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作者:李亦陞(2012-08-04);推薦:徐業良(2012-09-20)
附註:本文為一百學年度元智大學機械工程研究所李亦陞碩士論文「居家環境下遠距日常生活活動監測系統之開發」第二章。

第二章 遠距日常生活活動監測系統基本架構

本章將介紹本研究遠距日常生活活動監測系統基本架構,如何整合感測器、分散式資料伺服器與智慧型手機的顯示器,將日常生活活動監測系統完整的實現於一般居家環境中。

2.1 遠距日常生活活動監測系統使用情境與基本架構

本研究開發之「適用於居家環境下遠距日常生活活動監測系統」使用情境敘述如下:

“高齡者家中放置「分散式資料伺服器」,在浴室、客廳與房間等處裝設「人體紅外線感測器」,並在電視等電器裝置「電流感測器」。當高齡者在家中活動或使用電器用品時,感測器主動將活動情形與電器用品使用情形以無線方式傳輸至分散式資料伺服器中儲存。遠方的照護者可利用智慧型手機或平板電腦「應用程式」顯示高齡者的居家環境活動情形,包括即時活動狀況與歷史資料,以及相關活動力指標等。"

從前述使用情境可知,本研究日常生活活動監測系統以人體紅外線感測器(Passive Infrared, PIR)與電流感測器(Current Transformer, CT)作為感測設備,以分散式資料伺服器(Distributed Data Server, DDS)為系統核心,以平板電腦或智慧型手機為顯示介面,以網路瀏覽器或應用程式(App)透過網際網路擷取、瀏覽居家活動的資料。圖2-1為本系統之基本架構,各項元件規劃達成之主要功能敘述如下:

2-1. 日常生活活動監測系統基本架構

(1)    分散式資料伺服器

分散式資料伺服器DDS有接收感測訊號、紀錄時間、資料儲存、網路通訊等功能。DDS以無線方式接收感測器所傳來之資料,並以天為單位儲存儲存;遠端使用者可透過網際網路連線至DDS,讀取儲存於DDS中之資料。

(2)    人體紅外線感測器

本研究採用被動式的人體紅外線感測器來偵測受測者在居家環境不同空間中(如臥室、廚房、廁所等)的活動頻率。本研究採用KC778B人體紅外線感測器(如圖2-2)以感測受測者是否經過或停留。KC778B人體紅外線感測器之基本感測距離為50cm(可另接放大電路增加距離),感測的角度水平約50度、垂直約30度;當感測到人體活動時,輸出電壓將會提升到輸入之電源電壓1~2秒鐘;當感測到人體停留時電壓將會提升5秒鐘。

2-2. KC778B人體紅外線感測器

(3)    電流感測器

本研究採用霍爾CT型電流感測器(如圖2-3)以監測家中電器用品之使用頻率。霍爾CT型電流感測器常安裝於插座或電線內,感測原理類似線性變壓器,以非接觸方式感應電器用品使用時因大電流通過所產生的磁通量,可監測特定電器用品之使用狀況與耗電情形。本研究僅監測電器用品(如電視等)ON/OFF狀況。

2-3. 霍爾CT型電流感測器

(4)    應用程式

本研究撰寫智慧型手機應用程式,將日常生活活動監測資料簡單、清晰地表達給一般使用者,包含即時監測資料、歷史資料、以及日常生活活動監測指標。本研究開發之Android應用程式是以Linux為基礎的半開放原始碼作業系統,主要用於智慧型手機與平板電腦等裝置,由Google公司提供了跨平台的整合開發環境,開發者僅需下載最新版本的開發工具即可開發Android系統的應用程式。

本研究使用本中心先前開發之人體紅外線感測器與電流感測器作為日常生活活動監測系統的感測設備,相關功能與規格詳述如下節,第三章將敘述如何以Arduino建置分散式資料伺服器,而開發Android應用程式將在第四章說明。

2.2 人體紅外線感測器與電流感測器之功能與規格

人體紅外線感測器主要包含單晶片處理器(PIC18LF6722, Microchip Co.,)、紅外線開關模組(KC7783R益眾科技)、溫溼度感測器(SHT75, Sesirion Co.)Zigbee無線傳輸模組(XBee Series 2, MaxStream/Digi International),以及電源等週邊被動元件。人體紅外線開關模組透過DI/O與單晶片處理器連接,無線傳輸模組則透過UART(serial TX/RX)與單晶片處理器連接;本裝置可使用外部DC+5V電源輸入,經電壓調節器(LM2940, National Semiconductor)提供DC+3.3V電源至溫溼度感測器、單晶片處理器、以及無線傳輸模組,紅外線開關模組則直接由輸入電源驅動。

當紅外線開關模組感應人體活動時,將於該元件OUT腳位輸出高位脈波訊號,其輸出電壓等於該元件之電源電壓(V+);未感測到人體活動時,則該腳位無輸出(0V)。單晶片處理器以1Hz取樣頻率擷取輸出訊號,若該輸出訊號發生改變,或持續為高位輸出時,視為觸發狀態。紅外線開關觸發之訊號從ZigBee將資料以hex0x1F傳出,表示紅外線開關被觸發一次,而紅外線開關被觸發的總次數每6秒增加1。圖2-4為人體紅外線感測器設置於居家環境中。

電流感測器主要包含單晶片處理器(PIC18LF6722, Microchip Co.)霍爾CT型電流感測器Zigbee無線傳輸模組(XBee Series 2, MaxStream/Digi International),以及電源等週邊被動元件。霍爾CT型電流感測器透過DI/O與單晶片處理器連接,無線傳輸模組則透過UART(serial TX/RX)與單晶片處理器連接;本裝置使用外部AC115V電源輸入,先由電壓調節器(A5-110915B, Jin Hua electronic Co.)將電壓降至DC9V,再透過電壓調節器(LM2940, National Semiconductor)提供DC3.3V電源至電流感測器、單晶片處理器、以及無線傳輸模組。

電流感測器的工作原理為應用霍爾效應,當電流感測器感應電流通過時,將於該元件OUT腳位輸出訊號,觸發之訊號也從ZigBee將資料以hex0x1F傳出,表示電流感測器被觸發一次,而被觸發的總次數每6秒增加1。圖2-5電流感測器設置於居家電器用品。

2-4. 人體紅外線感測器設置於居家環境中

2-5. 電流感測器設置於居家電器用品

無線傳輸模組採用MaxStream XBee Series 2模組,使用ISM 2.4GHz,並相容IEEE 802.15.4 ZigBee規範,支援“point-to-point”“point-to-multipoint”“peer-to-peer”之無線感測網路通訊架構,該模組可透過UART界面與單晶片處理器TX1RX1連結通訊。圖2-6XBee無線模組。

2-6. XBee無線模組

參考資料

Hsu, Y. L., Yang, C. C., Tsai, T. C., Cheng, C. M., Wu, C. H., 2007, “Development of a decentralized home telehealth monitoring system,” Telemedicine and e-Health, Vol. 13, No.1, pp. 69-78.

徐業良、盧俊銘,老人福祉科技與遠距居家照護技術,民101,滄海書局。