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作者:甘凱文、馬鴻祥(2005-02-23);推薦:徐業良(2005-02-28)

RFID為基之可攜式遠距居家照護監測系統之研發」計畫書

Development of a RFID-Based Portable Tele-homecare Monitoring System

中文摘要

元智大學「老人福祉科技研究中心(Gerontechnology Research Center)致力於「遠距居家照護(Tele-homecare)」系統的研發,已有具體成果。「識方科技(Bandwave Technology)」則定位於發展「無線射頻辨識系統(Radio Frequency Identification System, RFID)在各行各業之應用,並已有RFID幼童保護系統,實際應用在市場當中。本計畫便是希望結合元智大學在「可攜式遠距健康監測系統(Portable Tele-Monitoring System, PTMS)」上既有研究成果,及識方科技RFID之豐富的經驗和硬體整合能力,特別針對RFID的特色與優勢,應用於可攜式遠距照護系統PTMS架構上,開發一套「RFID為基之可攜式遠距居家照護監測系統(RFID-Based PTMS)」,以行為模式監測為主,應用於高齡者遠距居家照護。

關鍵詞:遠距居家照護無線射頻辨識、行為模式監測

英文摘要

Gerontechnology Research Center of Yuan Ze University has been developing tele-homecare systems, and has acquired solid results. Bandwave Technology Inc. dedicates in developing RFID application systems, and has already developed a commercialized RFID child-protection system. The purpose of this project is to combine YZU’s “Portable Tele-homecare Monitoring System (PTMS)” with Bandwave’s experience and expertise in RFID, to develop an RFID-Based PTMS. This system will be used for behavior pattern recognition of the elderly.

Keywords: Tele-homecare, RFID, behavior pattern recognition.

1.     研究背景與目的

1.1 遠距居家照顧的研究

居家環境是每個人最熟悉的空間,也是停留時間最長的場所,建構於居家環境下的健康監測系統更能提供長期、持續性的健康監測資料。Suzanne[1997]等人研究顯示日常行為模式改變可能代表潛在著疾病或生理機能退化的早期徵兆;Kenneth[2000]等人更藉由安養機構中健康照護者的實際服務經驗,證實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。藉由建構於居家環境下的健康監測系統能夠早期察覺行為模式、習慣的改變,及早發現疾病以及生理機能衰退。

近年來有許多「遠距居家照護(Tele-homecare)」相關研究,希望結合資訊與通訊科技,使能在被照護者的家中便利、有效地提供個人健康管理與保健服務。在歐洲、北美、日本也已經有許多遠距居家照護系統已開始作商業運轉,國內也有許多相關研究計畫在進行中。大部分遠距居家照護系統都以慢性病患為對象,長期監測生理訊號,並透過網際網路傳送至集中式資料庫(centralized database)儲存、管理,以作為醫療院所診斷之依據。然而這樣的系統架構規模龐大,系統核心是醫院及資訊服務供給者(ISP),所需基礎建設投資大而較缺乏商品化的彈性。此外這樣的架構在國內現行醫療體系、健保制度下似乎也較不可行。

元智大學「老人福祉科技研究中心(Gerontechnology Research Center)」整合校內機械、工管、資工、資管不同領域教授,執行國科會整合型計畫「建立高齡者生活品質之智慧型維護系統」(NSC 92-2213-E-155-024)。在此整合型計畫中提出了「可攜式遠距健康監測系統(Portable Tele-Monitoring System, PTMS)」之架構(如圖1),以每一家庭(household)為健康監測資料傳送、儲存、與分析的基本單位,軟硬體設計均以模組化、可攜式(portable)為原則,僅需基本家庭網路環境(如ADSL),不需專用伺服器主機,便能依個人需求自行裝置於居家環境中。子女、照護者、乃至醫生都可以透過網際網路進入系統中,查詢健康監測資料。

如圖1所示,PTMS的核心是一個以微控制器搭配網路晶片架構,直接連結網際網路環境的「分散式資料伺服器(Distributed Data Server, DDS)」,有體積小、成本低、不易中毒、資料安全性高的優點,十分適合本研究可攜式系統需求。DDS能夠接收各感測器傳送過來的健康監測資料(如圖1中綠色箭頭),本研究目前發展的健康監測項目包括行為模式監測、睡眠品質監測、環境品質監測、與生理訊號監測四大類,其中行為模式監測主要目的在於行為模式改變的判讀(behavior pattern recognition)。行為模式監測所使用感測器種類很多,佈建範圍廣,因此感測訊號均以無線方式傳送至DDS,原始感測資料經DDS中軟體處理後儲存。

