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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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作者:姜依帆 (2015-07-28);推薦:徐業良(2015-07-28)

附註:本文為103學年度元智大學機械工程研究所姜依帆碩士論文「以加速度感測器為核心發展穿戴式裝置個人生活型態模式分析技術」第四章。

第四章   結合低功耗藍牙技術發展防走失系統應用

許多失智症患者被要求配戴基於GPSRFID (Radio-frequency identification)技術的穿戴式裝置,以預防走失情況。本研究中使用手機模擬穿戴式裝置G-sensor偵測動作訊號,本章敘述以市面上常見的穿戴式裝置(如小米手環)取代RFIDG-sensor資料可依前幾章敘述的方法進行個人生活型態模式之分析,同時亦可結合低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)技術發展失智症患者的防走失系統應用。

4.1    低功耗藍芽應用於室內定位

低功耗藍牙發展始於2001年,其目的是為發展可相容於標準藍牙,且在更低功耗與低製造成本的無線通訊標準。2004Nokia發表了低功耗藍牙標準,2006年與歐盟等合作夥伴共同開發Wibree低功耗藍芽系列產品首度問世;2007年藍牙技術聯盟Bluetooth SIG將此技術正式命名為低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)

除了執行收發資料外,低功耗藍牙晶片大多保持閒置狀態,其中低功耗藍牙技術簡化link layer設計降低尖峰以及閒置時能源消耗,使低功耗藍牙得以在數毫秒內完成資料收發且回到閒置狀態;傳統藍牙需要花費數百毫秒才能完成一次收發訊號循環;低功耗藍牙帶來降低功耗與降低成本的通訊方案,包括iOSAndroid智慧平台,以及OSXWindows 8Linux在內的桌面平台皆支持低功耗藍芽標準,該技術也將擴展應用層面如車用與行動裝置應用領域消費性家電、健康醫療、智慧型裝置周邊、健身應用與家庭自動化領域等領域[21]

Apple Inc.(蘋果公司)在20139月的發表一項以低功耗藍芽為通訊方式的技術iBeacon,為室內定位帶來新的可能性。相較RFIDiBeacon有更多的優勢,例如更遠的測距功能,每筆訊號中帶有更多的資訊,甚至能與Tag端達成互動式的溝通,iBeacon在未來可擴充的發展也比RFID更多。其中iBeacon Tag可傳遞資訊,資訊內容包括以下6項:

         UUID(通用唯一辨識碼)包含3216進位數字;

         Major開發者可自定義的416進位數字;

         Minor:開發者可以自定義的416進位數字;

         Measured Power:通常為發送器與接收器中相隔一公尺時的RSSI(Received Signal Strength Indication)值,為216進位數字;

         Mac Address:藍芽晶片的實體位址,為1216進位數字;

         RSSI:接收訊號強度,無線電波的強度在傳播過程中會受到環境、距離的影響而產生衰弱的情形,為負dBm值。

iBeacon是以低功耗藍牙BLE為基礎底層技術發展商場室內定位領域。本研究使用內建BLE通訊、成本較低的小米手環做為系統Tag端,小米手環內建G-sensor,提供高齡失智患者運動強度以及個人生活模式,本身具有紀錄每日運動與睡眠狀況的功能;透過本研究所開發系統的Reader可獲取小米手環的Mac Address(此為唯一值,辨識住民的身分),與RSSI(訊號強度),可用以實現預防走失與室內區域定位功能。

4.2    以低功耗藍牙技術為核心建立失智症患者防走失系統

依據警政署統計,2012年至2014年底平均每年失蹤老人逾3400人,平均每天將近有10位高齡者失蹤。失智症患者因為方向感與判斷力的障礙導致容易走失,失智症患者的增加也會使類似的走失事件更加頻繁的發生。台灣失智症協會2004年進行台灣長期照護機構失智症患者之盛行率調查,結果發現台灣安養機構的失智盛行率為24.54%,護理機構為65.70%,養護機構為61.17% [22],長期照護機構中失智症患者的走失預防是非常重要的問題。

