CN102750802A - 基于光纤传感物联网技术的老人监护报警系统 - Google Patents

基于光纤传感物联网技术的老人监护报警系统 Download PDF

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赵志敏
葛学峰
俞晓磊
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一种基于光纤传感物联网技术的老人监护报警系统，该系统包括光纤压力传感器、光扫描信号模块、信号预处理模块、图像识别处理模块、主控制模块。当老人跌落在地毯上时，老人对嵌入在地毯中的塑料光纤产生压力，使其产生弯曲，光纤的导光性能降低，光纤中的光信号光强降低，光强信号通过信号预处理模块进行光电转换、信号放大、模数转换，变成计算机可识别的数字量，在主控制模块的协调下输入图像识别处理模块，如果老人是处于危险之中，则产生报警信息，报警信息通过通用分组无线服务(General Packet Radio Service，简称GPRS)以短信的方式通知家属，同时将报警信息和老人倒地时与地毯接触的形状通知小区物业或医疗服务机构的监管中心，使得老人能得到快速、有效的治疗。

Description

基于光纤传感物联网技术的老人监护报警系统
一、技术领域
本发明所述的是一种基于光纤传感物联网技术的老人监护报警系统，它是基于光纤压力传感、光电信号转换、模拟信号处理、信号采集、图像识别等多种技术，当嵌入地毯中塑料光纤受到外力时，其导光性能降低，光纤输出光信号的强度降低，由于塑料光纤在地毯中的分布是二维的，所以光纤输出的信号变化也是二维的，它能反映老人与地毯接触的形状，根据计算接触形状的面积同可以判断老人是否摔倒在地，若老人发生危险，则及时通知其家属或远程监控端，从而使得处于危险状况的老人能得到及时救治。 
二、背景技术
随着当今社会经济发展和我国人口老龄化程度的提高，儿女不在身边的老年人不断增加，我国老年人口超过了1.3亿，老年人患骨质疏松、心脑血管疾病的风险大大增大。当老年人独自在家，如果发生意外摔倒(心脑血管疾病突然发病时等情况)，如何在第一时间发现并给予及时医治，成为我们必须要关注的一个问题。目前，已出现了在家中安装电子摄像头来观察老人情况的“全球眼”，但是在家中安装摄像头对个人隐私造成了侵犯，在应用中会对居住者心理造成一定负担，同时摄像头对光线强弱有一定的要求。本发明提出的一种基于光纤传感物联网技术的老人监护报警系统，可以不必考虑光线强弱的影响，也不会侵犯到居住人的个人隐私，当老人发病摔倒在地毯上时，本系统将产生报警信息，通知其家属或远程监控端，使老人得到第一时间的救治。 
三、发明内容
本发明要解决的第一个问题设计高灵敏度的光纤压力传感器，主要是基于一组水平方向平行排列塑料光纤和一组垂直方向平行排列的塑料光纤叠在一起形成的探测器结构；第二个问题是扫描光信号，需要两组多路并行输出的光扫描信号；第三个问题是提供信号处理的方法，根据该方法处理得到的信号，可获得老人处于危险的报警信息和老人跌落在地毯上的形状。 
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案为基于光纤压力传感技术的老人监护报警系统，由光纤压力传感器、光扫描信号模块、信号预处理模块、图像识别处理模块和主控制模块组成，其相应的测量系统组成如图1系统框图所示，具体包括下列模块： 
光纤压力传感器：实现压力传感功能。见附图2所示，将一组(设为n根)水平方向平行排列、间隔为1cm的塑料光纤和一组(设为m根)垂直方向平行排列、间隔为1cm的塑料光纤叠在一起，嵌入到一张地毯中，水平方向上塑料光纤与垂直方向塑料光纤共组成n×m个交叉点，每一个交叉点定义为光纤压力传感单元，则光纤压力传感器由n×m个光纤压力传感单元构成，当老人跌落在地毯上时，地毯中构成光纤压力传感单元的两根相互交叉的光纤因受力同时产生弯曲，其导光性能同时降低，光纤压力传感单元输出逻辑电平1，表示该光纤压力传感单元受到了压力，如果光纤压力传感单元没受到压力，则输出逻辑电平0，定义一个二维矩阵An，m，该矩阵用来存储n×m个光纤压力传感单元的输出逻辑电平，实现压力传感功能。 
