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作者:楊哲彰、徐業良(2009-05-17);推薦:徐業良(2009-05-17)
附註:本文為國科會97年鑑年度優良研究成果邀稿。

應用無線感測網路之攜帶式身體活動監測系統設計

中文關鍵詞:

無線感測器網路、跌倒偵測、遠距居家照護、三軸加速規、高齡者

英文關鍵詞:

Wireless sensor network, fall detection, home telehealth, tri-axis accelerometer, elderly

「身體活動(physical activity, PA)」是指任何由骨骼、肌肉產生,造成熱量消耗的身體動作或姿態。高齡者的活動力變化情況,可以在身體活動的特徵上直接反映出來,因此身體活動監測,如行走的步態(步長、速度、腳尖∕腳根施力)、身體平衡感、姿勢變換時的運動特徵(如起身時的加速度變化、身體軀幹傾角)等,能夠提供量化的數據,作為高齡者活動力與健康狀態的評估指標。本研究開發適用於高齡者於居家環境下使用之無線攜帶式身體活動監測系統,可作即時連續的身體活動監測,用以評估高齡者活動力與功能性狀態,亦可對緊急事件(如跌倒等)達成即時呼救功能。

本系統包括無線攜帶式身體活動感測器及分散式資料伺服器兩項硬體元件。無線攜帶式身體活動感測器外觀尺寸為90mm×50mm×25mm,重量130g,使用時僅配戴於腰部皮帶即可。電路設計主要包含單晶片處理器、三軸加速規以及無線模組等。採用微型電容式三軸加速規(KXPA4-2050, Kionix Co.),具備精確度高且低耗電之特性,可感測身體活動產生的加速度,以及伴隨的身體傾角,感應器輸出訊號經過單晶片微處理器(PIC18LF6722, Microchip Co.)進行10-bit數位類比轉換(ADC)取樣進行訊號處理與演算。無線模組(XBee Series 2, Digi Co.)符合IEEE802.15.4 ZigBee通訊協定,採用無線感測器網路技術(wireless sensor network, WSN)與拓璞(topology),可將活動事件訊號以無線方式,經過無線感測器網路的特定傳輸路徑與方式,傳輸至居家內的分散式資料伺服器(圖2)。分散式資料伺服器(distributed data server, DDS)同樣具備單晶片處理器以及無線模組,更具備以太網路(Ethernet controller)控制與資料儲存單元,可記錄監測資料,並提供網路通訊功能。遠端照護者可直接登入分散式資料伺服器,讀取使用者身體活動各項監測資料,並進行後續活動力分析。

1. 攜帶式身體活動感測器

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2. 分散式資料伺服器

無線攜帶式身體活動感測器內含身體活動演算法,單晶片處理器可由加速度資料進行演算下列之身體活動項目:

(1)   活動狀態辨識:可辨識目前為靜止或是活動狀態。

(2)   即時身體姿態辨識:可即時辨識身體姿態為站姿或躺臥。

(3)   活動量評估:對於活動狀態時,可評估計算其活動量(強度)

(4)   即時跌倒偵測:本裝置可即時偵測突發的可能跌倒意外事件。當偵測跌倒事件發生後,且在其後20秒內為臥姿且為低活動能量(或靜止狀態),則該裝置將自動發送緊急事件訊號至外部分散式資料伺服器,再透過中央伺服器發送事件通知簡訊至指定GSM行動電話收話端。

本裝置亦配備進急事件傳呼按鈕(emergency button),當高齡者於特殊情況下需要協助,或是緊急事件發生時,可按下裝置上的緊急開關,當該按鈕長按超過3秒時,即啟動緊急事件回報,分散式資料伺服器將即刻收到緊急事件訊號,並同樣發送GSM簡訊至指定者的行動電話,再透過中央伺服器發送事件通知簡訊至指定GSM行動電話收話端,作為緊急事件之即時通報。

本研究計劃中對於本監測系統的部分相關研究成果,已發表至國際學術期刊Telemedicine and e-Health 15(1) 62-72(2009),後續將研究工作將整合居家日常生活活動(activity of daily living, ADL)感測器至整個活動感測網路內,並開發事件演算流程,可作為對於高齡者活動力更為有效的評估工具,並納入自動化遠距居家照護系統。