基于物联网技术的养老院管理系统设计与 实现
摘 要
随着我国老年人口数量的逐年增加，人口抚养比也在迅速攀升，越来越多的老年人将走 出家门进入养老院安度自己的晚年。同时国家和地方也相继出台了加快发展老龄事业的政策 方针，作为机构养老主要组成部分的养老院将迅猛发展。在养老院规模扩大、设施日趋完善 的同时，养老院的管理却成为制约其发展的瓶颈。当前的养老院管理系统多集中在业务管理 层面，缺乏对老人的关爱和监护，造成养老院存在潜在的管理风险和完全隐患，因此急需一 套满足养老院看护管理需求的智能化管理系统。
本文依托物联网技术设计并实现了一套软硬件相结合的养老院管理系统。硬件部分融合 了物联网的相关技术，设计了腕表、读写器和无线数据中继器三款硬件设备。软件部分则一 方面借鉴传统经典的养老院管理系统，设计了支持养老院日常运行的业务管理功能；另一方 面则在硬件设备的基础上，设计了针对老人的院区内外定位、摔倒检测、紧急呼叫、生命体 征检测等看护管理功能。通过本养老院管理系统的使用，将有效提高养老院的管理服务水平 和员工的工作效率，并为老人营造一个安全、人性化的养老环境。
下面将对本养老院管理系统的设计实现过程中所做的工作进行概述。首先，分析了在人 口老龄化和国家政策引导的背景下，以养老院为主的机构养老将快速发展的趋势，结合当前 养老院所面对的问题，得出了养老院管理系统的市场需求和设计目标。分析了物联网技术在 国内外的发展现状，并搜集了其在老人看护管理中的应用。研读了相关应用中所涉及的物联 网技术、 RFID 技术、 GPS 定位技术、 GSM/GPRS 通信技术、互联网技术以及传感器技术。
其次，从业务管理和看护管理两个角度对养老院的需求进行了分析，并据此设计了系统 的总体结构，明确了系统的功能、构成及工作原理。针对硬件部分，设计了系统所需的读写 器、腕表和无线数据中继器的硬件模块电路。针对软件部分， 依据系统功能分析确定使用 C/S 和 B/S 的混合结构模式来搭建管理软件平台；借鉴“三层架构(表示层、业务逻辑层、数据 访问层)”的软件架构设计思想设计了系统的软件架构；完成了软件开发平台及工具的选择， 设计了系统数据库以及通信协议。
最后，在完成了系统软硬件开发后，模拟养老院环境搭建了实地的测试平台，对系统软 硬件进行连调。测试了室内人员定位、室外人员定位、人员路径跟踪、摔倒检测、紧急呼叫 等功能，并对硬件电路的稳定性，软件平台的健壮性进行了检测。验证了系统的可实施性， 同时也发现了设计中存在的缺陷，给出了总结概述。
关键词：物联网，养老院，管理系统，RFID,定位
ABSTRACT
With the increasing number of our country’s aging population and the rapid rising of dependency ratio year by year, more and more elderly people will live in nursing homes to pass the rest of their lives peacefully. At the same time, the national and local governments have issued policy guidelines to accelerate the development of the cause of aging. So the nursing homes will develop rapidly. Although the nursing homes’ scales are expanding and facilities are improving, the management has become a bottleneck that restricts their development. The current nursing homes’ management system mostly focuses on the business management level and there is lack of care and guardianship for the elderly, which has potential management risks and security risks. Therefore, a set of intelligent management system is urgently needed to meet the demand of care management in nursing homes.
This article describes the design and realization of a set of nursing homes’ management system which is based on Internet of Things. The system consists of hardware part and software part. By combing Internet of Things technology, the hardware part has designed watch, reader and wireless data repeater hardware devices. As for the software part, on the one hand, it has realized the business management functions to support nursing homes’ daily running through learning from classic nursing home management system; on the other hand, on the basis of the hardware, it has implemented inside and outside positioning, fall detection, emergency call, vital signs detection and other care management functions. By using this system, nursing homes can improve their service level and employees can be more efficient. More importantly, this system can create a safe and personalized environment for the elderly.