如圖1中紅色箭頭所示,DDS中所儲存單一家庭、經過初步處理之健康監測資料,被動地接受子女、照護者、醫生、或其他經授權人員的資料索取要求,經由網際網路以客製化VB程式或IE瀏覽器讀取資料,並在client端電腦上由VB程式作進一步處理、分析、與資料呈現。

除了被動地接收監測資料及接受讀取資料外,DDS也有由事件驅動(Event Driven)主動傳送訊息的功能(如圖1中藍色箭頭)。當感測訊號發生事先設定之異常狀況(如高溫),或DDS長期監測資料顯示異常模式(如長時間沒有動作發生),甚至被照護者在意外發生時主動按鍵傳呼,DDS即會以E-mail或手機簡訊,發送特定對應訊息給指定電子郵件住址或手機電話號碼。

此外PTMS還可以進一步連結其他“智慧屋”應用(Smart House Applications)DDS判讀感測器訊息,驅動家庭中空調、門窗、燈光、警鈴等開啟或關閉,使PTMS除了健康監測外,更有促進安全、舒適、便利生活的意義。

1. PTMS架構圖

1.2 RFID之簡介

「無線射頻辨識系統(Radio Frequency Identification System, RFID)」是一種以RF無線電波辨識物件的自動辨識技術。RFID在歷史上的首次應用可以追溯到第二次世界大戰期間,當時的功能是用於分辨出敵我雙方飛機,我方的飛機上裝載有高耗電量的主動式標籤(Active Tag),當雷達發出詢問的訊號,這些標籤就會發出適當的回應,藉以識別出是友軍或是敵軍,因此當時稱此系統稱為IFF(Identify: Friend or Foe)1970年代末期美國政府將RFID技術轉移到民間,目前已經被廣泛應用於各個領域。

RFID系統主要包含了標籤(Tag)、讀取器(Reader)、天線(Antenna)、應用軟體及主機(Host)等元件。RFIDTag內建RF發射機模組與控制電路,當Tag感應到Reader所發射無線電波時,會將Tag內的資訊傳回ReaderTag的產品可區分為主動式標籤(Active)與被動式標籤(Passive)兩種型式,主動式標籤內含電池可隨時傳送資訊給Reader,並有較長的通訊距離,可儲存較大的記憶體,但價格較高。被動式標籤無電池,其電源來自讀取器所發出電波對Tag產生感應微電流來供應其電源動力,再利用電波將其資訊傳回讀取器,故通訊距離較短。被動式標籤好處在於不需外加電池,可達到體積小、價格便宜、壽命長以及數位資料可攜性等優點。被動式標籤之天線為內建的,用以感應和產生RF無線電波,以收發資料。RFID讀取器能發送微波能量來讀取Tag內的資訊,後送至電腦主機、經應用軟體處理,作各種自動化整合應用。Reader的天線一般內置於機盒內,當需讀取較長距離的Tag時,所需RF能量較大,故天線為外接式。

與一般無線感測器相較,RFID具有幾個特性與優勢:

(1)   RFID同時也具備ID識別功能,同時RFID可以一次處理多個電子標籤的資料,在多位受測者的環境下,也能區分每一位受測者的行動狀態。

(2)   同時RFID可讀寫、資料負載量大,有可追蹤受測者的特性。

(3)   被動式RFID電子標籤價格便宜,可大量、重複使用。

(4)   DFID也可以結合感測器,成為無線收發的介面。

然而一般來說,被動式RFID標籤傳輸距離較近,一般僅在幾公尺之內,如需較遠傳輸距離,其reader價格相當高,是RFID重要的限制。主動式RFID標籤則能有較遠傳輸距離。

「識方科技(Bandwave Technology)」為一家全球性系統整合技術服務公司,定位於發展RFID在各行各業之應用。目前該公司已有幼童保護系統、遊樂場圖示尋人系統等相關RFID之產品,並已實際應用在市場當中。2為識方科技20047月推出「護翁系統」架構圖,已在許多幼稚園實際應用。如圖2,幼童身上配戴RFID個人標籤(Person Tag),當建置於大門之Door Reader接收到幼童的個人標籤資訊,便將資訊傳送至架設於學校的中控系統(Centralized Database),系統對內會進行監控(Monitor)幼童進出狀況、列印(Printer)出席報表、及儲存(Save)當天的記錄,而對外則會透過網際網路(Internet)藉由通信業者發送簡訊給使用者,也就是幼童的父母親,告知幼童是否以進入或離開學校。方科技並於200410月推出「ASP版護翁系統」,將資料庫建置於公司,使用者能夠透過網路瀏覽器直接連結,更方便使用這套程式,且免除各級學校建置、維護資訊系統的成本。