光扫描信号源模块：用于系统的光扫描信号的发射，见附图3所示，由串行移位寄存器 (201)、LED驱动电路及LED光源组成(202)，串行移位寄存器由多位(具体位数等于地毯的尺寸除以1cm)移位寄存器串联而成，寄存器中的数据为逻辑电平1时，LED驱动电路驱动LED光源工作，产生光源，通过LED光源尾纤导出，接103模块，图1中101模块和105模块均采用图2中设计的模块，101模块在时序的控制下通过光耦合器输出至嵌入到地毯中水平方向上排列的n根光纤中(这种在时序控制下向水平方向排列光纤中注入光信号的方式称为行扫描)，105模块在时序的控制下通过光耦合器输出至嵌入到地毯中垂直方向上排列的m根光纤中(这种在时序控制下向垂直方向排列光纤中注入光信号的方式称为列扫描)，光信号的波长为850nm。 
信号预处理模块：将塑料光纤输出的模拟光信号转换为模拟电信号，并转换为数字电信号，如附图1和附图4所示，由主导光模块(301)、光电接收二极管(109)、电信号放大器(110)和模数转换电路(112)组成。其中，主导光模块(见说明书附图4)由若干个二输入合波器串联组成，塑料光纤输出的光经辅助导光模块进入第一个合波器的一个输入端，另一个输入端用黑色树脂封住，其输出端接第二个合波器一个输入端，第二个合波器的另一输入端由智能结构光纤的一个输出端通过辅助导光模块接入，其它合波器接法同前，最后一个合波器的输出通过光耦合器接光电转换模块(109)，输出的模拟电信号接电信号放大器模块(110)，最后进入主控模块(112)中的模数转换电路进行模拟信号到数字信号的转换，变成计算机可识别的数字信号。 
图像识别处理模块：采用高性能数字信号处理器，用于识别信号预处理模块输出的数字信号，其识别步骤如下： 
步骤1：识别光纤压力传感单元是否受力：系统上电进行初始化，即在没有受到监控对象施加压力的情况下，光扫描信号模块分别进行一轮行扫描和一轮列扫描，同时通过信号预处理模块测量每一根光纤在有光信号通过时输出的光信号值，得到一组数据，代表光信号转化为电信号后的电压值，单位是伏特，共有n+m个，存放在一维数组中，数组前n个数据代表水平方向排列的n根光纤的初始值，数组后m个数据代表垂直方向排列的m根光纤的初始值，该组数据定义为基准数据，表征光纤压力传感单元在没有受到监控对象施加外力于地毯时的情况，完成初始化，从第二轮行扫描起，信号预处理模块接收对应行光纤输出光信号的数字量，用该数字量与基准数据中对应的初始化数据进行比较，若光纤输出光信号没有变化(经实验验证，若二者差值的绝对值小于0.1伏特时，认为光纤输出信号没变化，若大于0.1伏特，表示光纤输出信号有变化)，则进行第三轮行扫描，一直轮回循环下去，当老人跌落在地时，与老人接触的光纤受到压力，先检测水平方向上排列的光纤受到的压力，其输出光信号因受到压力而产生变化，信号预处理模块一旦检测到信号的变化，则记下当前行循环变量(为表述方便，将该行号存入到j变量中，j变量代表当前被检测的水平方向上排列的光纤的行号)，然后暂停当前的行扫描循环，进入列扫描，检测垂直方向上光纤输出光信号的强度，信号预处理模块一旦检测到信号的变化，则记下列循环变量的值(为表述方便，将该行号存入到k变量中，k变量代表当前被检测的垂直方向上排列的光纤的列号)，然后给测量矩阵An，m中A[i][j]元素进赋值，即A[i][j]＝1，表示坐标为(i，j)光纤压力传感单元受到外力，继续列扫描，当列描结束后，回到行扫描，如此反复进行，这样就将受到老人压力作用的光纤压 力传感单元的输出值都存储到矩阵An，m中； 
步骤2：计算接触面积：计算矩阵An，m非零值的个数，该数字乘以一个常数(该常数为光纤压力传感器中水平方向排列的光纤间隔与垂直方向排列的光纤间隔的乘积)得接触面积； 