Following is an overview of the work done in the process of design and implementation of the management system. First, by analyzing the trend of rapid development of nursing homes under the background of population aging and national policy guidelines ，and by combining the current problems faced by nursing homes, we become aware of market needs and design goals of nursing homes’ management system. We have understood the development status of Internet of Things technology both home and abroad and collected information about the technology’s application in the care management for the elderly. Besides, we have also studied the Internet of Things and other related technologies including RFID technology, GPS positioning technology, GSM/GPRS communication technology, Internet technology and sensor technology.
Second, according to the analysis of the demand for nursing homes from the perspectives of business management and care management, we have designed the overall structure of the system
and defined its functions, constitution and operating principle. For the hardware part, we have designed module circuits of the reader, watch and wireless data repeater. For the software part, we have not only determined the usage of C/S and B/S mixed structure to build a management software platform on the analysis of system functions, but also planned the system’s software architecture based on the design idea of “three-tier architecture” . What’s more, we have completed selection of software development platform and tools, and designed system database and communication protocols.
Finally, after the completion of the system hardware and software development, a field test platform, which mimicked nursing homes environment, was built to debug the system hardware and software. During the debugging, we tested the functions of indoor personnel location, outdoor personnel positioning, personnel path tracking, fall detection, emergency call and so on. Furthermore, we also detected the stability of the hardware circuit and the robustness of the software platform. All the testing results confirmed that the system could be implemented. Meanwhile, some defects were found in the design. At last, we made a summary of the design.
