臺北市九十二學年度高中職社區化合作專案

作品名稱：老人居家防護系統

關鍵詞：遠端監控、感測器、脈診系統

 ●摘要●研究動機●研究目的●研究設備與器材●研究過程與方法

●研究結果●討論●結論●參考資料及其他

壹、摘  要

「老人居家防護系統」是以擷取老人生理特徵(脈搏、體溫)並進行分析，提供病理預警，達到關懷獨居老人為主之研究系統，本系統有四大功能：

一、心跳脈搏感測監測：

                當心臟跳動異常，偵測人體脈搏之裝置，立即發覺並發出無線電訊號求救，通知監控人員第一時間內來搶救。

        二、體溫監測：
        監測體溫異常時，立即發出警訊，可以提高老人遭受SARS或流行性感冒的預警能力。

        三、緊急呼救：
    當發出求救訊號時，社區管理委員會之監控人員，以無線電對講機聯繫老人，藉以確定是否發生狀況。本系統包含UPS不斷電系統，因此其他意外事故如地震、颱風，發生斷電或電話線路中斷時，可以此系統，進行援助或通訊。

        四、健康管理：
       將電腦所擷取分析號的資料，運用程式結合資料庫，進行資訊管理，並可長期追蹤觀察老人之生理狀況，與慢性疾病之預防及治療。

貳、研究動機

由於一般家庭，年輕人外出工作頻繁，所以人們大多疏忽老人的居家安全。民國92年12月20日自由時報，曾報導有一位有名的藝旦，在家中六天沒吃飯，屋內傳出惡臭，隔壁鄰居發現才趕緊送醫，參見附件1。在我們身邊也發生了類似的事情，有位同學的外婆中風多年，長期居住於療養院，雖然在療養院有人照顧，不過外婆心臟衰弱的時候，剛好沒人在身旁，所以安靜的去世了，家人未能見到最後一面，造成很大的遺憾。

社會結構已步入了高齡化，因此人們對老人居家的防護措施漸漸感到憂心，舉凡SARS、心臟疾病、流行性感冒等，都已成為白髮族的夢魘。我們走訪鄰近社區與醫療，發現他們的安全防護狀況極差，一般住戶均無任何及時防護的設施，導致老人居家的安全問題日益嚴重。

為了不讓這種悲劇再次發生，我們希望有種機器，能幫助我們隨時知道老人的身體狀況，不要讓老人的生命受到威脅，所以從脈搏和體溫進行病理預警，希望能發展出有效又便宜的機器來幫助老人，也期盼達到關懷老人的目標。

本研究與高職資訊電機下列課程相契合：

表1課程學習內容

參、研究目的 

當我們出外旅遊或上班時，常會擔心家裡老人的安全或健康狀況，所以老人居家安全防護系統，可為我們監控老人的健康狀況，只要有任何的心跳異常，或體溫異常馬上發出訊息。例如：心跳低於四十下，手錶造形的防護系統，即會發出訊息通知監控人員，且會馬上發出警告聲，監控人員運用無線電聯繫，確認是不是手錶感測系統，沒有戴好或是電池沒電？如果沒有回話就立即通知有關單位前來搶救。悲劇的發生，往往是因為搶救不急，錯過了黃金時間四分鐘，所以才發生的，這套系統可以預防這種悲劇再次的發生。平時也可以用加裝類比數位轉換卡的電腦，隨時監控家裡老人的健康狀況，適時採取行動，為家中老人多一份保障。

肆、研究設備與器材

表一、設備與器材一覽表

伍、研究過程與方法

一、資料收集：

為能達到實用之目標，先與門諾醫院家庭醫學科醫師田昌坤博士、台北長庚醫院之資深護理師洪媺惠碩士進行老人病理諮詢，以及學校與居家附近之社區與公寓大廈進行調查，並參考現有台北市消防局之獨居老人救護系統，加以分析與整理，訂定系統功能。二、老人居家安全防護系統可行性評估
        需具備的知識與技能如下：

