[논문]Design of Monitoring System based on IoT sensor for Health Management of an Elderly Alone

Hur, Hwa-La; Park, Myeong-Chul

doi:10.9708/jksci.2020.25.08.081

Design of Monitoring System based on IoT sensor for Health Management of an Elderly Alone 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.25 no.8, 2020년, pp.81 - 87

Hur, Hwa-La (Dept. of Aeronautical Software Engineering, Kyungwoon University) , Park, Myeong-Chul (Dept. of Avionics Engineering, Kyungwoon University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 사회 소외계층인 독거노인가구를 대상으로 IoT 기기를 통한 다양한 PHR 생체신호와 환경정보을 수집하고 수집된 정보를 바탕으로 건강상태를 모니터링하는 시스템을 제안한다. 이와 함께, IoT 센서에서 수집된 정보와 PHR기반의 DB서버의 데이터 분석을 통한 예측능력을 강화하여 고독사 상황을 파악할 수 있는 기본 인프라 구축과 예방 프로그램을 이행하는 것을 목표로 하고 있다. 센서는 환경 정보 수집 센서와 생체 신호 수집을 위한 비접촉 및 웨어러블 센서로 구성되며 수집된 데이터를 서버로 전송하기 위해 게이트웨이가 요구된다. 본 논문에서는 게이트웨이의 프로토타입을 제시한다. 논문은 의료복지서비스의 확대를 위한 정책적 과제의 논의적 목적을 가지고 있다. 본 연구의 결과물은 사회 소외 계층에 대한 서비스 확대와 국민의 의료환경개선에 도움이 될 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, proposes a health status monitoring system for socially marginalized elderly households living alone. This system is implemented by collecting various PHR biometric signals and residential environment information through IoT devices. In addition, the company aims to establish a basic infrastructure that can understand the situation of lonely deaths and implement prevention programs by strengthening the predictive ability through data analysis of the DB server based on PHR and information collected from IoT sensors. The sensor consists of an environmental information collection sensor and a noncontact and wearable sensor for biometric signal collection. A gateway is required to transmit the collected data to the server, and the prototype is presented in this paper. The paper has a discussion purpose of policy task for expanding medical welfare service. The results of this study are believed to help expand services to the socially marginalized and improve the medical environment of the people.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Indoor detection using UWB
그림 Fig. 2. UWB Sensor Module for Detection of Breathing & Occupants('Thunder 360)[12]
그림 Fig. 3. Overview of the Proposed System
그림 Fig. 4. Internal Configuration Diagram of IoT Gateway
그림 Fig. 5. Internal Configuration of IoT Gateway
표 Table 1. User Ports of IoT Gateway
표 Table 2. Manager Ports of IoT Gateway
그림 Fig. 6. Diagram of Monitoring System
그림 Fig. 7. Machine Learning Process using PHR data
그림 Fig. 8. Process of Data Curation
그림 Fig. 9. Flow Chart for Providing Exercise Programs

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

위와 같이 기존 연구는 단위 측정 센서의 구현이나 복지 서비스의 제언 및 필요성 제기, 인식도 조사 등이 대부분 이였다. 본 연구에서는 고령자의 건강상태를 모니터링 할수 있는 실증적 모델을 제시하고자 한다.
본 연구에서 사용하는 생체 부착형 센서는 심장 박동수 측정센서와 근전도 측정센서로 구성된다. 심장박동 측정센서는 고령자의 일상생활 심박변이도를 분석하고 과도한 움직임과 운동량으로 인한 호흡곤란, 심정지 등의 응급 상황에 대비하기 위한 목적이다. 근전도 측정 센서는 신체 부위별 신체능력을 판단하고 운동 가동범위와 우선순위를 제공한다.

