生物感知技術

THU - Advanced Smart Technology Application and Research Center

生物感知技術

Biological Context Aware Technology

一、 生物情境感知技術介紹

現在台灣正步入少子化時代,長照問題成為台灣醫療不可不正視的議題。為達到老人、病人在醫療的過程中能夠更加人性化與自動化,訊息能更加即時,以及有效利用時間而降低每次的醫療救護時間,運用物聯網(IOT)概念、室內定位以及行動裝置與情境感知的應用,系統可以依照病人所在的位置與環境去預測患者的需求並主動提供患者所需要的服務建議,再結合醫療系統的應用,主動偵測病人狀況及主動提醒病人下一步流程,並在行動裝置上提供醫療資訊與進階的訊息,提高醫療資訊的透明度及部份解決訊息不對稱的問題。不但可減少患者等待時間且可以減少病人的壓力與不確定的情緒,另一方面則可降低醫療人員的工作負擔以及工作被打斷的恢復成本,進而達到醫療透明、有效運用時間、更佳的人性化與提高“醫病”之間的關係與滿意度,建構以患者為中心的思考,以病人服務為目標的行動醫療感知系統。

    那究竟該如何,才能夠即時的監測到病人的即時健康狀態呢?

    本研究中心是以軟體演算法(Algorithm)將感測器回傳數據加以運算與轉換為“生物情緒”數據,以呈現之,並且生產專門技術,包含即時數據擷取、硬體、生物情緒即時轉換與呈現等多種技術,在此,將介紹關於這些技術所研發出的硬體、軟體介紹。

    首先,在即時數據截取部分,我們採用了兩種硬體,分別是(1) Arduino UNO單晶片控制板 (2)X-band 都普勒感測儀。硬體則是使用了(1)三軸陀螺儀+三軸加速度感測器 (2)手勢識別感測器模組 (3)溫度+濕度+ 紅外線 感測器模組 (4) WIFI無線模組 EPS8266 (5) ThingSpeck DataBase。而在生物情緒即時轉換與呈現則使用了C++ OOP與RealTalk telecommunication。

本研究整體示意圖

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二、 感測技術介紹

Arduino UNO 2012 R3版

技術規格:
◎ 工作電壓:5V
◎ 輸入電壓:5 ~ 9V
◎ Digital I/O 數位輸入/輸出端共 0~13。
◎ Analog I/O 類比輸入/輸出端共 0~5。
◎ 數位I/O埠最大承受:5V 、40mA
◎ 3.3V腳位供直流電流:50mA
◎ 支援USB介面協定及供電 (不需外接電源)。
◎ 支援ISP下載功能。
◎ 支援單片機TX/RX端子。
◎ 支援USB轉TTL TX/RX端子
◎ 支援AREF端子。
◎ 支援六組PWM端子(Pin11,Pin10,Pin9,Pin6,Pin5,Pin3)。
◎ 輸入電壓:接上USB時無須外部供電或外部5V~9V DC輸入。
◎ 輸出電壓:5V DC輸出和3.3V DC輸出 和外部電源輸入。
◎ 採用 Atmel ATMega328P AU 單晶片。
◎ Arduino大小尺寸:70(L)mm X 54(W)mm X 14.7(H)mm。

X-band 都普勒感測儀

微波運動傳感器是利用多普勒雷達原理設計的微波移動物體探測器。不同於一般的紅外探測器,微波傳感器通過檢測物體反射的微波來探測物體的運動狀況,檢測對象將並不會局限於人體,還有很多其他的事物。微波傳感器不受環境溫度的影響,探測距離遠,靈敏度高,被廣泛應用於工業、交通及民用裝置中,如車輛測速、自動門、感應燈、倒車雷達等。

這種探測方式與其它探測方式相比具有如下的優點:
  1. 非接觸探測
  2. 不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響,適合惡劣環境
  3. 抗射頻干擾能力強
  4. 輸出功率小,對人體構不成危害
  5. 探測距離遠
  6. 支援對非生命類物體的檢測
  7. 微波的方向性很好,速度等於光速 

    由於微波傳感器檢測對象存在普遍性,在實際的生活應用中,會搭配另一個傳感器來做針對性的檢測。如微波傳感器+紅外熱釋電傳感器,能夠有效的判斷是否有人經過,不會被陽光,被衣物顏色所干擾,也不會對其他物體產生反應。

三軸陀螺儀+三軸加速度感測器

◎ 三軸類比輸出:Xout、Yout、Zout 
◎ 晶片:MMA7361L
       1 .低電流消耗:400 μA
       2. 休眠模式:3 μA
       3. 低電壓工作: 2.2 V ~ 3.6 V
       4. 高靈敏度:800 mV/g @ 1.5g
       5. 可選靈敏度:±1.5g、±6g
       6. 快速的開啟時間:0.5 ms
       7. 自由落體檢測診斷自檢、堅固、耐衝擊

◎ 適用:3D遊戲、筆電、手機、PDA、計步器、PDA、導航、機器人

手勢識別感測器模組

手勢識別:向上 / 向下 / 向左 / 向右 / 推 / 拉 / CW(順時針旋轉) / CCW(逆時針旋轉) / 波動
◎ 環境光免疫力:<100k Lux 
◎ 工作溫度:-40°C~ 85°C
◎ 尺寸:14(L) x 14(W) x 4.5(H) mm 
◎ I2C接口,速率達400 kbit/s
◎ 正常模式下的手勢速度為60°/ s至600°/ s,遊戲模式下為60°/ s至1200°/ s 
◎ 內置接近檢測
◎ 環境光噪聲消除

溫度+濕度+ 紅外線 感測器模組

DHT11 數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度複合傳感器。它應用專用的數字模組採集技術和溫濕度傳感技術,確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件,並與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準係數以程序的形式儲存在OTP 內存中,傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準係數。單線製串行接口,使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗,信號傳輸距離可達20米以上,使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則 應用領域:
  1. 暖通空調 測試及檢測設備
  2. 汽車數據記錄器
 3. 消費品 自動控制
 4. 氣象站 家電
 5. 濕度調節器 醫療
 6. 除濕器

WIFI無線模組 EPS8266

◎ 功能強大內部跑 LWIP協定
◎ 支援三種模式:AP、STA、AP+STA 共存模式
◎ 簡潔AT指令,讓你開發更簡單

應用領域:
  1. 智慧電源插頭

  2. 家庭自動化

  3. 網狀網路

  4. 工業無線控制

  5. 網路攝像機

  6. 可穿戴電子產品 等

五、結論

需求引領科技前進,在少子化與老人年齡大幅提高、生理功能卻持續退化的情況下,生物感知技術不可不小看其能力,有時候老人或患者發生事故的那幾秒,就會是其生命的關鍵時刻。

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