基于ZigBee養(yǎng)老院室內(nèi)外定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

宋新剛

摘 要：針對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)因場(chǎng)地較大且環(huán)境復(fù)雜，老人發(fā)生緊急情況時(shí)工作人員無(wú)法及時(shí)定位、救助的問(wèn)題，基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套室內(nèi)外人員定位報(bào)警系統(tǒng)。文中描述了該系統(tǒng)的總體框架、硬件設(shè)備的概念及相應(yīng)配套軟件的基本功能。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能夠滿足養(yǎng)老院對(duì)于人員定位可靠性和實(shí)時(shí)性的需求，具有良好的商用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：人員定位；ZigBee；養(yǎng)老；報(bào)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

我國(guó)已逐步進(jìn)入老齡社會(huì)，各地開(kāi)始對(duì)養(yǎng)老福利模式進(jìn)行積極探索，居家養(yǎng)老服務(wù)應(yīng)運(yùn)而生。居家養(yǎng)老[1]以家庭為核心、以社區(qū)為依托、以專業(yè)化服務(wù)為依靠，為居住在自家的老年人提供以解決日常生活困難為主要內(nèi)容的社會(huì)化服務(wù)。但因社區(qū)差異、服務(wù)人員缺乏等原因，居家養(yǎng)老難以滿足老人的實(shí)際要求。新型的居家式養(yǎng)老結(jié)合養(yǎng)老院專業(yè)的管理和居家養(yǎng)老的諸多優(yōu)點(diǎn)，不同于原來(lái)的格子間、單人房，取而代之的是兩室一廳，配備書(shū)房、廚房等房間，獨(dú)門(mén)獨(dú)戶，采用單元樓的格局以消除老人對(duì)傳統(tǒng)概念上養(yǎng)老院不舒適的顧慮，受到大眾的廣泛關(guān)注。然而空間的獨(dú)立又給管理、看護(hù)帶來(lái)了不便。在此需求的基礎(chǔ)上，老人的實(shí)時(shí)位置、緊急事件的報(bào)警及處理等問(wèn)題亟待解決。

目前定位老年人最直接的方法就是利用圖像監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，但這種方式侵犯了老年人的個(gè)人隱私，而且信息采集被動(dòng)，不便于實(shí)際使用。在這種情況下，各種無(wú)線定位報(bào)警系統(tǒng)正好符合需求而被研究機(jī)構(gòu)大力開(kāi)發(fā)。ZigBee無(wú)線通訊借助其組網(wǎng)靈活、超低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)被首選為定位實(shí)現(xiàn)方案。由于室內(nèi)外空間環(huán)境的差異，這些設(shè)計(jì)方案多采用雙系統(tǒng)結(jié)合的方式來(lái)滿足功能需求，如RFID+ZigBee方案[2]、GPS+ZigBee方案[3]等。雙系統(tǒng)必然會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜度增大和成本的增長(zhǎng)，且終端產(chǎn)品的功耗也會(huì)成為難以逾越的障礙?？紤]以上方案并結(jié)合實(shí)際需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線通訊的室內(nèi)外區(qū)域定位系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于上海金山區(qū)一所高端養(yǎng)老院中。

1 定位系統(tǒng)概述

定位系統(tǒng)前端主要由定位硬件設(shè)備和定位軟件兩大部分組成。

1.1 定位系統(tǒng)硬件設(shè)備

定位系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括定位標(biāo)簽設(shè)備、位置參考節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和定位網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。系統(tǒng)框架如圖1所示，菱形表示定位標(biāo)簽設(shè)備，圓點(diǎn)表示網(wǎng)絡(luò)的位置參考節(jié)點(diǎn)，中間的圓點(diǎn)表示網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。線條為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線，通過(guò)（多層）交換機(jī)連接到監(jiān)控后臺(tái)。

1.1.1 中心節(jié)點(diǎn)

中心節(jié)點(diǎn)用來(lái)建立區(qū)域子網(wǎng)絡(luò)，并以它為橋梁連接后臺(tái)服務(wù)器，與服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)有線通訊，一個(gè)ZigBee子網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備如圖2所示，本系統(tǒng)具有如下功能：