2. 識方科技之護翁系統架構圖

1.3 本計畫的目的

目前PTMS使用的感測器在行為模式判讀上一項重要限制是,在多位受測者環境下,無法區分感測到的是哪一位受測者。識方科技也希望將護翁系統所發展的技術,進一步擴展到高齡者居家照護之應用。

本計畫便是希望結合元智大學在可攜式遠距照護系統PTMS上既有研究成果,及識方科技RFID之豐富的經驗和硬體整合能力,特別針對RFID的特色與優勢,應用於可攜式遠距照護系統PTMS架構上,開發一套「RFID為基之可攜式遠距居家照護監測系統(RFID-Based PTMS)」,以行為模式監測為主,應用於高齡者遠距居家照護。

比較圖1和圖2PTMS和護翁系統架構有許多相似之處。因此本計畫將分兩階段進行,第一階段將建置「可攜版護翁系統」,感測部分仍維持護翁系統的大門進出監測,但系統架構更改為PTMS架構,特別是研究將護翁系統的中控系統更換為PTMSDDS,降低此系統的建置成本,提升其可攜性,使其能在家庭普及應用,且免除客戶對於將Centralized Database建置於公司,造成居家資料外流的疑慮。第二階段則將根據RFID特性,思考、衍生出適合居家照護之應用情境(scenario),增加RFID的行為模式監測項目,發展行為模式監測演算法及軟體,並作進一步整合與測試,研發「RFID為基之可攜式遠距居家照護監測系統(RFID-based PTMS)」,更提升系統的價值。

2.     研究方法與執行進度

這一節中首先討論日常居家的行為模式相關研究文獻,包括RFID在此領域中的應用,最後並歸納出本計畫架構。

2.1 相關研究文獻

隨著各式生命、生理感測技術、資料傳輸技術的發展以及網路的普及,許多學者便試著建立日常居家的行為模式與疾病、生理機能退化之間的關連性。澳洲的新南威爾斯大學Celler[1995]等學者曾經發表一項以預判高齡者健康狀況變化為目的的遠端監測研究計畫,他們認為,高齡者從健康、獨立到生病、虛弱其實有一個轉移的過程,然而這個精細、微妙的過程不易為照顧者、醫生、甚至高齡者本身所察覺。因此他們嘗試證明從一些簡單的監測,如高齡者的活動力、睡眠模式、乃至於使用廚具、盥洗、如廁的模式,便能夠預先判知高齡者功能性健康狀況的改變,從而發出適當、及時、合乎成本的通知並進行處理,以減低高齡者罹病率並維持獨立、良好的生活品質。

Bhattacharya[2002]所建構的Smart Room也有類似的概念,如圖3所示,利用居家環境中各式極限開關、紅外線感測器等裝置,監測居家環境中受測者的日常行為模式。Ogawa[2002]等學者也設計了類似的裝置,如圖4所示,用以記錄日常生活模式與居家設施的使用情形。由英特爾出資喬治理工學院與羅徹斯特大學所建造的“感應屋(Aware home)”在模擬住宅中設置了感測老人動作、聲音等活動量的感測系統,以圖5所示網路數位像框方式提供子女或醫生觀察老人居家活動的狀態[Kirschner, 2001]

3. Smart Room

4. 居家生活模式的監測

5. 感應屋的網路數位相框

麻省理工學院建築系和媒體實驗室合作設立了“PlaceLab”,研究在居家環境中健康照護、能源使用、溝通、商務、娛樂、工作等狀況。在PlaceLab的架構下,研發了數種可攜式感測工具(Portable Place-Based Research Tools),並配合固定式感測器用來擷取人類的各種情境訊號,而發展了人類活動力分析的演算法。如圖6所示,在一個普通造型的衣櫃中,建立了包含微處理機、光感測器、溫濕度感測器、濃煙感測器、紅外線感測器、二氧化碳感測器、喇叭、麥克風、影像擷取等眾多感測器。圖7中廚房環境裡,更布置了三十幾項感測器,全面進行做居家環境及活動力之監測[http://architecture.mit.edu/house_n/]

 

6. 衣櫃中的感測器

7. 廚房環境中的感測器

RFID技術應用目前多半在物流管理,在遠距居家照護的應用並不多。Matthai[2004]等學者曾利用RFID來作日常行為活動(Activities of Daily Living, ADLs)的辨識,藉由在受測者家中裝設近千個RFID Tag於日常生活使用頻率數次高之物品上,受測者穿戴如圖8之附有RFID Reader的手套,當手觸碰貼有Tag之物品,並依照觸碰物品的ID、順序,搭配使用所發展的演算法,有相當不錯的的行為模式辨識率。

