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

 

 

 研究動機研究目的研究設備與器材研究過程與方法

研究結果參考資料及其他

壹、  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:

    級

    別

    目

高一上學期

理論科目

基礎生物、基礎物理

實習科目

電腦與生活

高一下學期

理論科目

基本電學、基礎化學

實習科目

電腦與生活

高二上學期

理論科目

電子學、基本電學、數位邏輯

實習科目

計算機概論

高二下學期

理論科目

電子學、基本電學、微電腦結構

實習科目

計算機概論

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

使用設備

規格

數量

函數波信號產生器

 

2

直流電源供應器

 

2

同步示波器為電腦週邊模擬設備

 

1

器具:

 

1

電烙鐵

30W

4

尖嘴鉗

電子用

4

斜口鉗

電子用

4

剝線鉗

電子用

4

螺絲起子組

電子用

4

麵包板

電子用

4

三用電表

類比

4

IC拔取器

 

2

IC整腳器

 

2

器材:

 

 

PC介面保護卡

 

1

個人電腦

 

2

印表機

 

1

曝光機

 

1

RS-232

 

1

變壓器

 

1

氯化鐵

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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:

 

 

 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。

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。

  

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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。

  

 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。

 

 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。

 

 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。

 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。

 

5-11遠端脈搏監控系統實際量測介面

 

 5-12動脈訊號擷取系統所擷取到之動脈訊號

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、  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。
 

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