藍芽無線技術實現失智老人照護裝置之研究
鄭平守
a, 王時偉
a, 林士弘
a, 廖志仁
b, 蔡尚峻
b, 蔡宗甫
c*Ping-Shou Cheng
a, Shi-Wei Wang
a, Shi-Hong Lin
a, Zhi-Ren Liao
b,
Shang-Chun Tsai
b, Tzung-Fu Tsai
c*a
國立高雄應用科技大學電子工程系
b高雄市立志中學資料處理科
c交通部管理資訊中心
*通訊作者: 蔡宗甫, conan629@hotmail.com
摘要 隨著醫學的發達目前的社會已經漸漸進入老人化,有 許多不明原因影響著老人的智力,所以時常看到老人 獨自走失的現象與新聞,尤其是失智老人的走失,本 研究主要是利用 JAVA 藍芽的技術,實現失智老人在 預防走失上的照護,本裝置的研發可以幫忙親人或看 護在不注意的時候,持續幫忙監控失智老人,被照護 者走離開親人或看護一定距離時,裝置就會主動發出 警告,並發出簡訊告知親人或看護,提醒被照護者已 漸漸離開照護範圍,使親人或看護有所警惕,讓被照 護者不會再因為親人或看護的疏忽而走失迷路,以防 範危險的發生。 關鍵字:失智老人、走失、藍芽、監控、疏忽。 1、引言 台灣進入高齡化的社會,而老人照顧資源的需求大 增,而其中更棘手的問題以失智老人的照顧最為迫 切。失智老人主要是喪失記憶力,在照顧上更為困難。 為了預防走失,幾乎要以「人盯人」的方式隨時看護; 失智老人也會發生幻覺、妄想症狀,對長期看護的家 人造成沉重的精神壓力[1]。 因照顧失智老人需更多人力,屆時若無照護體系的扶 持,整個社會將呈現「當機」狀態。隨著國人平均壽 命增加,老人失智已成為不可忽視的問題[3]。此一問 題就成為本研究的目的,JAVA 藍芽技術實現失智老人 照護裝置在預防走失上的研發,可有效的幫忙親人或 看護監控失智老人,讓被照護者不會再因親人或看護 的疏忽而再走失迷路。 2、相關研究及技術原理 藍芽技術應用於照護防丟裝置可以分別利用紅外線的 技術原理以及藍芽的技術原理來運用製作,因為藍芽 的通訊無死角,所以利用藍芽的技術運用至本裝置 上,以下針對藍芽技術原理來詳述。 藍芽的技術最早是由易利信和諾基亞為了聯結其行動 電話以及其他可攜式裝置而發展的技術。藍芽具有低 功率、短距離的無線電通信技術[7]。而藍芽技術選擇 在不需要額外授權的 2.4GHz ISM 頻帶上作無線的傳 輸,除了要達到可以取代有線的目的之外,還可以提 供無線上網以及不一樣裝置間的資料同步與資料交 換,並連結不一樣的電子設備等應用[4]。 2.1 藍芽的緣起 關於藍芽「Bluetooth」的起源,於西元十世紀時,挪 威有個維京國王哈拉德藍芽,統一了丹麥,成為維京 人的 英雄; Blatand 為丹麥的 文字,相 當於英文 的 Bluetooth。而易利信將其新的無線電介面的 Project 命 名為「藍牙」,易利信公司希望無線通信技術能統一 標準而取名「藍牙」[9],成為一個世界標準,而「藍 牙」譯名變「藍芽」就是為了看起來比較文雅[6]! 2.2 藍芽的傳輸技術原理 藍芽是短距離無線傳輸的技術之一。利用一個小型的 無線及基頻模組晶片,裝置於終端器中,使用的時候 不需要申請使用執照的 ISM 頻帶 2.4GHz,每條的頻寬 為 1MHz,將 2.4GHz 頻段因為所在的區域不一樣而劃分成為 79 個無線電頻率通道,藍芽的有效傳輸範圍在 10 公尺(0dBm)到 100 公尺(20dBm)左右,為了避 免此一頻段電子裝置的相互干擾,故以每秒 1600 次高 難度頻率跳躍率的跳頻展頻技術,以及加密保密的技 術。在資料傳輸上,藍芽以 ACL 的連線方式,提供最 高下傳 723.2kbps 以及上傳 57.6kbps 的非對稱性傳輸速 率或者 433.9kbps 的對稱性傳輸速率。