（1）建立區(qū)域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線連接位置參考節(jié)點(diǎn)和定位標(biāo)簽設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)通訊；

（2）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線將標(biāo)簽定位信息傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器；

（3）將局域網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備信息上報(bào)到后臺(tái)服務(wù)器，以便管理及維護(hù)。

1.1.2 位置參考節(jié)點(diǎn)

參考節(jié)點(diǎn)是一個(gè)固定位置的坐標(biāo)點(diǎn)，其為標(biāo)簽提供了一個(gè)參考位置，且這個(gè)節(jié)點(diǎn)必須正確設(shè)置在定位區(qū)域中。其具有如下功能：

（1）直接通電便可使用，無(wú)需接網(wǎng)線；

（2）自動(dòng)無(wú)線同中心節(jié)點(diǎn)、定位標(biāo)簽設(shè)備組網(wǎng)，并具有一定的自身維護(hù)功能；

（3）反饋?zhàn)陨淼蕉ㄎ粯?biāo)簽的距離信息；

（4）定時(shí)上報(bào)自身信息給中心節(jié)點(diǎn)（中心節(jié)點(diǎn)和位置參考節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)及外觀基本一致，主要區(qū)別在于是否支持網(wǎng)線通訊），并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器。

1.1.3 定位標(biāo)簽

定位標(biāo)簽佩戴在需要定位人員的身上，形如略厚的銀行卡，集定位系統(tǒng)、報(bào)警按鍵和一卡通功能于一身，配備可充電電池，定位標(biāo)簽設(shè)備如圖3所示，定位標(biāo)簽設(shè)備實(shí)物圖如圖4所示。該定位標(biāo)簽具有如下功能：

（1）實(shí)時(shí)上報(bào)位置信息給中心節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器；

（2）具有SOS一鍵報(bào)警功能 ；

（3）自帶鋰電池，可反復(fù)充電；

（4）可通過(guò)特殊按鍵方式切換工作、休眠模式；

（5）超低功耗，充滿電后使用周期約為一個(gè)月；

（6）具有電池低電量自動(dòng)告警功能；

（7）通過(guò)LED顯示指示充電及工作狀態(tài)；

（8）預(yù)留空間，可選配整合養(yǎng)老院園區(qū)一卡通芯片。

1.2 定位系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

1.2.1 定位基本原理

基于ZigBee協(xié)議棧的三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為中心節(jié)點(diǎn)、位置參考節(jié)點(diǎn)和定位標(biāo)簽。

（1）中心節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者和組織者；

（2）參考節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息幀的路由并提供定位點(diǎn)的參考坐標(biāo)；

（3）終端標(biāo)簽則是需要定位的移動(dòng)個(gè)體。

該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的定位原理是首先由標(biāo)簽發(fā)起無(wú)線廣播（見(jiàn)圖4中箭頭1），然后被參考節(jié)點(diǎn)接收并根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為距離信息。該距離信息隨后附加參考節(jié)點(diǎn)的ID信息反饋到標(biāo)簽（見(jiàn)圖4中箭頭2）。在周期時(shí)間內(nèi)，標(biāo)簽對(duì)比接收到的各參考節(jié)點(diǎn)的距離信息，進(jìn)行排序后將距離最近的前三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信息發(fā)到中心節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖4中箭頭3）。中心節(jié)點(diǎn)匯總所有標(biāo)簽的信息并傳遞到后臺(tái)服務(wù)器上，根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和到標(biāo)簽的距離在2D位置圖中標(biāo)記出位置。定位原理圖如圖5所示。

1.2.2 定位算法優(yōu)化

根據(jù)已有研究的結(jié)論，基于最小二乘法估計(jì)的多邊測(cè)量定位法，在已知某個(gè)移動(dòng)點(diǎn)到3個(gè)已知位置的固定參考節(jié)點(diǎn)的距離后，就可通過(guò)求3個(gè)已知半徑和圓心坐標(biāo)的圓的交點(diǎn)來(lái)確定該移動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)[4]。但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，由于室內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且不同的裝修情況也會(huì)使獲取的RSSI值產(chǎn)生較大的影響，從而導(dǎo)致后臺(tái)計(jì)算得到的位置和實(shí)際位置偏差較大。經(jīng)過(guò)分析需求并征得養(yǎng)老院院方同意后，將定位算法做了簡(jiǎn)化，具體分為以下幾種情況：