步骤3：判断是否产生意外：当以上步骤2计算得到的接触面积大于老人双脚着地时的接触面积时，认定危险产生，产生报警信息，如果没危险产生，则重复步骤1，如果有危险产生则进入以下步骤； 
步骤4：生成老人落地的形状：将矩阵An，m的数据转化为二值化的图片文件。转化算法如下：先创建点阵格式图像文件，然后逐行逐列读取An，m的元素值，当元素值为1时，点阵图像对应行列的值为0，当元素值为0时，点阵图像对应行列的值为255，转化完毕后，保存为bmp格式图片； 
步骤5：将报警信息通过通用分组无线服务(General Packet Radio Service，简称GPRS)以短信方式通知其家属，并同时将报警信息与步骤4中生成的bmp格式图片通过网络传到小区物业或医疗服务机构的监管中心，返回到步骤1。 
主控制模块：采用ARM芯片，主要用于接受键盘输入、显示系统运行状态、控制光信号扫描的速度、控制模拟量到数字量转换芯片的时序、协调与图像识别处理模块的数据交换等功能、控制报警信息通过GPRS发送至家属手机上、通过TCP/IP网络协议传输至远程监控端，从而使得处于危险状况的老人能得到及时救治。 
四、附图说明
附图1系统框图 
附图2光扫描信号原理图 
附图3光纤压力传感器原理图 
附图4主导光模块原理图 
附图5老人摔倒在地毯上的示意图 
附图6主控制模块在系统中的作用 
附图7实测样例示意图 
附图8空载时数据测量记录 
附图9长方形受力面物体加载到地毯时数据测量记录 
附图10直角三角形受力面物体加载到地毯时数据测量记录 
附图11圆形受力面物体加载到地毯时数据测量记录 
五、具体实施方式
实施例子：将一块普通地毯裁剪成50cm×50cm的方块，8根水平方向平行排列、间隔为1cm的塑料光纤和8根垂直方向平行排列、间隔为1cm的塑料光纤叠在一起，并将其固定，构成光纤压力传感器。测得空载、长方形、三角形和圆形受力面加载到地毯时的光纤压力传感器输出的输出矩阵数据如表1至表4。通过矩阵数据得相应的输出图形如附图7所示，①、②、③和④分别代表空载、长方形、三角形和圆形受力面加载到地毯时的输出图形，其相应面积等于输出值为逻辑电平1时的光纤压力传感单元个数乘以1cm2(因水平方向上光纤间距为1cm，垂直方向间距为1cm，每一个光纤压力传感单元代表的面积为1cm2)。 
物联网监控时，当老人跌倒在地毯上时，将根据一系列实心圆点围成的几何图形及其围 成的面积判断老人是否已产生危险，若产生危险则启动报警程序，通知相关人员前来抢救，实现基于光纤传感物联网技术的老人监护报警系统。 

Claims (6)

1.一种基于光纤传感物联网技术的老人意外状况监护报警系统，其特征在于：由光纤压力传感器、光扫描信号模块、信号预处理模块、图像识别处理模块和主控制模块组成。
2.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征在于：将一组(设为n根)水平方向平行排列、间隔为1cm的塑料光纤和一组(设为m根)垂直方向平行排列、间隔为1cm的塑料光纤叠在一起，嵌入到一张地毯中，水平方向上塑料光纤与垂直方向塑料光纤共组成n×m个交叉点，每一个交叉点定义为光纤压力传感单元，则光纤压力传感器由n×m个光纤压力传感单元构成，当老人跌落在地毯上时，地毯中构成光纤压力传感单元的两根相互交叉的光纤因受力同时产生弯曲，其导光性能同时降低，光纤压力传感单元输出逻辑电平1，表示该光纤压力传感单元受到了压力，如果光纤压力传感单元没受到压力，则输出逻辑电平0，定义一个二维矩阵An，m，该矩阵用来存储n×m个光纤压力传感单元的输出逻辑电平，实现压力传感功能。