제안 방법

UWB 레이 더는 초광대역의 주파수를 사용하므로 다른 방식에 비해 인체에 무해한 장점을 가진다. UWB 레이더를 이용한 입실과 퇴실 감지는 Fig. 1과 같이 다른 레이더와 마찬가지로 신호를 송출하고 물체에 반사되어 되돌아 시간(Rt)으로 거리(D)를 측정한다. 이때, Vp는 대기 중의 전파속도로 빛의 속도(약 3*10⁸m/s)에 해당한다.
6과 같이 수집된 기초자료를 바탕으로 정형화된 데이터 셋을 생성하고 가용한 데이터 셋을 구성과 개선 작업을 거친다. 그리고 특정 규정을 적용하여 데이터 셋을 체크하고 검토와 검증작업을 수행한다. 마지막으로 데이터 셋이 승인되면 머신 러닝 엔진으로 전달하게 된다.
8은 머신 러닝 프로세스를 도식화 한 것으로 예측에 필요한 정보를 IoT 게이트웨이를 통하여 수집하고, 공공 및 환경 정보를 이용하여 지능형 분석에 필요한 기초자 료를 마련하였다. 기초자료에서 추출 및 정제 과정을 거쳐 학습을 위한 데이터화를 진행한다. 수집된 기초자료는 정제 과정 이전에 익명화와 비식별화를 통하여 보안성을 유지해야 하며 정제 과정을 마치면 인터페이스를 통하여 머신 러닝 엔진으로 전달하게 된다.
본 논문에서는 고령자 1인 가구를 대상으로 생체 부착형 센서 및 환경센서 등을 포함하는 혼합형 IoT 기기를 활용하여 고령자의 생체 신호와 실내 활동정보를 수집하고 이를 개방형 PHR(Personal Health Record) 표준 플랫폼을 구성하고 수집된 정보를 인공지능이나 모바일 기반의 지능형 정보시스템을 통한 건강 및 안전관리 플랫폼을 설계 하여 제안한다. 또한 분석된 의료 정보를 바탕으로 고령자의 운동처방 프로그램을 제공하여 실절적인 고령자 1인 가구에 대한 맞춤형 의료 환경과 모니터링 방법을 제시한다. 논문의 구성은 2장에서 고령자의 건강관리를 위한 기존의 연구와 배경 지식을 살펴보고 3장에서 IoT 게이트웨이의 설계와 구성 기능에 대해 기술한다.
결과적으로 제공되는 정보를 바탕으로 실질적인 의료복지서비스을 제공할 수 있다. 또한 수집된 데이터 정제를 거쳐 머신 러닝 엔진을 통하여 예측 분석하여 심박정지, 낙상, 안전위험, 무호흡 등의 긴급 상황을 시회안전망에 연결된 기관에 실시간으로 통지하게 하고 사용자에게는 모바일 기기를 통하여 상황 예측 정보를 제공하게 된다. 데이터 저장 계층은 개방형 PHR 표준안과 가이드라인에 따라 적재되며 건강안전관리 서비스 계층과 데이터를 연계하여 각종 공공기관의 정책 및 개산 노력에 사용되게 된다.
근전도 측정 센서는 신체 부위별 신체능력을 판단하고 운동 가동범위와 우선순위를 제공한다. 또한 좌우 밸런스 유지능력을 분석하여 낙상을 예방하기 위한 운동을 처방하는데 사용한다.
이러한 현실을 종합해 보면, 독거노인가구를 위한 의료복지서비스의 변화가 시급함을 알 수 있으며 특히 1인 독거노인가구에 대한 건강관리 시스템의 도입의 절실하다. 본 논문에서는 고령자 1인 가구를 대상으로 생체 부착형 센서 및 환경센서 등을 포함하는 혼합형 IoT 기기를 활용하여 고령자의 생체 신호와 실내 활동정보를 수집하고 이를 개방형 PHR(Personal Health Record) 표준 플랫폼을 구성하고 수집된 정보를 인공지능이나 모바일 기반의 지능형 정보시스템을 통한 건강 및 안전관리 플랫폼을 설계 하여 제안한다. 또한 분석된 의료 정보를 바탕으로 고령자의 운동처방 프로그램을 제공하여 실절적인 고령자 1인 가구에 대한 맞춤형 의료 환경과 모니터링 방법을 제시한다.
본 논문은 독거노인을 대상으로 생체 부착형 센서와 무자각 센서의 혼합형 IoT 기기를 활용하여 생체 신호와 실내 활동 정보를 통한 건강상태를 파악하고 환경센서을 이용하여 주거정보을 수집하여 모니터링하는 통합시스템을 설계하였고 개방형 PHR 플랫폼을 통한 머신 러닝의 지능형 정보시스템을 통한 건강 및 고령자의 안전관리 플랫폼의 프로토타입을 제시하였다. 또한 다양한 센서의 정보 수집을 위한 게이트웨이의 구성 및 기능적 요소를 설계하여 사회안전망의 각 기관에 연계할 수 있는 구조를 보였다.
이러한 IoT 기기를 기반으로 돌봄, 구조, 의료구급 상황을 판단하고 필요시 의료기관이나 공공기관 및 구조기관 등에 알림서비스를 제공한다. 수집된 생체 정보에 대한 모니터링은 Fig. 7과 같이 크게 건강안전관리 서비스 계층과 데이터 저장 계층, 데이터 수집 계층으로 구분하여 설계한다. 건강안전관리 서비스 계층에서는 데시보드을 이용하여 대상자에 대한 PHR과 생활환경을 분석하여 정보를 제공한다.
고령자 1인 가정을 대상으로 IoT 기기를 통하여 다양한 PHR 생체 신호 및 환경정보를 수집하기 위하여 대상자에게는 생체정보를 수집하기 위한 다양한 센서기술을 활용 한다. 심장박동수와 근전도 측정을 위한 접촉식 생체 부착형 센서와 비접촉식 무자각 생체신호 측정 센서의 IoT 기기를 제공한다.
운동처방을 위한 구성요소는 나이, 부상 및 통증, 수면 량, 체지방, 병력, 체중, 신장, 성별에 따라 조정되며 이에 따른 운동처방 프로그램은 운동 강도, 운동 속도, 실시횟 수, 실시 시간, 휴식 시간, 세트 수, 일일 및 주간, 월별 운동, 분기별 운동, 연간 운동으로 구성된다.