8. RFID應用於辨識日常活動行為

由上述相關文獻資料,可以歸納整理出以下幾點思考:

(1) 在居家環境下布置感測器,監測受測者的行為模式、活動力,以預判受測者健康狀況變化,是相當普遍的研究。但在多受測者環境中如何辨識不同受測者,則未有深入探討。

(2) RFID在遠距居家照護的應用並不多見,且尚未有由受測者配戴Tag作行為模式監測的系統出現。

2.2 本計畫架構

本計畫開發之RFID-Based PTMS系統架構如圖9所示。與圖1相較,RFID-Based PTMS著重於行為模式監測,而以RFID取代PTMS現有之行為模式監測無線感測器,成為近端資訊無線傳遞的橋樑,感測器介面更標準化、模組化,也更符合PTMS“可攜性(portability)”的需求。與現有無線感測器比較,RFID同時也具備ID識別功能,在多位受測者的環境下,也能區分每一位受測者的行動狀態;同時RFID可讀寫、資料負載量大、可追蹤、可大量重複使用,更可依這些特性設定各種應用情境(scenario),增加PTMS的功能與價值。RFID reader的成本,以及RFID感測的距離,則是在應用情境設定上時最重要的考量與限制。

9. RFID-Based PTMS系統架構

如圖9色箭頭所示,DDS中所儲存單一家庭、經過初步處理之健康監測資料,被動地接受子女、照護者、醫生、或其他經授權人員的資料索取要求,經由網際網路讀取資料。PTMS中最基本的健康監測資料讀取方式,是經由客製化的VB程式讀取DDS上儲存的資料,在client端電腦上由VB程式作進一步處理、分析、與資料呈現。

經由客製化的VB程式讀取DDS上儲存的資料,缺點是client端電腦必須先安裝此VB程式,才能讀取資料。因此本研究將相關資料處理、分析、呈現、乃至於DDS本身權限管理、系統程式維護與更新所需之應用程式,建置於一Application Server,如此client端電腦便能利用IE瀏覽器經由Application Server讀取、分析、呈現DDS上儲存的健康監測資料。如果仍然有以Centralized Database儲存、管理資料的需求(如醫院、安養中心、或社區),PTMS的架構仍有擴充彈性,如圖9Centralized Database可定時以批次方式逐一向各家庭之DDS索取資料儲存,client端電腦便能利用IE瀏覽器經由Application Server向集中式資料庫索取所需資料。本計畫中Application ServerCentralized Database預計將配合識方科技資訊技術人員,由該公司現有系統架構修改之。

除了被動地接收監測資料及接受讀取資料外,DDS也有由事件驅動(Event Driven)主動傳送訊息的功能(如圖2中藍色箭頭)。當感測訊號發生事先設定之狀況(如如進出家門),或DDS長期監測資料顯示異常模式(如長時間沒有動作發生),甚至被照護者在意外發生時主動按鍵傳呼,DDS即會以E-mail或手機簡訊,發送特定對應訊息給指定電子郵件住址或手機電話號碼。

2.3 本計畫流程

本計畫進行流程如圖10所示。貫穿整個計畫的是RFID相關資訊與知識之建立,包括搜尋評估國內外現有RFID技術及RFID應用現況,以及RFID產品實際測試,建置完整文件及資料庫,除作為本計畫研究之參考外,亦可為識方科技建立有系統之資訊與知識管理模式。

第一階段工作是建置「可攜版護翁系統」,如前所述,感測部分仍維持護翁系統的大門進出監測,但將護翁系統的中控系統更換為PTMSDDS,此階段主要工作在熟悉護翁系統、RFID系統與DDS之整合,及系統測試。此階段工作預計需要四個月。

本計畫最主要工作在第二階段,根據RFID特性作應用情境設定,增加RFID的行為模式監測項目,發展行為模式監測演算法及軟體,並作進一步整合與測試,研發完整之RFID-based PTMS。此階段工作預計需要八個月。

10. 計畫流程圖

3.     研究預期成果

RFID技術應用於遠距居家照護系統,是一項先驅性研究工作,如能成功,將能擴展RFID應用領域,且提供一套全新的遠距居家照護系統模式,並能結合識方科技作進一步商品化與產品推廣,造福國內高齡族群。

本計畫預期完成之具體成果有三:

(1)    為識方科技建立有系統之RFID資訊與知識管理模式。

(2)    完成建置「可攜版護翁系統」。

(3)    研發RFID為基之可攜式遠距居家照護監測系統。

參考資料

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