感謝執導教授徐業良教授與3423所有的同學與學長們,特別是蔡宗成學長與鄭智銘學長,在這段期間內的幫助與鼓勵。最後,我們還須感謝謝建興教授及張耀聲學長給我們的意見與思考方向。

8. 參考文獻

Boockvar, K., Brodie, H.D. and Lachs, M., 2000. “Clinical Investigation - Nursing Assistants Detect Behavior Changes in Nursing Home Residents That Precede Acute Illness: Development and Validation of an Illness Warning Instrument,” Journal of the American Geriatrics Society, v 48, n 9, p 1086-1091.

McDermott, S., and Breen, R., 1997. “Do behavior changes herald physical illness in adults with mental retardation?” Community Mental Health Journal, v 33, Iss. 2, p 85-97.

Katz, S., Ford, A.B., Roland, W.M., Jackson, A.B., and Jaffe, M.W., 1963. “Studies of illness in the aged: The Index of ADL: A standard measure of Biological and Psychosocial Function,” J. AM. Med. Assoc. v 185, n 12, p 914-919.

Spector, W.D., Katx, S., Murphy, J.B., and Fulton, J.P., 1987. “The heirachical relationship between activities of daily living and instrumental activities of daily living,” J. Chron Dis. v 40, n 52, p 481-489.