Pracownia Systemów Ultraszerokopasmowych Zakład Radiokomunikacji Wykorzystanie technik lokalizacyjnych w systemach wsparcia osób starszych Jerzy Kołakowski Pracownia Systemów Ultraszerokopasmowych Zakład Radiokomunikacji

Plan prezentacji Zmiany demograficzne Cele stawiane systemom wsparcia Rozwiązania techniczne i funkcje systemów Systemy lokalizacyjne – architektura, wymagania, klasyfikacja System zrealizowany w ramach projektu NITICS Koncepcja systemu - projekt IONIS Podsumowanie

Zmiany demograficzne Populacja Unii Europejskiej [tys] The population pyramids presented in Graph I.1.11 show that the age structure of the EU population is projected to change dramatically. In 2013 the median age for males and females is 40 and 43 years old respectively. In 2060, it is projected to rise to 45 and 47, respectively, as the number of elderly people is projected to account for an increasing share of the population, due to the combination of the numerous cohorts born in the 1950's and 1960's and the continuing projected gains in life expectancy. At the same time, the base of the age pyramid becomes smaller due to below replacement fertility rates in the last decades. As a consequence, the shape of the age-pyramids gradually changes towards more evenly sized pillars. A similar development is projected for the euro area. The proportion of young people (aged 0-19) is projected to remain fairly constant by 2060 in the EU28 and the euro area (around 20%), while those aged 20-64 will become a substantially smaller share, declining from 61% to 51%. Those aged 65 and over will become a much larger share (rising from 18% to 28% of the population), and those aged 80 and over (rising from 5% to 12%) will almost become as numerous as the young population in 2060 (see Graph I.1.13 and Graph I.1.15). Źródło: European Commission, The 2015 Ageing Report: Economic and budgetary projections for the EU28 Member States (2013-2060)

Demografia – liczba osób starszych Przewidywana zmiana populacji w wybranych grupach [%] Źródło: European Commission, The 2015 Ageing Report: Economic and budgetary projections for the EU28 Member States (2013-2060)

Wsparcie osób starszych Poszukiwane są rozwiązania problemów związanych ze zmianami demograficznymi oparte na innowacjach technicznych, głównie z obszaru teleinformatyki i robotyki. Cele systemów wspomagających osoby starsze: zwiększenie niezależności poprawa jakości życia przedłużenie czasu życia we własnym domu wydłużenie aktywnego życia Główne kategorie rozwiązań technicznych: rozwiązania ukierunkowane na realizację konkretnych potrzeb (np. urządzenia mechaniczne wspomagające przemieszczanie się, urządzenia komunikacyjne) złożone systemy teleinformatyczne integrujące liczne czujniki, urządzenia automatyki domowej, urządzenia komunikacyjne

Schemat działania systemu - procesy

Rozwiązania techniczne i funkcjonalności Robotyka Monitorowanie stanu zdrowia Urządzenia do podpowiadania i przypominania Urządzenia komunikacyjne Oprogramo- wanie Monitorowanie aktywności 3 6 1 Pomoc w codziennych czynnościach 13 Detekcja zmian w zachowaniu 2 Pomoc w czynnościach intelektualnych 5 7 Przetwarzanie informacji o stanie zdrowia Wspomaganie rehabilitacji 14 Pomoc w kontaktach z innymi osobami 4 Czynności związane z wypoczynkiem 1- activity monitoring (help to continuously monitor the movements of a person at his home or care-home 2- mobility (help in moving physically from one place to another 3- detection (help in detecting some abnormal behavior or deviation from daily routine activities 4- cognitive help (helping in intellectual activities 5- health information (monitoring patients conditions like blood pressure, sugar level 6- rehabilitation (helping in rehabilitating people especially with disabilities 7- socialization (helping to make contacts with family and friends 8- leisure activities (helping in activities like playing music, tourism) Źródło: I. Asghar and S. Cang and H. Yu „A Systematic Mapping Study on Assitive Technologies for People with Dementia”

Wykorzystanie informacji o lokalizacji Rozwiązania techniczne Funkcjonalności Robotyka Monitorowanie stanu zdrowia Urządzenia do podpowiadania i przypominania Urządzenia komunikacyjne Oprogramo- wanie Monitorowanie aktywności 3 6 1 Pomoc w codziennych czynnościach 13 Detekcja zmian w zachowaniu 2 Pomoc w czynnościach intelektualnych 5 7 Przetwarzanie informacji o stanie zdrowia Wspomaganie rehabilitacji 14 Pomoc w kontaktach z innymi osobami 4 Czynności związane z wypoczynkiem 1- activity monitoring (help to continuously monitor the movements of a person at his home or care-home 2- mobility (help in moving physically from one place to another 3- detection (help in detecting some abnormal behavior or deviation from daily routine activities 4- cognitive help (helping in intellectual activities 5- health information (monitoring patients conditions like blood pressure, sugar level 6- rehabilitation (helping in rehabilitating people especially with disabilities 7- socialization (helping to make contacts with family and friends 8- leisure activities (helping in activities like playing music, tourism) Źródło: I. Asghar and S. Cang and H. Yu „A Systematic Mapping Study on Assitive Technologies for People with Dementia”

