Abstract This thesis explores the use of assistive in-situ technologies for formal caregivers in nursing homes. More specifically, focus is placed on improving context awareness and medication management. Although these topics have previously been researched for elderly care in general, few solutions targeting nursing homes have been generated. As the aging population further increases the burden on this care environment, it is important that solutions are found to help maintain care quality. The main findings in this thesis emphasise how technology can assist formal caregivers and facilitate increased patient wellbeing. The articles presented in this thesis describe our creation of a context-aware sensor system (named CARE) and a non-expert miniaturised near-infrared spectroscopy (MNIRS) solution. Both systems were designed iteratively with the help of nurses and were evaluated in a nursing home. CARE quantifies elderly residents’ behaviour, analyses the resulting data and produces valuable and actionable insights for nurses. Results from a two-month-long user study demonstrate that the system can facilitate increased awareness of patients’ needs and enhance care service. The custom MNIRS solution allows nurses to scan pharmaceuticals and obtain accurate identifications. This method significantly outperforms currently available tools in nursing homes and represents a promising solution that can reduce medication mismanagement. In the discussion section of the thesis, we revisit the research questions defined in the introduction and examine how each were answered. In addition, we discuss the augmentation of nursing home technology and various stakeholders’ perspectives. We then highlight how the work covered in this thesis was conducted in collaboration with industry and offer some conclusions, limitations and reflections. / Tiivistelmä Tämä väitöstyö tutkii paikkasidonnaisten teknologioiden käyttöä hoitajien työn helpottamiseksi vanhusten palvelukodeissa. Työn keskiössä on erityisesti kontekstitietoisuuden lisääminen ja lääkehoidon valvonta. Näitä aiheita on tutkittu laajalti aiemminkin, mutta aitoihin ympäristöihin keskittyviä ratkaisuja on vielä vain vähän. Väestön ikääntyminen aiheuttaa haasteita vanhustenhoidossa, ja siksi on tärkeää kehittää ratkaisuja hoidon laadun ylläpitoa varten. Väitöstyön löydökset painottavat teknologian roolia hoitajien avustajana sekä hoidettavien hyvinvoinnin ylläpitäjänä. Työn artikkelit kuvailevat kontekstitietoisen järjestelmän (CARE) koko kehitys- ja elinkaaren sekä lähi-infrapunaspektroskopiaan perustuvan ratkaisun lääkehoidon prosessien parantamiseksi. Molemmat järjestelmät kehitettiin iteratiivisesti hoitajien avulla ja koestettiin aidossa ympäristössä vanhainkodissa. CARE analysoi asiakkaiden liikkeitä ja toimintoja sekä visualisoi niistä korkeamman tason tietoa hoitajille. Kahden kuukauden kenttäkokeen tuloksena voidaan todeta, että järjestelmät yhdessä voivat auttaa hoitajia ymmärtämään asiakkaiden tarpeita sekä parantamaan hoidon laatua. Lähi-infrapunaspektroskopiaan perustuvalla kannettavalla ratkaisulla puolestaan hoitajat voivat varmistaa lääkehoidon oikeellisuuden. Tämä menetelmä on tarkempi ja parempi kuin tämänhetkiset käytössä olevat ratkaisut lääkkeiden oikeaksi toteamiseen. Väitöstyön keskusteluosuus palaa tutkimuskysymyksiin ja selventää, kuinka tehty työ ja saavutetut tulokset vastaavat niihin. Lisäksi keskustelu antaa yleiskuvan eri osapuolien näkemyksistä kehitetyn ratkaisun hyödyistä ja sen soveltuvuudesta käytännön työhön. Lopuksi väitöstyö luo katsauksen yhteistyön rooliin eri osa-alueiden toteuttamisessa ja esittää kriittisen näkökulman työn puutteisiin sekä yhteenvedon.

Abstract Wireless sensors play a bigger and bigger role in our everyday life and they have become a part of our life in homes, vehicles, traffic, food production and healthcare, monitoring and controlling our activities. Low-cost and resource-efficient solutions are an essential part of this development. The aim of the study was to develop solutions, which improve the energy efficiency of wireless sensor networks yet still fulfil the requirements of monitoring applications. In the study, five new solutions were developed to save energy in wireless sensor networks and all the solutions were studied and verified with test bed implementations. The developed solutions are: 1. Energy-efficient medium access control (MAC), namely revive MAC (R-MAC) for duty-cycling networks with a long sampling interval (many minutes) 2. Wake-up radio solution for on-demand sampling networks, which uses the main radio as the wake-up transmitter 3. Energy-efficient internet of things (IoT) routing solution for wake-up routing with a routing protocol for low-Power and lossy networks (RPL) 4. Energy-efficient IoT compression solution: robust header compression (ROHC) compression with constrained application protocol (CoAP) 5. Data analysis solution based on an energy-efficient sensor node, where filter clogging is forecast from analysis of the vibration data at the node. All the developed solutions were promising and can be utilized in many domain areas. The solutions can be considered as proofs of concept, which need to be developed further for use in final products. / Tiivistelmä Langattomat sensoreilla on yhä suurempi osuus jokapäiväisessä arjessa, jossa langattomat sensorit ovat tulleet osaksi kodin, autojen, ruuantuotannon sekä terveyden valvonta- ja seurantajärjestelmiä. Oleellisena osana tätä kehitystä ovat sekä edulliset että energia- ja resurssitehokkaat ratkaisut. Työn päämääränä oli kehittää ratkaisuja, jotka parantavat langattoman sensoriverkon energia tehokkuutta niin, että edelleen täytetään monitorointi sovellutusten asettamat vaatimukset. Työssä kehitettiin viisi uutta ratkaisua säästää energiaa langattomissa sensoriverkoissa ja kaikki ratkaisut tutkittiin ja varmennetiin työssä tehdyillä testi alustoilla. Kehitetyt ratkaisut ovat: 1. Energiatehokas alempi siirtoyhteyskerroksen protokolla (medium access control, MAC), nimittäin heräävä MAC (Revive MAC, R-MAC) jaksoittain toimiville (duty-cycling) verkoille, joissa on pitkät mittausvälit (useita minuutteja). 2. Heräteradioratkaisu (wake-up) pyynnöstä toimiville (on-demand) verkoille, joissa pääradiota käytetään heräte signaalin lähettämiseen. 3. Energiatehokas esineiden internetin (Internet of Things, IoT) reititysratkaisu herätereititykseen käyttäen matalatehoisille ja häviöllisille verkoille suunniteltua reititysprotokollaa (Routing protocol for low-Power and Lossy networks, RPL). 4. Energiatehokas IoT-pakkausratkaisu: varmatoiminen otsakkeen pakkausprotokolla (Robust Header Compression, ROHC) yhdessä rajoitettujen sovellusten protokollan (Constrained Application Protocol, CoAP) kanssa. 5. Energiatehokas sensorilaite perusteinen data prosessointi ratkaisu suodattimen tukkeutumisen ennustamiseen värähtelymittauksia käyttäen. Kaikki kehitetyt ratkaisut olivat lupaavia ja niitä voidaan käyttää useilla sovellutusalueilla. Ratkaisut ovat soveltuvuusselvityksiä (proof of concept), joita pitää kehittää edelleen loppu tuotteiden käyttöön.