Key Words: Internet of Things ，nursing home ，management system ，RFID, orientation
目 录
摘 要
ABSTRACT
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状概述
1.3 研究内容及论文结构
第 2 章 养老院管理系统中的关键技术
2.1 物联网技术
2.2 RFID 技术
2.2.1 RFID 系统介绍
2.2.2 基于 RFID 技术的实时定位系统
2.3 GPS 定位技术
2.4 通信与网络技术
2.4.1 GSM/GPRS 通信技术
2.4.2 互联网技术
2.5 传感器技术
2.6 本章小结
第 3 章 养老院管理系统软硬件总体设计
3.1 养老院管理系统需求分析
3.1.1 传统养老院管理系统分析
3.1.2 针对养老院的物联网应用分析
3.2 养老院管理系统构成
3.3 养老院管理系统功能设计
3.3.1 业务管理功能
3.3.2 看护管理功能
3.4 养老院管理系统硬件设计
3.4.1 腕表设计
3.4.2 读写器设计
3.4.3 无线数据中继器设计
3.5 本章小结
第 4 章 养老院管理系统软件设计
4.1 系统软件开发平台及工具选择
4.1.1 软件开发平台选择
4.1.2 软件开发工具选择
4.2 系统软件功能及架构设计
4.2.1 系统软件功能模块设计
4.2.2 系统软件架构设计
4.3 系统软件数据库设计与实现
4.3.1 数据库设计步骤
4.3.2 数据库需求分析
4.3.3 数据库概念设计
4.3.4 数据库设计实现
4.4 系统软件通信协议设计
4.4.1 通信协议设计
4.4.2 数据处理流程
4.5 本章小结
第 5 章 系统实现及测试分析
5.1 系统实现
5.1.1 软件实现
5.1.2 硬件实现
5.2 系统测试分析
5.2.1 测试环境搭建
5.2.2 系统监护功能测试
5.2.3 测试结果分析
5.3 本章小结
第 6 章 总结与展望
6.1 工作总结
6.2 课题展望
致 谢
参考文献
附录
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
人口老龄化是 21 世纪人类社会发展的重大议题。对于我国而言，自 1999 年进入老龄化 社会，老年人口数量不断增加，老龄化程度持续加深。截至 2011 年末，我国 60 岁及以上的 老年人规模是 1.85 亿， 约占总人口的 13.7%，规模超过欧洲老年人口总和。据预测， 未来 20 年我国老年人口仍将快速增长。到 2013 年， 我国 60 岁以上老年人口将突破 2 亿， 2033 年前 后将翻番到 4 亿。而到本世纪中叶， 60 岁以上人口将达到峰值 4.87 亿， 占总人口的比重由目 前的 13.7%上升到 2053 年的 34.8%[1]。由此可见人口老龄化将伴随 21 世纪我国经济社会发展 的全过程，也将对我国经济、社会、政治、文化发展产生深远的影响。
图 1.1 我国 65+岁老年人数及 80+高龄老人的增长[2]
由图 1.1 可以看出， 我国人口老龄化的发展呈现人口基数大、发展速度快的特点[3]。根据 联合国预测， 整个 21 世纪上半叶， 我国都将是世界上老年人口最多的国家， 老年人口数量将 占世界总量的五分之一。到 21 世纪中叶我国老年人口达到最大值后， 也将持续以 3-4 亿的规 模成为仅次于印度的世界第二大老年人口国家[4]。对于老龄化发展速度而言， 《中国人口老龄 化发展趋势预测研究报告》 [5]指出，我国 60 岁以上老年人口将以每年 3%以上的速度递增， 远高于总人口 6.6‰的自然增长速度。而美国战略与国际研究中心(CSIS) 最近发布的报告中 也指出，我国老龄化将进一步加速，到 2030 年将成为比美国还要老龄化的国家。
我国人口老龄化发展过程中还呈现出空巢化趋势，需要照料的失能、半失能老人数量剧 增的特点。我国老龄委公布的《我国城市居家养老服务研究》报告指出， 相比于 2000 年 42%
的城市空巢家庭(包括独居)，当前我国的城市老年人空巢家庭比例已达 49.7%。而大中城市 的老年人空巢家庭比例更高， 达到 56. 1%[6]。同时我国需要照料的失能、半失能老人数量也在 急剧增加。城市日常生活完全不能自理的老年人由 2000 年的 154 万增加到 194 万， 部分不能 自理的老年人由 260 万增加到370 万。而我国城乡失能和半失能老年人总数约3300 万， 占老 年人口总数的 19%。