在語音部分,以 SCO 的連線方式,提供 64kbps 的傳輸速率[8]。 2.3 藍芽的架構及相關功能 藍芽規定主動要求連線的裝置為藍芽的主裝置,而被 要求連線的裝置為藍芽的從屬裝置。一個藍芽主裝置 可以同時連結最多 7 個主動模式的藍芽從屬裝置來形 成一個微微網,同時不一樣微微網的藍芽裝置可以形 成 Scatter net。以 Figure 1 而言,當藍芽裝置開機之後, 就處於待機的模式,接著透過查詢程序來得知附近是 否有可以供連線的藍芽裝置,然後藉由 Page 程序來連 結特定的藍芽裝置以進入保持連線模式。另一方面, 藍芽裝置也可以依需求進入不同的省電模式[4]。
Figure 1 Bluetooth Scatter net Overview[12]
藍芽要比一般傳統式的紅外線傳輸還要更快,且不需 對準兩個傳輸埠成一直線〃而藍芽科技在傳輸方面的 好處就是可以允許兩個裝置,在未排成一直線的狀態 下,還能夠以無線的方式來傳送資料。不像紅外線傳 輸最大的缺點是必頇對準兩個傳輸埠成一直線才可以 傳送資料。藍芽傳輸甚至無視於口袋、公事包、或牆 壁的存在,就可以順利進行。且藍芽的資料傳輸速度 比紅外線傳輸還要快,每秒鐘高達 1MB[6]。 2.4 藍芽的通訊協定 藍芽 的通訊協 定如 Figure 2 所示, 主要可以 分為 L2CAP 、 Radio 、 HCI 、 Application Framework 及 Baseband,Link Manager 等部分,其中 L2CAP 主要是 負責不一樣通訊協定的多工處理、封包的切割與重組 以及服務品質等, Radio 主要是負責頻率的合成以及 雜訊過濾。HCI 則是提供 Bluetooth 與 Host 之間的介面 控制,為一種與硬體無關的標準控制命令。Application Framework 的 部 分 , 則 是 依 據 應 用 所 需 提 供 如 TCP/IP、HID 以及 RFCOMM 等應用程式的介面,其 中 RFCOMM 源自於 GSM TS0710,為一種用來模擬序 列埠的標準。Baseband 主要處理訊息編碼,碼錯誤重 送以及跳頻機制等工作,另一方面,語音則是直接架 構在 Baseband 上。 至於 Link Manager 則負責有關 Link 的建立、釋放,甚至於保密等工作。此外藍芽技術還 規範了 SDP 的通訊協定,來得到附近其他藍芽裝置的 服務等資訊[4]。
Figure 2 Bluetooth Protocol Stack (SIG Version)[12]
2.5 藍芽與 JAVA 軟體開發環境
Eclipse[12] Java 開發工具是 IBM 是在 2001 年以 4000 萬美元種子基金成立 Eclipse 聯盟發展出來的。如今, 該組織有 91 個會員,包含許多全球最大的軟體商。根 據 Evans Data 公司的資料,Eclipse 是目前最受歡迎的 Java 開發工具。 Sun 所發表的官方版 MIDlet 開發工 具 J2ME Wireless Toolkit 可以與 Eclipse 輕鬆結合。 利用他們可以輕易的開發任何程式到支援 Java 的手 機平台上。
MIDP 是基於 J2ME 架構的技術套件,主要提供一組無 線通訊平台的環境,可用來開發可移動小型資訊設備 上所需的應用系統。