（1）當(dāng)后臺(tái)服務(wù)器收到的定位數(shù)據(jù)至少有3條且每條定位數(shù)值都在閾值內(nèi)時(shí)，則采用多邊測(cè)量法進(jìn)行定位位置計(jì)算。

（2）當(dāng)后臺(tái)服務(wù)器收到的定位數(shù)據(jù)至少有3條，但定位數(shù)值都在閾值之內(nèi)的少于3條時(shí)，則采用簡(jiǎn)化算法，根據(jù)上報(bào)的距離值比例，對(duì)應(yīng)在2個(gè)參考點(diǎn)連線上計(jì)算出大致位置。

（3）當(dāng)后臺(tái)服務(wù)器收到的定位數(shù)據(jù)少于3條，甚至可能只有1條時(shí)，就將標(biāo)簽顯示在該位置參考點(diǎn)上，并在后臺(tái)特別顯示為區(qū)域定位。

通過(guò)以上方式將算法對(duì)象做了細(xì)化區(qū)分，提高了定位位置的準(zhǔn)確率，在一定程度上減弱了信號(hào)反射和干擾衰減導(dǎo)致的定位誤差。

1.3 室內(nèi)定位系統(tǒng)軟件拓展

在實(shí)地測(cè)試中發(fā)現(xiàn)有一些房間格局特殊，墻面裝修瓷磚對(duì)信號(hào)具有非常強(qiáng)烈的屏蔽作用，導(dǎo)致進(jìn)入房間后外部定位設(shè)備信號(hào)無(wú)法穿透。因此在這些區(qū)域里布置定位點(diǎn)時(shí)，如果還采用中心節(jié)點(diǎn)加位置參考點(diǎn)方式，不僅會(huì)形成設(shè)備的高冗余，還對(duì)成本有較大影響。因此提出了“定位中心節(jié)點(diǎn)”的概念：通過(guò)軟件的優(yōu)化，將中心節(jié)點(diǎn)和位置參考節(jié)點(diǎn)功能整合為一體，采用區(qū)域定位的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)特殊房間的定位。該設(shè)備硬件是基于中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備的，包含位置參考節(jié)點(diǎn)反饋位置信息的功能，同時(shí)還可以通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)將這些信息傳遞到后臺(tái)服務(wù)器。這樣就在未增加硬件成本的前提下解決了此難題。

1.4 室外定位系統(tǒng)軟件拓展

室外環(huán)境條件較室內(nèi)復(fù)雜了很多，不但要考慮安放位置，還要求對(duì)雨水、雷電等惡劣氣候環(huán)境進(jìn)行防范。ID工程師在硬件工程師的建議下，將絕緣防護(hù)罩與無(wú)源導(dǎo)電體相結(jié)合，設(shè)計(jì)出類似路燈的定位桿，然后將定位設(shè)備安裝在定位桿內(nèi)。實(shí)踐證明該方法既達(dá)到了客戶美觀的需求又能滿足室外環(huán)境的要求。

室外和室內(nèi)安裝條件迥異，無(wú)法采用中心節(jié)點(diǎn)配合參考節(jié)點(diǎn)的方式。在考察實(shí)地環(huán)境后，并同客戶討論征得同意，制定了區(qū)域定位的方案，即將室外樓宇之間的空地做區(qū)域劃分，將“室內(nèi)定位中心節(jié)點(diǎn)”概念拓展，設(shè)計(jì)出“室外定位中心節(jié)點(diǎn)”的概念。該設(shè)備硬件同樣基于中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備，包含位置參考節(jié)點(diǎn)以反饋位置信息，同時(shí)還可以通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)將這些信息傳遞到后臺(tái)服務(wù)器。此概念將施工難題和定位需求之間的矛盾沖突巧妙的進(jìn)行了折中處理，實(shí)際使用效果也令客戶滿意。室外定位設(shè)備效果見(jiàn)圖6所示（圓圈部分）。

