日常生活活动感测器之设计.DOCVIP

作者：馬鴻祥(2006-06-29)；推薦：徐業良(2006-06-29)。 附註：本文為九十五學年度元智大學機械工程研究所馬鴻祥碩士論文「可攜式遠距健康監測系統應用於日常生活活動監測之研究」第四章。 第四章 日常生活活動感測器之設計 本章針對本研究所使用之數位型行為活動感測器之設計作詳細介紹。 4.1 居家環境下日常生活活動之感測 建置於居家環境下的行為活動監測，基本的要求是不得改變或影響受測者之居住環境與生活作息，因此感測器的設計也以非侵入性(non-invasive)以及非察覺式(unconscious)的基本目的。 觀察一般日常生活作息，可能包含的重要日常生活活動有：外出行為、室內人體活動、廁所使用、沐浴盥洗、特定區域活動、臥床時間、以及電器使用等。這些日常生活活動都具有明顯、可監測的行為表徵，也可以表現受測者日常生活作息。因此本研究目前在居家環境中的行為監測規劃項目如下所述： 外出行為 藉由裝置於大門的磁簧開關所得到的監測資料，可推估受測者日常生活中出門的頻率，以及外出與返家時間。受測者外出及返家行為模式的改變，可能代表其工作或社交模式的改變。 室內人體活動 由人體紅外線感測器的訊號觸發次數，可用以評估室內人體活動量。長期的活動量減少趨勢，可能代表受測者衰弱或健康狀況的改變。 廁所使用 透過水銀開關與燈光感測器的訊號組合能瞭解受測者如廁設備使用狀況，便能得知使用者如廁活動的頻率與時間，此行為模式的改變，可能代表其排泄習慣或生理狀況的改變。 沐浴盥洗 擷取裝置在浴室裡的磁簧開關與燈光感測器可瞭解受測者衛浴設備使用的頻率及時間，推論受測者自我照護能力的改變。 特定區域活動 藉由特定區域內人體紅外線感測器與燈光感測器的訊號，可以推論受測者的特定行為的改變情況。如裝置壓力感測開關即利用壓阻式壓力感測器，使其類比變化之電阻值達到一門檻值後轉為數位訊號輸出。本研究採用Tekscan公司所生產之撓性壓力感測器(圖4.)，優點有負載與電阻變化具有高度線性關係，且薄片式感測元件的擺置可避免影響受測者一般居家生活活動。圖4. ?圖4.8 撓性壓力感測器[] 圖4.9 壓力感測器應用電路 圖4.10 壓力感測器原型與實際擺置 人體紅外線感測開關 一般人體紅外線感測器可分為主動式（遮斷式）與被動式兩類，所謂主動式是由一組紅外線發射器與接收器所組成，發射器必須不斷發射近紅外線（波長約700~4000奈米）至接收端，屬於一維點對點感應方式。而被動式人體紅外線感測器（又稱為PIR）指的是將人體當作紅外線發射器，感測接近人體溫度的中紅外線（波長約4000~40000奈米），只有接近人體的溫度發生變化時，才能產生反應，屬於二維或三維的感應方式。 本研究採用的是被動式人體紅外線感測器，是一種場效應光電晶體(FET)，源極輸出訊號僅數mV到數十mV，可偵測所有熱源所輻射出來的紅外線，圖4.11(a)為感測器偵測周圍環境之源極訊號輸出，圖4.11(b)則是當感測到人體時的源極電位變化情形。由示波器可知，光電晶體在一般環境下約有2~4mV的電壓輸出，一但有偵測到人，則電壓僅略升至12mV，因此當周遭環境越接近人體溫度，此兩種電壓變化模式差距越小，也就越不容易辨識。 圖4.11(a) 周圍環境之紅外線感測訊號 圖4.11(b) 含有人體訊號之紅外線感測訊號 為了拉大此差距，則必須使用放大電路，本研究則使用益眾科技公司(.tw)所生產的人體紅外線套件（如圖4.12），將不規則的微弱訊號放大並轉為電壓訊號輸出，另將電壓訊號接至磁簧繼電器(reed relay)而成為開關式訊號，此磁簧繼電器開關作動聲音極微小，使得人體紅外線的監測更具非察覺性。 圖4.12 人體紅外線套件與實際裝置圖 電流感測開關 為偵測日常生活中電器的使用情況，本研究採用CT型霍爾電流感測器作為感測元件，只需將量測用的電線穿過感測器中心孔，即可由電壓輸出變化情形知道電流的變化情形，依據負載的種類不同，而有不同的電壓波形輸出，圖4.13(a)是以電阻式負載所得到的電壓輸出，電鍋、吹風機等在日常生活的家電中屬之；圖4.13(b)則是以電感類負載所得之波形，電風扇、吸塵器等馬達驅動的電器歸於此類。 圖4.13(a) 電阻式負載（以焊槍為例） 圖4.13(b) 電感式負載（以風扇為例） 為了使圖4.13(a)、(b)的電壓波形輸出成為數位式的訊號，本研究的作法如圖4.14所示，將電壓藉由橋式整流器整流成較和緩的漣波電壓，不需額外電路電源即可利用一電晶體輸出成開關訊號。圖4.15則是利用圖4.14的應用電路設計成電源插座式的使用方式，只需將電器電源插頭插入插座內，即可得知電源使用情形。 圖4.14 霍爾電流感測器應用電路 圖4.15 電流感測開關原型製作 可攜式遠距健康監測系統應用於日常生活活動監測之研究