3.根据权利要求1所述的光扫描信号模块，其特征在于：由串行移位寄存器、LED驱动电路及LED光源组成，串行移位寄存器由多位(具体位数等于地毯的尺寸除以1cm)移位寄存器串联而成，寄存器中的数据为逻辑电平1时，LED驱动电路驱动LED光源工作，产生光源，通过LED光源尾纤导出，光扫描信号模块分为二组，其中一组在时序的控制下通过光耦合器输出至嵌入到地毯中水平方向上排列的n根光纤中(这种在时序控制下向水平方向排列光纤中注入光信号的方式称为行扫描)，另一组在时序的控制下通过光耦合器输出至嵌入到地毯中垂直方向上排列的m根光纤中(这种在时序控制下向垂直方向排列光纤中注入光信号的方式称为列扫描)，光信号的波长为850nm。
4.根据权利要求1所述的信号预处理模块，其特征在于：由主导光模块、光电接收二极管、电信号放大器和模数转换电路组成。其中，主导光模块由若干个二输入合波器串联组成，塑料光纤输出的光经辅助导光模块进入第一个合波器的一个输入端，另一个输入端用黑色树脂封住，其输出端接第二个合波器一个输入端，第二个合波器的输入端由智能结构光纤的一个输出端通过辅助导光模块接入，其它合波器接法同前，最后一个合波器的输出通过光耦合器接光电转换模块，输出的模拟电信号接电信号放大器模块，最后进入模数转换电路进行模拟信号到数字信号的转换，变成计算机可识别的数字信号。
5.根据权利要求1所述的图像识别处理模块，其特征在于：采用高性能数字信号处理器，用于识别信号预处理模块输出的数字信号，其识别步骤如下：
步骤1：识别光纤压力传感单元是否受力：系统上电进行初始化，即在没有受到监控对象施加压力的情况下，光扫描信号模块分别进行一轮行扫描和一轮列扫描，同时通过信号预处理模块测量每一根光纤在有光信号通过时输出的光信号值，得到一组数据，代表光信号转化为电信号后的电压值，单位是伏特，共有n+m个，存放在一维数组中，数组前n个数据代表水平方向排列的n根光纤的初始值，数组后m个数据代表垂直方向排列的m根光纤的初始值，该组数据定义为基准数据，表征光纤压力传感单元在没有受到监控对象施加外力于地毯时的情况，完成初始化，从第二轮行扫描起，信号预处理模块接收对应行光纤输出光信号的数字量，用该数字量与基准数据中对应的初始化数据进行比较，若光纤输出光信号没有变化(经实验验证，若二者差值的绝对值小于0.1伏特时，认为光纤输出信号没变化，若大于0.1伏特，表示光纤输出信号有变化)，则进行第三轮行扫描，一直轮回循环下去，当老人跌落在地时，与老人接触的光纤受到压力，先检测水平方向上排列的光纤受到的压力，其输出光信号因受到压力而产生变化，信号预处理模块一旦检测到信号的变化，则记下当前行循环变量(为表述方便，将该行号存入到j变量中，j变量代表当前被检测的水平方向上排列的光纤的行号)，然后暂停当前的行扫描循环，进入列扫描，检测垂直方向上光纤输出光信号的强度，信号预处理模块一旦检测到信号的变化，则记下列循环变量的值(为表述方便，将该行号存入到k变量中，k变量代表当前被检测的垂直方向上排列的光纤的列号)，然后给测量矩阵An，m中A[i][j]元素进赋值，即A[i][j]＝1，表示坐标为(i，j)的光纤压力传感单元受到外力，继续列扫描，当列描结束后，回到行扫描，如此反复进行，这样就将受到老人压力作用的光纤压力传感单元的输出值都存储到矩阵An，m中；
步骤2：计算接触面积：计算矩阵An，m非零值的个数，该数字乘以一个常数(该常数为光纤压力传感器中水平方向排列的光纤间隔与垂直方向排列的光纤间隔的乘积)得接触面积；
步骤3：判断是否产生意外：当步骤2计算得到的接触面积大于老人双脚着地时的接触面积时，认定危险产生，产生报警信息，如果没危险产生，则重复步骤1，如果有危险产生则进入以下步骤；
步骤4：生成老人落地的形状：将矩阵An，m的数据转化为二值化的图片文件。转化算法如下：先创建点阵格式图像文件，然后逐行逐列读取An，m的元素值，当元素值为1时，点阵图像对应行列的值为0，当元素值为0时，点阵图像对应行列的值为255，转化完毕后，保存为bmp格式图片；
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20121024