（一）基本電學、電子學具有基本的認知。

（二）具備電路板焊接的技能。

（三）擁有電路故障排除的能力。

（四）瞭解數位電子與組合邏輯的應用。

（五）具有撰寫VB程式的能力。

（六）具有網際網路的基本認知。

（七）具有使用Word排版的能力。

（八）具有使用Protel繪電路圖及PCB的能力。

（九）具有洗電路板的能力。

（十）具有使用電源供應器、示波器、訊號產生器等設備的能力。

三、系統架構

老人居家防護系統，即是為了讓所有老人的生命得到保障，且減輕子女的擔憂，為了達到這個目標，我們討論後有以下重要內容，系統架構如圖5-1所示：

 圖5-1系統架構圖

（一）心跳脈搏量測系統：

1. 脈診系統：

人上了年紀以後，身體上的各個器官就容易出問題，尤其是心臟方面的疾病。因此我們用了動電式，與紅外線感測器感應脈搏訊號。我們把感測器和FM無線電發射器的電路，縮小成手錶般大小，戴到老人的手上。感測器可以將外界的各種物理化學變化，轉變為電壓變化，再用FM調頻發射出去。因為感測器發出的訊號十分微弱，因此需要高增益、低失真的儀表放大電路加以放大。為了避免有雜訊干擾，所以後面要接個濾波器，去除不必要的訊號。將老人家中裝設基地台，手腕感測裝置微弱的訊號傳送到基地台，將其放大強波送出，再經訊號接收，至類比數位轉換介面傳送至PC，就可以隨時知道家中老人的身體狀況，方便我們隨時做出反應，把傷害減到最低。

2. 手錶型無線發射器：

這部分為袖珍微型調頻發射機，電路簡單、易製、造價低廉，輸出功率6~7mW，發射範圍在房屋區可達200米以上。由於發射機電路元件較少，故可將它安置在一只普通大型電子手錶內，輕鬆自在，不會有妨害生活起居。圖5-2是這種微型調頻發射機電路圖正常工作時，整機電流小於5mA，用一顆鋰電池可持續工作6天以上。

圖5-2手錶型無線發射器電路圖

3.心電圖

(1)生理原理：

由於心電圖為心血管疾病測試之基礎，因此設計一心電圖機，藉以探討本系統之精確度。心電圖(Electrocardiogram ECG)是由於神經脈衝通過心臟時，電流會擴散到心臟周圍的組織，而一部分也擴散到體表，如將電極放置在心臟兩側的體表，就能紀錄到心臟產生的電位。

(2)電路：

如圖5-3為反向隨耦式心電圖電路，因為負半週整流電路，可留下R波、P波和T波，為CMOS開關，由4528B所控制，同步取出R波，因此調整4528A的輸出脈寬為200ms，同時可觸動4528B產生一50ms的脈波迴授控制數位開關。

圖5-3心電圖波偵測電路

4.儀表放大電路
   由感測器輸出的電子訊號，電流非常微弱，必須藉由高增益低失真之放大電路，將類比訊號先進行小放大。圖5-4為一儀表放大電路，與一非反向放大器。由於每個人脈搏訊號強度不一，故儀表放大電路之增益範圍為1000倍〜 2010倍。

圖5-4儀表放大電路

5.濾波電路

濾波電路由六階巴特霍斯低通濾波器（Butterworth low pass filter）所組成，如圖5-5。截止頻率為50HZ，增益為4倍。濾掉高於50HZ的頻率成分，主要的目的在於將一般市電60HZ和由人類所產生的細微顫動都濾除掉。確保所擷取到的訊號沒有上述的雜訊。

圖5-5濾波器電路

（二）體溫量測系統：

台灣在經歷了SARS風暴以後，每個人對於衛生保健的觀念都變好了，大家都會定時量體溫，不過還是會有少數的老人，對於衛生保健的觀念還是很淡薄。所以我們成功製造一組體溫量測系統，加入研究主題，使老人居家安全的概念更加完善。熱敏電阻偵測溫度變化，採負溫度係數，溫度上升、電阻下降、頻率升高，再並聯一個電容來產生諧振電路，感應頻溫度升高，再由調頻RF無線電發射機，傳送到社區管理員的RF接收機上。為了進行電腦分析，要將訊號傳送到PC，所以要再接A/D將類比轉成數位，經由8051單晶片和RS232傳送至PC上，這樣就可以準確的掌握老人的體溫狀況。

（三）緊急通訊系統：
    本系統包含UPS不斷電系統，因此其他意外事故如地震、颱風 ，發生斷電或電話線路中斷時，可運用本系統，進行援助通訊。

1.收發訊機(對講機)