依照中華民國老人福利機構設置標準[23],失智症長期照護的養護機構,依規定須採取單元照顧的方式,每一個單元中除了基本的寢室外,並應設置有客廳、餐廳、簡易廚房、衛浴設備及其他必要設施,公共設施為6~12人使用,寢室則為一人使用。失智症病患並不代表行動不便,有許多失智症病患仍然健於行走,但因失智症造成方向感與認知的退化,容易造成走失與無法辨別危險區域的情況,例如訪客來探訪後離開養護機構,失智症病患有部分的機會跟隨著訪客離開養護中心或失智症中心的大門,離開照護者所能監控的區域;亦有可能發生失智症病患靠近公共空間中較危險區域而發生的危險情形,如有些失智症病患會敲打窗戶等。

本研究利用BLE技術於高齡失智症患者的走失預防,失智症病患所處區域資訊即時通知照護者;系統設計上也同時考慮低成本、容易建置、低耗能等需求,同時並能基於此系統發展其他衍生應用。圖4-1所示為本研究應用BLE技術於高齡失智症患者的走失預防系統資訊架構,包括BLE TagBLE ReaderServer等三部分。高齡失智患者僅需隨身佩戴主動發送BLE資訊的Tag (Mi-Band),即可發送兩組資訊內容,包括RSSI值與Mac Address值。

本研究以ProMini結合HM-10藍芽開發模組為Reader,讀取Tag所送出的2組資訊,整理後上傳至Server。預防走失的功能中,在門禁裝置一個ReaderServer利用收到的Mac Address辨識住民身分,以RSSI值判斷距離,若太過靠近門邊,立即使用Google提供的Google Cloud Messaging推送通知到Android智慧裝置發送通知訊息。除門禁應用外,可在室內區域布建多個Reader,透過不同的Reader讀取到某一TagRSSI值判斷Tag所在位置區域,透過Android智慧型裝置即時的訪問Server就能取得即時定位資訊。

4-1. 預防走失與室內區域定位系統架構

4.3    低功耗藍牙系統Tag端與Reader端技術開發

本研究使用小米手環內建BLE技術為Tag,使用濟南華茂科技有限公司的HM-10藍芽開發模組結合Arduino Ethernet ShieldProMini做為系統Reader(圖4-2),HM-10藍芽開發模組透過通用非同步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receuver/Transmitter, UART)MCU溝通。

4-2. BLE系統Reade

HM-10模組提供以AT-Command的方式與晶片溝通,當要使之成為BLE設備的掃描器時,須先設定為主模式與通電後暫不工作等待指令才工作,此兩個指令分別為AT+IMME1AT+ROLE1,如圖4-3設定完成後透過ArduinoUART溝通方式傳送AT+DISI?指令,此時HM-10模組將會開始搜尋附近的BLE設備,傳回的資料形式為OK+DISCSOK+DISC:[P1]:[P2]:[P3]:[P4]:[P5]OK+DISCE。其中若有多個設備將會有不只一組OK+DISC:[P1]:[P2]:[P3]:[P4]:[P5],其中P1為製造廠商代碼共8位數、P2BLEUUID32位數、P3前四位數為Major,接著四位數為Minor,最後2位數為Measured Power10位數、P4MAC Address12位數、P5RSSI4位數,如圖4-4,如搜尋到的是BLE的裝置P1P2P3將會以0填滿並顯示。

接收到BLE設備的RSSI值,可以透過以下簡單的公式轉換為距離:

其中d為計算所得距離,RSSI為信號強度,A為發射端和接收端相隔一公尺時的信號強度,n為環境衰減因子。

4-3. AT-Command的設置

4-4. HM-10掃描設備回傳資訊

基礎測試結果

本研究已完成初期系統建置,透過BLE Reader端搜尋附近的BLE Tag端,並將資料上傳至伺服器端。圖4-5為掃瞄到BLE設備後取得的資料。圖4-6為測試10分鐘連續搜尋距離Reader 1公尺BLE設備的RSSI值。RSSI值約落在-70dBm~-50dBm之間,平均值約-57dBm,以這個值帶入前述公式的A值,並將環境衰減因子帶入3,算出的距離落在0.58~2.71公尺。透過實驗發現在相距6公尺的時候,RSSI值減少至-80dBm~-90dBm,超過10公尺後,將不再收到BLE訊號。由此數據能決定要如何在室內布置BLE設備,也可以訂定出判斷走失的閥值。