在我国人口老龄化、高龄化加剧，空巢化、家庭小型化趋势延续，失能、半失能老年人 数量持续增长的大环境下，针对老年人的照料和护理问题日益突出。同时由于我国“4-2- 1” 家庭格局的到来，作为家庭核心的双独生子女，必须面对上养老、下哺小的艰巨责任，加之 逐渐增大的现代职业压力和越来越快的生活节奏，使得传统观念中应当承担赡养义务的一代 疲惫不堪，依靠家庭养老为主的传统养老方式面临严峻的挑战。而作为三大基本的养老模式 之一的机构养老将凭借其管理集中，能够给老年人提供专业化的照顾和医疗护理服务，减轻 家庭照顾老人压力的特点，将从养老模式中的 “补充”逐步转变为“支撑”地位。这也意味 着将有越来越多的老人走出家庭进入养老院安度晚年。
同时为了积极应对人口老龄化，加快机构养老的发展步伐，我国相继推出了一系列的指 导方针和政策。早在 2006 年《关于加快发展养老服务产业的意见》 [7] 中就明确指出要按照政 策引导、社会兴办、市场推动、政府扶持的原则，积极支持以政府补贴、公建民营、购买服 务、民办公助等多种方式兴办发展养老服务业。在《中国老龄事业发展“十二五”规划》 [8] 中指出， 到 2015 年基本建成以居家养老为基础、社区服务为依托、机构养老为支撑， 资金保 障与服务提供相匹配，无偿、低偿和有偿服务相结合，覆盖城乡的社会养老服务体系，努力 满足老年人不同层次的养老服务需求。 《社会养老服务体系建设“十二五”规划》 (征求意见
稿)中指出要提高对社会办养老院机构的扶持发展， 进一步加强养老机构建设。而在《社会养 老服务体系建设规划(2011—2015 年)》[9] 中更是提出， 在“十二五”期间我国每千名老年人 将会拥有养老床位数达到 30 张， 逐步增加日间照料床位和机构养老床位 340 余万张， 实现养 老床位总数翻一番的愿景。
在国家和地方政府的大力扶持，社会资本和外资积极响应下，我国养老服务机构的数目 迅速增长。截至 2010 年底， 全国共有各类养老服务机构 39904 个， 比上年增加 233 个； 床位 314.9 万张，比上年增长 9.0%；收养老年人 242.6 万人，比上年末增长 6.6%[10] 。与此同时养 老机构的基础建设也日趋先进，一般都配套有花园、健身场所、娱乐场所、休闲场所等。然 而在我国养老机构一片欣欣向荣、快速发展的同时一些问题也随之暴露出来。在养老院规模 扩大，入院老人激增的状况下，如何来提供高效的管理是一个问题。同时养老院中为丰富老 人生活所添加的这些设施则成为另外一个问题。由于当前养老院场所涉及的地方大，管理人 员不可能顾及到每个角落的每位老人，因此带来了潜在的管理危险和安全隐患。养老机构意 外伤害事故发生的数量、造成的直接财产损失均呈逐年上升态势，因养老伤害纠纷已成为社 会关注的热点之一。同时，养老机构承担风险的能力却十分有限。一起伤害事故，可以让一 个养老机构破产， 养老机构因而成了高风险行业， 而这也影响到了我国机构养老的健康发展。
尽管严格的管理制度、高素质的护工、内容周密的合同有助于养老机构“避险”，但是住院老 人意外伤亡风险却始终“相伴”养老机构。如何提高养老院的管理看护水平，为老人提供安 全的、舒适的、人性化的贴切服务，让老人家人放心，让社会安心，成为一个亟待解决的问 题。
1.2 国内外研究现状概述
物联网的概念最早是由 MIT (麻省理工学院)提出的，其含义是通过射频识别等信息传 感设备将所有物品与互联网连接起来，进而实现智能化管理和识别。随后物联网的概念不断 拓展， 除了关键技术——RFID 技术外， 加入了传感器网络与检测技术、纳米技术和智能技术 [11]。
当前国外对物联网的研发、应用主要集中在美、欧、日、 韩等少数国家和地区，其最初 的研发方向主要集中在条形码、 RFID 等技术在商业零售、物流领域中的应用。随着传感器技 术、 RFID 技术、近场通信技术以及计算技术的发展， 近年来其研发、应用的触角已近拓展到 环境监测、智能基础设施、生物医疗等领域[12]。如：思科开发的“智能互联建筑”解决方案， 为位于硅谷的美国网域存储技术有限公司节约了 15%的能耗； IBM 提出“智慧地球”的概念， 并已经开发出涵盖智能电力、智能医疗、智能交通、智能银行、智能城市等多项物联网应用 方案。
随着物联网技术在欧美日韩等发达国家的迅速发展，我国政府也对国内发展物联网的方 向目标给予明确的指示。早在 2009 年对无锡考察时， 温家宝总理就对我国物联网的发展提出 了三点要求， 即“在国家重大科技专项中加快传感网发展、把传感系统和 3G 中的 TD-SCDMA 技术结合起来、建立感知中国信息中心”[13] 。随后我国提出了在电力、交通、安防和金融行 业推进物联网相关应用的目标。在国家政策的大力支持和巨额科研投入下，在物联网这个全 新的产业中，我国的技术研发水平已经处于世界前列，拥有了集材料、技术、器件、系统到 网络的完整产业链，拥有大量具有的自主知识产权的技术专利和制定国际标准的举足轻重的 影响力[14]。