1.5 室內(nèi)外設(shè)備定位干擾

在系統(tǒng)運(yùn)行初期，從后臺(tái)監(jiān)控上看到某個(gè)定位標(biāo)簽顯示在室外，但會(huì)突然跳躍到樓內(nèi)二層的某個(gè)房間中，之后很快又顯示室外區(qū)域。而另一種情況是人員帶著定位標(biāo)簽在室內(nèi)陽(yáng)臺(tái)上時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生類似定位到室外的跳變。經(jīng)過(guò)分析這些情況是由于無(wú)線信號(hào)受到干擾在不穩(wěn)定狀態(tài)或者在無(wú)線信號(hào)臨界切換區(qū)域中使定位標(biāo)簽組網(wǎng)處在不合適的位置導(dǎo)致的，雖然只有短時(shí)的改變，但在后臺(tái)顯示上就會(huì)形成較差的用戶體驗(yàn)。

為此，基于現(xiàn)有系統(tǒng)，在后臺(tái)服務(wù)器流程處理中將所有參與位置定位的設(shè)備節(jié)點(diǎn)包括位置參考節(jié)點(diǎn)、室內(nèi)定位中心節(jié)點(diǎn)、室外定位中心節(jié)點(diǎn)都添加了設(shè)備屬性的概念，包括室內(nèi)、室外、跳轉(zhuǎn)屬性。然后做出如下規(guī)定：

（1）將樓宇內(nèi)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)都標(biāo)記為室內(nèi)屬性。

（2）剛進(jìn)入樓門(mén)，在門(mén)廳的設(shè)備節(jié)點(diǎn)處則增加跳轉(zhuǎn)屬性。

（3）室外的定位設(shè)備節(jié)點(diǎn)都標(biāo)記為室外屬性。

（4）正對(duì)或者靠近樓門(mén)口的設(shè)備節(jié)點(diǎn)則增加跳轉(zhuǎn)屬性。

（5）允許跳轉(zhuǎn)屬性到跳轉(zhuǎn)屬性設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的位置變化。

（6）允許室內(nèi)屬性設(shè)備之間、室外屬性設(shè)備之間的位置變化。

（7）定位設(shè)備之間若不包含相同的屬性就不允許跳轉(zhuǎn)，仍保持原有定位位置。

（8）在特殊情況下，如果（7）中的情況保持超過(guò)規(guī)定時(shí)間（分鐘級(jí)別值），則按照實(shí)際上報(bào)位置顯示。

通過(guò)上述規(guī)定，在后臺(tái)顯示處理過(guò)程中將位置跳變情況進(jìn)行了有效控制，用戶體驗(yàn)也達(dá)到了客戶的要求。

2 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)在ZigBee組網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)定位需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了室內(nèi)外區(qū)域定位系統(tǒng)并成功應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了其商用價(jià)值。通過(guò)半年多的運(yùn)行和維護(hù)，該系統(tǒng)已經(jīng)得到了實(shí)踐驗(yàn)證。除了日常的定位作用外，也處理了多次老人緊急事件，使得工作人員在報(bào)警后約5分鐘就到達(dá)老人身邊，及時(shí)對(duì)其進(jìn)行救助或送醫(yī)，得到了老人和院方的認(rèn)可。該系統(tǒng)一方面提高了工作人員的效率，另一方面也樹(shù)立了養(yǎng)老院安全有保障的形象。

在后續(xù)項(xiàng)目中，還可以對(duì)于人員定位標(biāo)簽設(shè)備做進(jìn)一步改進(jìn)，如將其設(shè)計(jì)成腕表，將有線充電方式改為無(wú)線充電方式等，以滿足不同用戶的需求。系統(tǒng)中還可以擴(kuò)展連接多種無(wú)線傳感器，如煙霧、漏水、漏氣、門(mén)磁、紅外等，其應(yīng)用范圍也會(huì)更加寬廣。

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