4-5. 透過HM-10得到的BLE設備資訊

4-6. 10分鐘內搜尋距離1公尺BLE設備RSSI

偵測靈敏度測試

設計實驗偵測系統偵測靈敏度,以方便設置系統位置,實驗規劃如下。

Ÿ   偵測系統靈敏度實驗設置如圖4-7

Ÿ   實驗器材:BLE Reader小米手環(Tag)

Ÿ   實驗項目:

(1)       固定測試者走路速度(72 steps/sec)於單一Reader範圍內,Reader測量準確度;

(2)       多個測試者固定走路速度(72 steps/sec)同時經過Reader範圍內時,Reader測量準確度;

(3)       固定測試者走路速度(72 steps/sec)於兩個Reader範圍內,Reader測量準確度。

每項實驗重複100次,求其準確度。

4-7. 偵測系統靈敏度實驗設置

實驗一:單一Reader (Reader 2)測試小米手環(Tag)1支累加至5支時偵測準確率

實驗結果

由表5可知,小米手環5支時偵測率準確低於80%,偵測準確率大幅降低,為增加其偵測穩定度,故實驗二增加一組Reader於起始點。

5. 實驗一偵測準確率

Tag()

1

2

3

4

5

偵測準確率

98%

96%

89%

87%

72%

驗二:兩組Reader (Reader 1, Reader 2),測試小米手環5支與10支時偵測準確率

實驗結果

實驗二增加一組Reader於起始點,且於終點前測試者停留2-3秒(模擬開門時間),Reader1Reader2同時開始搜尋Tag,測試者到達終點時Reader1Reader2同時結束搜尋,使其偵測率可達穩定標準。

由表6可知,5支小米手環偵測準確率提升至99%,且每支小米手環被偵測次數的標準差維持2以下,增加一組Reader能使偵測率達穩定標準,當10支小米手環時偵測準確率為93%,每支小米手環被偵測次數的標準差維持2以下,故此系統偵測靈敏度於10公尺內兩組Reader情況下,能夠維持偵測準確率90%以上。

6. 實驗二5支小米手環偵測準確率

偵測準確率

99%

被偵測次數

1.86

2.11

2.43

2.73

2.00

標準差

1.28

1.36

1.53

1.29

1.27

7. 實驗二10支小米手環偵測準確率

偵測準確率

93%

被偵測次數

1.45

1.60

1.90

2.96

3.08

3.18

2.56

1.86

2.19

1.58

標準差

1.21

1.28

1.57

1.79

1.59

1.69

1.62

1.21

1.56

1.56

4.4    防走失系統初步設置

本研究BLE為基礎發展之防走失系統,目前與南投傑瑞養護中心合作,需實際測試約65名養護中心內失智症患者區域定位功能,防止失智症患者走失憾事。

傑瑞養護中心防走失系統架構圖

傑瑞養護中心各樓層皆設置護理站,以護理站管理該樓層住戶狀況,並適時提供照護,為因應傑瑞養護中心護理站方便管理需求與網路限制,於傑瑞養護中心防走失系統架構如圖4-8

4-8. 傑瑞養護中心系統架構圖

傑瑞養護中心BLE Reader設置分布圖

傑瑞養護中心三樓為失智症患者照護區域,為避免失智症患者走失至其他樓層,需架設BLE Reader於傑瑞養護中心一樓至三樓五樓六樓,共五層樓。

一樓:放置1ReaderIDR1,網路連接為有線網路,Reader不需判斷RSSI

4-9. 傑瑞養護中心一樓Reader設置圖

二樓:放置1ReaderIDR2,網路連接為有線網路,Reader不需判斷RSSI

4-10. 傑瑞養護中心二樓Reader設置圖

三樓:放置1ReaderIDR3; 門口放置1個,IDR4,網路連接為有線網路,  Reader需以RSSI判斷訊號強度,因此層為失智症患者主要活動區域,需減少搜尋半徑,避免無法辨識陽台與大廳

4-11. 傑瑞養護中心三樓Reader設置圖

五樓:放置1ReaderIDR5; 陽台放置2個,IDR6R7,網路連接為有線網路,Reader不需判斷RSSI

4-12. 傑瑞養護中心五樓Reader設置圖

六樓:放置1ReaderIDR8,網路連接為有線網路,Reader不做RSSI判斷

4-13. 傑瑞養護中心六樓Reader設置圖