//Logo Image
作者:許博爾、徐業良(2013-05-04);推薦:徐業良(2013-05-04)
附註: 本文發表於2013福祉科技與服務管理國際研討會暨大師級講座,元智大學,桃園,台灣,20130504

高齡者遠距日常生活活動監測系統之人體紅外線感測器省電模式設計

1.      研究背景與目的

高齡者的「活動力(mobility)」與「功能狀態(functional status)」常以其「日常生活活動(Activity of Daily Living, ADL)」的表現加以評估,是檢視其健康狀態與生活獨立性的重要評估項目。除了使用問卷或量表的一般評估方法外,高齡者的居家活動亦可藉由感測技術量測、分析,並以量化的長期資料提供更客觀的評估結果。例如英國Tunstall公司(http://www.tunstall.com/)開發ADLife居家日常生活活動監測系統,採用各式感測器偵測高齡者於居家環境下的室內移動、電器用品的使用,以及臥離床/椅等活動項目,監測資料可透過居家路由器Lifeline Connect+傳送至ADLife網路伺服器。二元狀態(binary-state)感測器由於使用簡單,是最常被使用於居家日常生活活動監測系統的感測元件,其中紅外線開關的被動式人體紅外線感應器(PIR)則是此類感測器中,最普遍被使用的日常生活活動感測器,亦常見於保全系統,可用來偵測是否有人員存在於特定的空間範圍內。大多數的人體紅外線感應器屬於焦電型(pyroelectric),當焦電材料元件接收到人體輻射出的紅外線時,元件會產生電荷變化,轉換成電氣訊號後輸出二元狀態(即開或關)訊號。

元智大學老人福祉科技研究中心提出了「以床為核心的遠距日常生活活動監測系統」,除開發臥床活動感知床墊與床邊資料伺服器(Bedside Server),能在智慧型手機App上進行遠距臥床活動監測之外,也搭配人體紅外線及電流感測器,以Zigbee無線傳輸方式將訊號傳送至床邊資料伺服器,也能在智慧型手機App上監測高齡者在居家環境下的活動與電器使用情形(圖1),並發展相關演算法以分析高齡者的居家活動力變化[1]。為能長期供電,目前系統中人體紅外線感測器必須裝設於家中插座周圍,容易造成使用者不便以及活動範圍監測的限制,但電池供電電力無法長久維持。因此本論文針對人體紅外線感測器的省電模式進行設計與開發,期望使用一般充電電池作為人體紅外線感測器的電源供電時間要維持兩個月以上,解決先前感測器必須裝設於家中插座周圍的限制,增加本日常生活活動監測系統建置於居家環境中的便利性與實用性。

1. 「以床為核心的遠距日常生活活動監測系統」架構

2.      研究方法

人體紅外線感測器可布建於布置於臥室、浴室、廚房、書桌等家中日常活動的區域,以偵測高齡者的活動情形。目前該感測器包含微處理器(Pro Mini, Arduino)、紅外線開關(KC7783R益眾科技)、ZigBee 無線傳輸模組(XBee Series 2, MaxStream/Digi International)DC+4.8V電源(AC/DC變壓器)、與電子被動元件等,靜態工作電流為60mA、動態工作電流為67mA。若以市售的AA充電電池(2,400mAH),估計人體紅外線感測器使用時間僅約40小時。

本研究的省電模式設計是以降低人體紅外線感測器的靜態工作電流為核心目標,透過重新制定感測器的訊號傳送時機,進行微處理器的睡眠模式設定及控制ZigBee無線傳輸模組的電源開關外,同時也減少電子被動元件數目,避免可能的功率消耗,達到人體紅外線感測器的省電目標。圖1為微處理器的睡眠模式設定及人體紅外線感測器電路。人體紅外線感測器裝設於家中並開啟電源後,將傳送自身的感測器編號給床邊資料伺服器,隨後微處理器即拉低腳位4以關閉ZigBee無線傳輸模組電源進入睡眠模式;當人體紅外線感測器偵測到有人活動時,紅外線開關將輸出高電位訊號至微處理器將其喚醒,此時微處理器將拉高腳位4以開啟ZigBee無線傳輸模組電源,傳送人體活動訊號至床邊資料伺服器後,人體紅外線感測器再度進入睡眠模式。

 

1. 微處理器的睡眠模式設定及人體紅外線感測器電路

經過省電模式設計之人體紅外線感測器的靜態工作電流小於1mA(以1mA解析度無法檢出)、動態工作電流仍為67mA。以市售的AA充電電池(2,400mAH)作為電源,估計人體紅外線感測器使用時間約2400小時(100天),相較於先前使用時間有顯著增加。目前該感測器已裝設於元智大學老人福祉科技研究中心門口進行使用時間測試,在平均每日平均約有200筆人體活動訊號的情形下,感測器已持續運作55天。

3.      結果與討論

本研究完成人體紅外線感測器之省電模式設計與原型測試,待使用時間測試完成後,將根據人體紅外線感測器原型進行PCB製作,並配合「以床為核心的遠距居家照護系統架構」與床邊資料伺服器進行整合,建立「以床為核心的遠距居家日常生活活動監測系統」,並導入商品化程序,期望成為實際產品。

參考資料

1.          Yang, C. C., Hsu, Y. L. (2012). Remote monitoring and assessment of daily activities in the home environment. Journal of Clinical Gerontology and Geriatrics, 3(2), 97-104.