MIDP 源自於 J2ME 架構下的 CLDC,依此架構而設計 的 行 動 電 話 , 即 稱 之 為 Java 手 機 (Java Enabled Phone)。MIDP 提供手機所需的各種核心功能,包括使 用者介面、藍芽網路連結、資料儲存等,是一個完整 且標準的 Java 應用程式介面(API)的總集合。 CLDC ( Connected Limit Devices Configuration ) CLDC 服務於 512KB 以下的應用程式、有限能源供應 (通常使用電池)、有限或非持續網路連接、簡單(或 無)的用戶介面,適用於性能相對較差資源較有限的 消費性電子產品(運算能力較低、記憶體容量較有 限),例如:手機、PDA。 2.5 藍芽的應用 目前藍芽的應用在小型辦公室、家庭和個人的應 用方面,目前仍然以 PDA、行動電話、電腦為主,主 要強調資料傳輸的便利性,讓每個裝置間不需要使用 纜線連接。藍芽所帶來的不只是一個更遠、更快、更 方便、更安全的網路傳輸方式;更重要的是,藍芽是 一種共通的標準,不管是通訊、資訊、媒體、可攜式 終端機…等等,都可以使用一種語言,彼此自由溝通 相互傳送寬頻訊息,打破 3C 產品間的溝通障礙。藍芽 是一種串連資訊、通信以及消費性電子產品等 3C 產 品,是將一個小型化的無線基頻模組晶片裝置於終端 機之中,主要應用於個人的通訊網路,能取代紅外線, 使筆記型電腦、PDA、手機、數位相機、印表機等各 電子產品間,容易傳送訊息,且易於小型化,適用於 嵌入式的產品[3]。 易利信的手機用無線耳機已經在美國問世。另一類的 產品則附加於手機、電腦、電子記事簿上,以便無線 傳送數據。藍芽技術可以讓 PDA、手機、電腦等產品 與家中或者公司的電話、電腦連線,只需要使用三合 一的機種,就可以整合手機、電腦、PDA、和傳真機, 整合資料傳輸、列印,適用於家中和辦公室。不過所 有與之連接的設備都需要加裝特定的傳輸晶片才可 以。[1]而比較新奇的產品有:將藍芽麥克風和耳機做 成戒指和耳環,螢幕則嵌在手錶上,互相以藍芽連接。 另外 Anoto 公司推出藍芽筆,可以將手寫信件以無線 傳送到身邊的電腦,再以電子郵件發出,但它需專用 紙張,而且只能與易利信公司的傳輸器材一起使用, 不甚完備[4]。 3、藍芽技術實現失智老人照護裝置 藍芽技術運用於失智老人照護防丟裝置可以區分成兩 大模組,分別為手機模組(藍芽主裝置)以及項鍊(手 鍊)發射信號模組(藍芽從屬裝置)。藍芽技術運用 於失智老人照護防丟裝置的架構如 Figure 3 所示。 Figure 3 藍芽技術運用於失智老人照護裝置架構 本裝置利用藍芽的技術原理將手機與項鍊(手鍊)來 進行配對,項鍊(手鍊)上的藍芽從屬裝置會一直發 送信號與手機上的藍芽主裝置保持連線,當失智老人 戴著項鍊(手鍊)亂走,走離開親人或看護一定距離 的時候,手機模組的藍芽主裝置就會無法偵測到項鍊 (手鍊)發射信號模組的藍芽從屬裝置,藍芽信號一 斷之後,手機就會自動發出警示聲,並自動撥號給戴 著項鍊(手鍊)失智老人的親人或看護,告知戴著項 鍊(手鍊)的失智老人正在遠離親人或看護的視線範 圍,提醒戴著項鍊(手鍊)失智老人的親人或看護要 注意失智老人,不要讓失智老人遠離親人或看護太 遠,當手機模組與項鍊(手鍊)發射信號模組在一起 可以互相接收到信號的時候,本裝置則無動作,手機 就不會發出警示聲。 3.1 本裝置各模組介紹 藍芽技術運用於失智老人照護防丟裝置可以區分成兩 大模組,分別為手機模組(藍芽主裝置)以及項鍊(手 鍊)發射信號模組(藍芽從屬裝置),藍芽晶片收發 模組如 Figure 4 所示,藍芽技術運用於失智老人照護 防丟裝置的主要功能如下詳述。
Figure 4 藍芽晶片收發模組
3.1.1 項鍊(手鍊)發射信號模組
• CSR BlueCore4-External V2.0 + EDR, Class 1 • Bluetooth V2.0 specification compliant • Dimension 27mm × 15mm
• 2dBi Chipset Antenna and RF interface options • On-board flash memory 8Mbits
• SPI interface can upgrade firmware • USB, UART, PCM ports
