基于ZigBee的精神病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

焦忭忭 侯順超 種靈子

摘 要：本文設(shè)計了一套基于ZigBee技術(shù)的精神病人實時定位系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)，構(gòu)建一個基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過系統(tǒng)硬件方面的參考節(jié)點（CC2530）和定位節(jié)點（CC2531）把病人的位置坐標(biāo)傳到網(wǎng)關(guān)上，網(wǎng)關(guān)使用定位算法計算后將實時定位信息傳到上位機(jī)的監(jiān)控軟件上，實現(xiàn)對精神病醫(yī)院中病人的追蹤定位和活動監(jiān)控，極大提高精神病院的信息化管理水平。

關(guān)鍵詞：精神病人；實時定位系統(tǒng)；ZigBee技術(shù)

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：This paper devises a real-time location system for mental patients based on ZigBee Technology.Combined with modern sensor technology，a wireless sensor network is constructed based on ZigBee Technology.Through the reference node（CC2530）and the blind node（CC2531），the location information of patients is uploaded to the gateway.After calculation through location algorithm，the gateway transfers the real-time location information onto the monitoring software in the upper computer，which implements the location tracking and activity monitoring to mental patients in hospitals.This system can greatly improve the information management level in mental hospitals.

Keywords：mental patien；the real-time location system；ZigBee technology

1 引言（Introduction）

隨著現(xiàn)代社會生活節(jié)奏的加快和競爭的日益加劇，使得人們的心理負(fù)荷不斷增加，心理問題、精神疾患儼然成為一個日益突出的社會問題。而與精神病患者不斷增加、精神病人肇事肇禍現(xiàn)象日益突出不相適應(yīng)的是，我國精神病醫(yī)院對精神病人的監(jiān)控救治和管理都處于較低水平。由于精神病人的特殊性，精神病醫(yī)院不能像常規(guī)醫(yī)院那樣來管理病人，如何利用信息化手段加強(qiáng)對精神病人的服務(wù)和管理，如何自動識別、定位和跟蹤精神病人，已成為精神病醫(yī)院在管理中一項重要任務(wù)。

新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在解決精神病人定位管理上有著得天獨厚的優(yōu)勢[1]。ZigBee[2]是一種構(gòu)建于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上的新興的短距離、低功耗、低成本、高可靠性的雙向微功率網(wǎng)格式無線接入技術(shù)，主要用于近距離無線連接，可以嵌入各種設(shè)備中，適用于室內(nèi)定位。在國外，無線通信技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的跟蹤治療、移動觀察、個人保健、病人數(shù)據(jù)收集、醫(yī)療垃圾跟蹤和短信溝通等方面得到了新的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)方案（System scheme）

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)是基于ZigBee的精神病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，通過硬件方面的參考節(jié)點（CC2530）[3]和佩戴精神病人手腕上的腕帶（定位節(jié)點CC2531）把病人的位置坐標(biāo)傳到網(wǎng)關(guān)上，網(wǎng)關(guān)使用定位算法計算，并將實時定位信息傳到上位機(jī)。上位機(jī)軟件部分通過處理位置信息使用電子地圖來描繪出病人的活動軌跡，從而實現(xiàn)對病人的實時監(jiān)護(hù)，并具有歷史路線信息回放功能、越界報警及禁區(qū)闖入報警等功能。除定位功能外，該系統(tǒng)還可對病人信息進(jìn)行管理。在該系統(tǒng)中軟件部分的重點為ZigBee的定位功能的實現(xiàn)，軟硬件之間通過端口，以及運行平臺的配置、后臺數(shù)據(jù)庫的支持，實現(xiàn)節(jié)點的定位。

根據(jù)該系統(tǒng)的需求，結(jié)合ZigBee無線定位網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點，將精神病人定位系統(tǒng)劃分為四個結(jié)構(gòu)層次，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)管理層和信息表示層。該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用TI公司開發(fā)的CC2531和CC2530芯片來實現(xiàn)ZigBee通信及跟蹤定位功能，其定位精度小于3m，定位時間小于40μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GPS的定位精度，可以對監(jiān)護(hù)范圍內(nèi)的病人實現(xiàn)較精準(zhǔn)的定位。

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的定位跟蹤系統(tǒng)主要由四部分組成：（1）主機(jī)：采用普通的PC，連接網(wǎng)關(guān)，可以實現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)的工作調(diào)度。（2）參考節(jié)點（Reference node）：參考節(jié)點固定安裝在需要無線信號覆蓋的區(qū)域，采集定位節(jié)點的信號，集中上傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，芯片為CC2530模塊。（3）定位節(jié)點（Blind node盲節(jié)點）：可在參考節(jié)點包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動，定位節(jié)點通過接收定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點的RSSI值后，經(jīng)過定位算法來計算其坐標(biāo)位置。定為節(jié)點必須由CC2531芯片實現(xiàn)，本系統(tǒng)中的定位節(jié)點分為兩種：病人和醫(yī)生佩戴的腕帶標(biāo)簽。（4）網(wǎng)關(guān)節(jié)點：網(wǎng)關(guān)的作用是用來組建一個ZigBee WSN網(wǎng)絡(luò)并充當(dāng)協(xié)調(diào)器，并通過它為橋梁連接計算機(jī)，與計算機(jī)之間實現(xiàn)通訊，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)用一個CC2530模塊和一塊底板組成，在系統(tǒng)中默認(rèn)的網(wǎng)關(guān)模塊為有綠色標(biāo)記的模塊在醫(yī)院的監(jiān)控中心內(nèi)，核心模塊為CC2530芯片負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，增加了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊，它要實現(xiàn)組建無線定位網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)功能，它是系統(tǒng)中至關(guān)重要的模塊，一方面網(wǎng)關(guān)接收由監(jiān)控軟件提供的各個參考節(jié)點和定位節(jié)點的配置數(shù)據(jù)并根據(jù)不同的方式發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點，另一方面還接收每個節(jié)點的反饋數(shù)據(jù)判斷數(shù)據(jù)的有效性并傳輸給監(jiān)控中心。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