將發射與接收合而為一，成為半雙工無線對講機(收發訊機)，如圖5-6所示。

圖5-6無線電對講機電路

2. 模組化之基地台中繼電路

老人居處所放置的中繼電路，採用模組化方式，提升調整的便利性。工作頻帶為145MHz，採用本地振盪單元基板為PLL方式，因此本機將成為具多頻道的收發訊機。

3.PLL頻率合成振盪方式之本地振盪器

本機本地振盪級採用PLL方式，參見圖5-7，進來半導體技術日新月異，PLL IC大量上市，市售收發訊機已大都改採用PLL頻率合成方式。

 圖5-7PLL頻率合成振盪

4. 中繼功率發訊機

本機依功能將其分為四大部分，其中最主要部分為接收機單元，全機電路中，接收機部份佔了大半，圖5-9為中繼發射機電路。

 圖5-8中繼無線電發射機

5.      接收單元
    接收機力求最佳之特性，尤其在接收感度，靜躁控制。要表現接收機之良好特質，借助儀器做完調整是必要的步驟，否則難達到所定規格之要求。整電路如圖5-9，為了提高接收感度，增加了一級RF放大器與第1中頻放大器。

 圖5-9無線電接收單元電路

（四）類比數位轉換系統：
    在自然界中，諸如光、溫度、溼度、壓力、流量、位移等物理量，均能透過感測器〈Sensor〉將其轉換成電壓或電流，此類比信號再經由類比 / 數位轉換器〈Anaiog to Digital Converter；ADC〉，將其轉換成數位信號後，送至微電腦作運算處理，參見圖5-10。以達到監控、測量或是紀錄的目的。

 圖5-10類比數位轉換電路

（五）資訊管理系統：
1. 目的

   運用ADO(Active Data Objects)物件使用方式，並能開啟、儲存、刪除、更新動作。將PC  I/O控制所得的直儲存到資料庫中，以便於歷史資料讀取與使用。

2.功能說明

(1) 將89C51脈診與溫度感測，所傳送數據儲存於資料庫中，並且顯示於圖表上。

(2) 點選月曆控制項，能將脈搏與溫度歷史資料，以不同顏色的曲線顯示於圖表上。

(3) 點選月曆控制項後，再按下清空資料鈕，則能將所選取的日期的資料全部清空。

3.實際量測

實際量測之脈搏波形，經由橈動脈訊號擷取系統後，產生數位化脈波訊號，如圖5-11所示。

圖5-11遠端脈搏監控系統實際量測介面

 圖5-12動脈訊號擷取系統所擷取到之動脈訊號

圖5-12中，感測器1所量得之脈波為紅色波形，振幅為6 V至 – 3 V。感測器2所量得之脈波為綠色波形，振幅為1 V至 – 1 V。感測器3所量得之脈波為藍色波形，振幅為1.4 V至- 0.6 V。而一個脈波之週期約為( 1450 – 1380 ) * 0.01 = 0.7 sec

陸、研究結果

一、脈診系統：

為了節省空間及增加方便性，我們將電路縮小成手錶的大小戴在老人的手上，並穩定的發射脈搏訊號，至家中基地台再送到PC上，用Visual Basic來撰寫脈波分析的程式，把脈波分析出來以後，更可以讓人清楚明瞭的知道脈波狀態，或送到社區管理員，視情況的嚴重性來通知有關單位。

二、體溫量測系統：
    體溫量測系統也是我們研究的重點之一，只要老人體溫異常時，熱敏電阻也會開始產生變化，它不像脈診系統一樣，可以隨時知道老人的狀況，但是一有狀況發生時，它也不會閒在那裡，馬上利用無線電發出訊號通知社區管理員，讓管理員來做緊急的處理。

三、警急通訊系統：

這套系統主要是社區管理員用來確認老人的狀況，事件發生時老人可能無法求救，需要外界的人自己發現，但是往往發現時已經來不及了，所以才需要上面的兩個系統，這套系統只是用來輔助來確認老人的狀況。例如老人可能只是手錶沒帶好或電池沒電，這些可能都會導致誤會，為了避免人員奔波，所以才需要這套系統。

柒、討論

一、問題：老人居處之中繼電路發射輸出功率為0.5W，是否大弱？
討論：本機之發射輸出功率為0.5W，原先若使用FCZ IFT規格品於端出之諧振電路，則輸出功率，最大輸出功率，最大約為100mW~~200mW，比預定值小一些。所以改採用自行繞製。
結果：實際測試時，發射功率為0.5W，若搭配良好之天線，有效傳輸距離是相當可觀的。