Co może zaoferować system lokalizacyjny? Podstawowe funkcje systemu: lokalizacja przedmiotów lokalizacja (śledzenie ruchu) osób Lokalizacja w terenie poza budynkiem w miejscu zamieszkania Cele lokalizacji (określenia trajektorii ruchu) osób starszych detekcja sytuacji zagrażających zdrowiu detekcja nietypowych zachowań ocena aktywności fizycznej wykrywanie zmian stanu zdrowia, nastroju itp. Assessment of the state of the patient. • Early detection of emergency situations. • Detection of changes in health conditions. • Detection of abnormal situations, health status, or psychological status. • Early detection of fragile situations. • Early detection of cognitive loss

Architektura systemów lokalizacyjnych W typowej realizacji etykiety są źródłami sygnałów mierzonych przez węzły. Lokalizacja jest wyznaczana na podstawie znanych współrzędnych węzłów oraz wyników pomiarów.

Pomiary i algorytmy Podstawowe pomiary: określenie odległości lub różnicy odległości pomiędzy węzłami i etykietami (RSS - Received Signal Strength, TOA - Time of Arrival, TDOA - Time Difference of Arrival) wyznaczenie kąta nadejścia sygnału (AOA - Angle of Arrival) rejestracja charakterystycznych cech sygnałów Podstawowe algorytmy: geometryczne (triangulacja, trilateracja, multilateracja) stochastyczne (np. wykorzystujące filtry Kalmana, filtry cząsteczkowe)

Systemy lokalizacyjne - możliwości techniczne Systemy RFID (pasywne) Systemy radiowe Systemy ultradźwiękowe Czujniki pola magnetycznego Nadajniki i odbiorniki podczerwieni Systemy laserowe

Radiowe systemy lokalizacyjne Systemy lokalizacyjne wykorzystujące sieci WLAN (IEEE 802.11a/b/g/n) Osiągane dokładności lokalizacji - 1- 3 m Techniki lokalizacji: RSS, TDOA, mapa parametrów sygnałów Systemy lokalizacyjne wykorzystujące sieci WPAN (Bluetooth, IEEE 802.15.4 - ZigBee) Ultraszerokopasmowe systemy lokalizacyjne (IEEE 802.15.4a/f, ECMA-368/369 ) Dokładność lokalizacji < 1m Techniki lokalizacji: TOA, TDOA, AoA Głównymi producentami urządzeń wykorzystujących sygnały impulsowe z liniową modulacją częstotliwości są firmy: Nanotron GMBH Convergence Systems Limited Lokalizacja jest wyznaczana za pomocą metody TOA Deklarowany błąd lokalizacji jest większy od 1-2 m

Projekt NITICS NITICS (Networked InfrasTructure for Innovative home Care Solutions) Projekt AAL (Ambient Assisted Living) Cel: Opracowanie platformy realizującej zaawansowane usługi teleinformatyczne wspierające osoby starsze.

Architektura systemu Ultraszerokopasmowe łącze radiowe zgodne ze standardem IEEE 802.15.4a Węzły pomiarowe synchronizowane bezprzewodowo Etykieta wyposażona w czujniki MEMS (akcelerometr i barometr)

Węzły i etykiety Etykieta Węzeł pomiarowy Węzeł referencyjny

Wyniki lokalizacji – testy w warunkach statycznych

Wyniki lokalizacji – testy w warunkach statycznych

Przykładowa trasa zarejestrowana za pomocą systemu

Platforma IONIS Projekt IONIS (Indoor and outdoor NITICS+ solution for dementia challenges) zgłoszony w ramach programu AAL Call 6 Celem jest stworzenie platformy wspierającej osoby z zaburzeniami poznawczymi

Platforma IONIS – system lokalizacyjny Nowe rozwiązania: wykorzystanie dwóch technik radiowych UWB i BLE (Bluetooth Low Energy) większe wykorzystanie czujników MEMS energooszczędne tryby działania systemu dwa rodzaje etykiet UWB/BLE, BLE mniejsze wymiary urządzeń systemowych automatyczne algorytmy kalibracyjne

Podsumowanie Systemy lokalizacyjne pełnią ważną rolę w systemach wsparcia osób starszych Dostarczają one informacji umożliwiającej analizę zachowań a przez to pozwalają na wykrycie sytuacji zagrażających zdrowiu osoby monitorowanej. Etykiety dzięki zastosowaniu czujników MEMS mogą znacznie poszerzyć funkcjonalność systemu (np. umożliwić detekcję upadków) Ze względu na trudne środowisko propagacyjne osiągnięcie dużych dokładności lokalizacji wymaga zastosowania rozwiązań hybrydowych Przy projektowaniu systemu konieczne jest uwzględnienie kwestii etycznych