根據(jù)該系統(tǒng)的功能需求，精神病人定位管理系統(tǒng)主要分為三大模塊，分別是人員監(jiān)控定位模塊、報警模塊、管理模塊。

3 無線定位算法設(shè)計（The design of wireless location

algorithms）

3.1 定位原理

CC2531是TI公司推出的具有USB功能的用于IEEE 802.15.4，CC2531無線定位算法基于RSSI技術(shù)，定位系統(tǒng)由參考節(jié)點和定位節(jié)點組成。系統(tǒng)以RSSI（信號接收強(qiáng)度）[4]的測距技術(shù)為基礎(chǔ)。RSSI理論值為公式1。

（1）

式中，d是通信距離，射頻參數(shù)A代表用dBm表示的距發(fā)射端1m處接收到的信號強(qiáng)度絕對值。n為衰減因子，代表信號傳播常量，通常取值范圍在2.2—4。分別測出不同距離兩個節(jié)點之間的RSSI值，根據(jù)RSSI-d曲線可以擬合求解A、n值。那么就可以根據(jù)未知距離下測得的RSSI求得參考節(jié)點與待定位節(jié)點之間的距離d。

3.2 定位算法優(yōu)化

為提高定位精度，該系統(tǒng)在RSSI基礎(chǔ)上利用反饋濾波器進(jìn)行算法優(yōu)化處理。濾波近似值需要用到公式2。

（a的典型值是≥0.75） （2）

算法優(yōu)化RSSI值衰減與距離對應(yīng)關(guān)系圖如圖4所示。

3.3 定位功能流程

定位功能流程圖如圖5和圖6所示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)（System implementation）

首先，在每個樓層和每個樓層的出口以及大樓門口等合適位置布置若干個低功耗ZigBee參考節(jié)點（CC2530），作用是提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能，是網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點。網(wǎng)關(guān)與參考節(jié)點的區(qū)別是增加了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊。

而后，給每個精神病人佩戴上一個腕表式的身份識別定位器，作為身份識別的定位節(jié)點，定位節(jié)點主要依靠CC2531。佩戴的每個定位器都擁有唯一的32位短地址用來判定身份與位置信息。

在監(jiān)控終端PC的數(shù)據(jù)庫中，預(yù)先記錄了每個32位短地址對應(yīng)的病人基本信息（如姓名、年齡、血型、親屬姓名、緊急聯(lián)系電話、既往病史等信息）。佩戴定位器的病人在醫(yī)院中活動時，定位器定時啟動CC2531內(nèi)置的定位程序進(jìn)行判斷。定位器將32位短地址、節(jié)點位置等信息傳至具有網(wǎng)關(guān)作用的協(xié)調(diào)節(jié)點，再由協(xié)調(diào)節(jié)點通過有線以太網(wǎng)傳至監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)庫中，最終實現(xiàn)人員定位的功能。同時，通過不間斷、定時的獲取病人位置信息，用電子地圖來描繪出病人的活動軌跡，幫助管理人員監(jiān)控病人行蹤。在獲知了病人具體位置信息后，具體的人員監(jiān)控與管理工作就交由上位機(jī)端監(jiān)控系統(tǒng)軟件來完成。

在測試定位系統(tǒng)的過程中需要使用監(jiān)控軟件Z-Location Engine，該軟件是由TI公司提供一個定位上位機(jī)監(jiān)控軟件，通過這個軟件可以很清晰的反應(yīng)定位系統(tǒng)的作用和功能。定位節(jié)點顯示圖如圖7所示。

5 結(jié)論（Conclusion）

本定位系統(tǒng)的設(shè)計基本達(dá)到了預(yù)期的要求，目前在較為理想的室內(nèi)環(huán)境中可以滿足移動節(jié)點的定位需求，系統(tǒng)因其低成本，較低功耗等特點，而具有較高的實用價值。

但本文仍有待進(jìn)一步研究，其中主要包括：使用多種混合算法提高定位精度；實現(xiàn)APP實時監(jiān)控功能，讓病人的家屬和醫(yī)生通過手機(jī)移動終端實時監(jiān)控，降低病人發(fā)生危險情況的幾率。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] S Li，LD Xu，S Zhao.The Internet of Things：a Survey[J].Information System Frointiers，2015，17（2）：243-259.

[2] Z Teng，M Zhang.A Power Quality online Monitoring System Oriented ZigBee Routing Optimization Strategy[J].Wireless Networks，2015：1-7.

[3] J Zhang，Q Yang.WSN Monitoring System for Greenhouse Environmental Parameters and CC2530 Transmission Characteristics[J].Transations of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2013，29（7）：139-147.

[4] 曾論，等.基于CC2530的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，30（1）：80-84.

作者簡介：

焦忭忭（1981-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng).

侯順超（1993-），男，本科生.研究領(lǐng)域：自動化控制.

種靈子（1981-），男，碩士，講師.研究領(lǐng)域：軟件開發(fā).