二、問題：在收發訊機做收發射切換時，很容易產生雜訊，應如何解決？
討論：收發訊機自製的時候，這方面的不能令人滿意，要解決雜訊也不是件容易的事。
結果：本機採用了LM386靜音電路，從電源的通過高電阻至輸入端，如此在發射的時候會連接至發射級電源的正端一發射就改變，瞬間LM386的動作停止，從喇叭聽不到任何的聲音動作。應用在收發訊機的時候，這種效果是非常優秀的。

三、問題：載波附近雜波應如何處理？
討論：發射載波相鄰近雜波的出現，是因電路中混波級(頻率轉換級)所產生之信號，其頻率在載波附近自動KHz至數MHz範圍內。此等雜波無法利用低通濾波器來去除掉。即使在專業生產工廠所製造之產品中，該雜波亦是存在的。只不過位準較小了吧。一般規定雜波應小於載波功率位準60dB以上。當發射載波鄰近的雜波太多時，最好不要結合功率放大器使用。否則經功率放大器放大之雜波，由天線射入天空，足以干擾相鄰頻道之通信。
結果：欲解決此等鄰近雜波影響之對策，唯有改進收發訊機本身的電路，儘可能使用不易產生鄰近雜波之電路，否則別無它法。

四、問題：如何提升輸出功率延長通訊距離？
討論：本機依需要可使用功率放大器提升輸出功率至10W以上。最擔心載波鄰近雜波準位已控制在最小範圍，故可放心的接用市售功率放大器。
結果：目前市售的功率模組(power module)，其輸入功率只須約100mW，即可放入輸入訊號至10W以上且周邊需求元件不多。

五、問題：脈整接收機與對講機揚聲器均有討厭的雜訊要如何解決？
討論：本系統電路中尚有另一小“know-How”，為積層電容之使用。信號輸出至放大器輸入端之間，有微弱AF信號通過，若在此間有任何雜訊進入，將一起被放大。雖然此進入信號非常微弱，卻依然可產生討厭的雜訊。深入探究其雜訊來源，發現是電路中所使用之電容產生出來的。
結果：經對各種類電容做實驗後，發現一般陶瓷電容本身亦為一種發音體，就如同電容式麥克風一樣。對於微弱之電路振盪，即可產生不小的雜訊。目前市售的幾種電容，其本身所產生雜訊最小者依序為積層電容，陶瓷電容，鋁質電容，電解質電容。故從此之後，對於處理微弱信號之電路，最好應用積層電路，使產生的雜訊為最小。

捌、結  論

我們所設計的系統經過實驗後，確實可以達到研究的目的，本系統是將有關老人居家生理安全的防護系統做一個整合，且以電腦為主控制，符合居家安全的目的，而成本低廉，即具有商品化的特色。

建議未來研究可以朝下列方向進行改進與發展：

一、手錶感測器防水功能：

我們當初再做這個題目時，就已經設想任何可能會發生的事，我們發現這個手錶不能防水，假如老人要洗澡且要脫下時，那該怎麼辦呢？我們想事先通知監控人員，但是我們不知道監控人員要如何保障老人洗澡的這段時間，所以這個地方還是需要研究與探討的。

二、衛星定位：

老人居家安全防護系統只可以保障老人在家裡的安全，並不能保障老人出了家們以後的安全，如果加裝了GPS全球定位系統，功能會更完善，對老人也更有保障，只是在價錢上面會昂貴了一點。 

三、醫療方面：

我們計畫這套系統可以在療養院裡用，因為療養院裡的老人最需要了，不僅可以監控老人的脈搏跳動，還可以隨時知道老人的體溫狀況，既節省時間又避免掉一些不必要的麻煩，真是一舉兩得，因此目前正與長庚醫院與門諾醫院進行合作計畫中。

九、參考資料及其他

一、王金松，高瑞賢，陳和瑞編著，87年最新部訂課程標準電子學，2001年。

二、陳本源編著，最新電晶體規格表，全華科技圖書股份有限公司出版，1989年。

三、劉明舜編著，教育部最新課程數位電子學，旗立資訊股份有限公司，2001年。

四、李文源教訂，，教育部最新課程基本電學，旗立資訊股份有限公司，2003年。

五、林豐榮編著，最新課程標準專題製作，全華科技圖書股份有限公司出版，2001年。

六、李亮生編著，Visual Basic 6.0程式設計，旗立資訊股份有限公司，2001年。
　

附件1獨居老人相關報導