在物联网行业广泛的应用需求和领域中，与支柱技术—RFID 技术相关的应用层出不穷， 而 RFID 技术在人员定位、信息管理中的应用也不断加深。从国内外医疗机构广泛使用的婴 儿防盗管理系统[15, 16] (其中比较著名的是加拿大 Xmark 公司推出的 Hugs 婴儿防盗系统)，到 针对监狱犯人的管理和监控需求设计的 RFID 监狱智能管理系统[17, 18] ，再到服务于煤矿安全 生产，针对井下人员的定位管理系统[19] ，无处不是 RFID 应用的身影。而以 RFID 技术为代 表的物联网技术以其可提供智能化管理的优势，针对养老院环境的开发应用将成为一个新的 亮点。
当前的养老院管理系统提供给养老院一个信息化的管理平台，满足了养老院业务管理需 求， 同时也提供了少许 ERP 的功能来挖掘系统的潜力。但是面对入院老人增加， 护工单位护 理人数上升，养老院看管区域变大，配套服务设施增多的养老院发展趋势，以业务管理为主
的管理系统已经力不从心，不能满足用户的需求。引入物联网技术后，可以提供给住院老人 更多的关注，在业务管理的基础上扩充出看护管理的功能，提供养老院的管理服务水平。当 前国内运用 RFID 等物联网技术， 针对老年人看护管理开发的比较出色的系统及设备主要有：
(1)武汉侨亚百老汇信息技术有限公司(下面统称武汉侨亚)开发的的 E-脉手表。
图 1.2 武汉侨亚提供的个人信息化养老服务流程[20]
如图 1.2 所示为武汉侨亚针对居家老人提出的个人信息化养老服务流程，借助于用户终 端(E-脉手表) 以及呼叫中心和服务器， 充分运用物联网技术、移动通信技术、互联网技术， 为老人提供走失救护、外出路径追踪、紧急呼叫、夜间生理安全检测、摔倒报警、运动安全 检测、心脑血管异常提醒、健康风险提醒等服务。
(2)上海秀派电子科技有限公司(以下称上海秀派)推出的无线定位求助系统。
图 1.3 秀派双频定位标签
上海秀派是一家提供有源 RFID 产品和解决方案的专业供应商。针对养老院这个相对封 闭的环境，通过引入 RFID 无线定位系统，实现对养老院内工作人员和老人的可视化区实时 定位。一旦有老人发生危险事件，通过快速定位可以让服务人员立刻赶往现场。其系统组成 主要包含了双频定位标签(如图 1.3 所示)、读写器、服务器、应用软件， 当前系统已经应用 到了上海“亲和源”养老院[21]。
(3) 天津市小蜜蜂计算机技术有限公司(一下统称天津小蜜蜂) 开发的 RFID 智能养老 院人员定位系统[22]。
图 1.4 天津小蜜蜂 RFID 智能养老院人员定位系统框图
如图 1.4 所示为天津小蜜蜂提供的养老院人员定位系统的解决方案系统框图[23] 。其系统 组成主要包含了定位管理平台、 RFID 读写器、定位器和腕表(RFID 电子标签)，在功能方面 与上海秀派相似，但是其提供了更加优越的管理平台，并且电子标签的也改成了腕表作为实 现载体。
前面提到的三款针对老人和养老院研发的看护管理设备和系统都不同程度的引入了物联 网技术，提供了一些面向老人的看护管理功能，但是也都不同程度的存在不足之处。对于武 汉侨亚研发的 E-脉手表而言， 其使用的 GPS 定位在室内环境是有缺陷的， 并且其产品价位偏 高(手表单价 2880 元)，不适合广泛推广；对于上海秀派和天津小蜜蜂提供的 RFID 定位解 决方案而言，其功能集中于室内 RFID 定位，缺乏对老人生理状况关注，系统也无法与养老 院当前的管理系统融合。鉴于此，结合物联网技术和养老院的需求，充分关注老人，提供智 能化的养老院管理解决方案是本设计的目标。
1.3 研究内容及论文结构
本文先后完成了对我国人口老龄化和养老院发展趋势的探讨，分析了国内外在物联网技 术以及其在养老院管理中的应用现状，确立了结合物联网技术设计一套智能化的养老院管理 系统的目标。为了实现这个目标，首先需要熟悉物联网及其相关技术，明确物联网能够做什 么。其次需要结合对养老院需求的深入分析， 确定整个系统的构成及功能。再次为了实现系 统功能，需要展开系统硬件部分和软件部分的设计。最后需要将设计实现，通过搭建测试环 境，对系统设计进行测试评估，提出改进意见。为此整个文章的的结构安排如下：
第1章 绪论。阐述本设计的研究背景及意义， 分析国内针对物联网及其在养老院中应用
的现状，归纳本设计的研究内容及论文结构。
第2章 详细的讲解本设计所涉及的物联网及其关键技术。其中包括物联网技术本身、 RFID 技术及其在室内定位中的应用、 GPS 定位技术、 GSM/GPRS 移动通信技术、互联网及 移动互联网技术、传感器技术。
第3章 通过对养老院业务管理和看护管理在内的需求进行分析， 确立本设计养老院管理 系统的软硬件构成及其功能。针对系统功能完成硬件部分中腕表、读写器、无线数据中继器 的设计。
第4章 完成系统软件部分设计。根据开发的需要确立软件开发平台及工具， 依据系统软 件所要实现的功能设计软件框架，完成系统需求功能到软件实现功能的转化以及数据库设计 和平台与底层的通信协议设计。
第5章 实现软硬件设计， 并搭建测试平台， 对硬件部分、软件部分、软硬件连调后的系 统功能进行测试。总结系统设计及实现过程中存在的缺陷。
第6章 总结与展望。对整个系统的设计实现过程进行总结， 同时依据系统实现和测试结 果对系统中可以改进的地方和未来研发方向进行展望。