대상 데이터

본 연구에서 사용하는 생체 부착형 센서는 심장 박동수 측정센서와 근전도 측정센서로 구성된다. 심장박동 측정센서는 고령자의 일상생활 심박변이도를 분석하고 과도한 움직임과 운동량으로 인한 호흡곤란, 심정지 등의 응급 상황에 대비하기 위한 목적이다.
머신 러닝 엔진은 학습데이터를 이용하여 최적의 정확도를 보장할 수 있는 예측모델을 제작하고, 이를 활용하여 최적의 PHR 데이터를 활용한 생활환경 및 위험 분석, 예측하고 결과를 사회안전망의 기관과 가족 등에게 제공한다. 분석 대상은 노인성질환, 노쇠현상, 생활의 질, 안전 및 환경등 이다.

성능/효과

본 논문은 독거노인을 대상으로 생체 부착형 센서와 무자각 센서의 혼합형 IoT 기기를 활용하여 생체 신호와 실내 활동 정보를 통한 건강상태를 파악하고 환경센서을 이용하여 주거정보을 수집하여 모니터링하는 통합시스템을 설계하였고 개방형 PHR 플랫폼을 통한 머신 러닝의 지능형 정보시스템을 통한 건강 및 고령자의 안전관리 플랫폼의 프로토타입을 제시하였다. 또한 다양한 센서의 정보 수집을 위한 게이트웨이의 구성 및 기능적 요소를 설계하여 사회안전망의 각 기관에 연계할 수 있는 구조를 보였다. 제안한 시스템 설계는 사회적 약자인 독거노인의 건강관리와 삶의 질 향상에 도움이 될 것으로 사료되며 능동형 사회의료복지 서비스를 구현하는데 도움이 될 것으로 사료된다.
5%가 될 것으로 예상하고 있어 이에 대한 노인복지정책에 대한 다양한 요구가 제기되는 것으로 조사되었다. 또한 생활비 마련 방법에서 비취업자의 경우 49.4%가 본인이 부담하는 것으로 조사되었으며 진료비 증가율도 전 연령대에 비해 높은 14.7%로 조사되었다. 전반적인 사회 안전 인식에서도 고령자의 33.
7%로 조사되었다. 전반적인 사회 안전 인식에서도 고령자의 33.7%가 안전하지 않다고 답변하여 사회안전망에 대한 인식도도 매우 낮아지는 것으로 확인되었다. 그리고 2017년 통계청의 “사회조사”에서도 일하는 고령자는 76%, 비취업 고령자는 70.

후속연구

수집 및 정제되어 학습된 서버의 데이터와 생체신호 측정 데이터를 이용하면 고령자의 건강관리를 위한 운동 처방 프로그램을 제공할 수 있다. Fig.
또한 다양한 센서의 정보 수집을 위한 게이트웨이의 구성 및 기능적 요소를 설계하여 사회안전망의 각 기관에 연계할 수 있는 구조를 보였다. 제안한 시스템 설계는 사회적 약자인 독거노인의 건강관리와 삶의 질 향상에 도움이 될 것으로 사료되며 능동형 사회의료복지 서비스를 구현하는데 도움이 될 것으로 사료된다. 향후, 대국민 PHR 의료정보 제공 및 유관기관의 논의를 거쳐 논문에서 제안하는 프로토타입을 실제 적용 가능한 시스템으로 구현하고자 한다.
제안한 시스템 설계는 사회적 약자인 독거노인의 건강관리와 삶의 질 향상에 도움이 될 것으로 사료되며 능동형 사회의료복지 서비스를 구현하는데 도움이 될 것으로 사료된다. 향후, 대국민 PHR 의료정보 제공 및 유관기관의 논의를 거쳐 논문에서 제안하는 프로토타입을 실제 적용 가능한 시스템으로 구현하고자 한다.

참고문헌 (12)

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상세보기
UWB Sensor Module, http://www.umain.co.kr/

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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