項鍊(手鍊)發射信號模組的示意圖如 Figure 5 所示。 Figure 5 項鍊(手鍊)發射信號模組示意圖 將藍芽從屬裝置嵌入於項鍊(手鍊)上,負責發射手 機模組的藍芽主裝置所需要的信號,讓手機模組的藍 芽主裝置偵測戴著項鍊(手鍊)的失智老人是否在親 人或看護的監控範圍之內,藍芽項鍊(手鍊)內部方 塊圖如 Figure 6 所示。 Figure 6 藍芽項鍊(手鍊)內部方塊圖 3.1.2 手機模組 手機模組的示意圖,如 Figure 7 所示。將藍芽主裝置 嵌入於手機之中,負責接收項鍊(手鍊)發射信號模 組的信號,當沒有接收到項鍊(手鍊)發射信號模組 信號的時候,會自動發出警示聲,並自動發簡訊提醒 戴著項鍊(手鍊)的失智老人正在遠離親人或看護的 監控範圍,提醒親人或看護要注意失智老人的行蹤。 Figure 7 手機模組示意圖 3.2 藍芽技術實現失智老人照護裝置偵測流程
使用 J2ME 實現 Bluetooth 功能,J2ME API Discovery Agent Class 提供周邊設備查詢、監聽、回應等功能。 RFCOMM 實現裝置間簡單字串傳輸使用的協定,其流 程圖如 Figure 8 所示。
Figure 8 裝置偵測流程圖 3.3 小結 失智老人照護裝置,可以確實有效的幫助粗心的親人 或看護,不會再因為不小心讓失智老人走失迷路,提 醒親人或看護可以有所警覺,並立即照護失智老人在 監控的範圍,相信本照護裝置的研發,一定可以帶給 很多人方便。 4、結果與討論 失智老人照護裝置的研發,可以幫忙親人或看護在沒 有注意的時候,持續監控失智老人,當被照護者走離 開親人或看護一定距離的時候,裝置就會發出警告 聲,並發送簡訊來告知親人或看護,使親人或看護可 以有所警惕,讓失智老人不會再因為親人或看護的疏 忽而再走失迷路。 參考文獻 [1]http://blog.nownews.com/famscl/textview.php?file= 286176。 [2]中華智能科技,http://www.wi-fi.com.tw/info/index. html。 [3] http://www.gov.tw/newscenter/pages/detail.aspx?pag e=1272f709-d960-4c42-a939-68dd7321be94.aspx&A spxAutoDetectCookieSupport=1。 [4]李永定,「藍芽無線技術發展簡介」,http://www. iii.org.tw/ncl/document/bluetooth.html。 [5]技術尖兵,http://www.st-pioneer.org.tw/modules.php? name=St_Dictionary&pa=showdata& tid=31。 [6]何謂藍芽, http://enews.tpc.edu.tw/document/informa tion/2001/%A5_%B7s%B0%EA%A4p%C5U%B8% DB%A1u%C2%C5%AA%DE%A1v.htm。 [7]楊易儒、萬智鈞,「藍芽科技」,http:// www.shs. edu.tw/works/essay/2006/10/2006103116332741.pdf。 [8]電腦新聞辭典,http://www4.tcgs.tc.edu.tw/lib/networ k/living.htm。 [9]維基百科,http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title= %E8%97%8D%E8%8A%BD&variant=zh-tw。 [10]Andre N. Klingsheim,J2ME Bluetooth
Programming。