基于ZigBee的精神病人定位管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔江濤 劉紅梅 周 玲

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

1 引言

據(jù)估算，目前我國(guó)約有嚴(yán)重精神疾病患者1600萬人。因?yàn)榭醋o(hù)不周而造成的走失、自殺、殺人傷人現(xiàn)象呈逐年增加之勢(shì)，精神疾病總負(fù)擔(dān)已躍居各類疾病之首。因此，解決精神病人的看護(hù)監(jiān)管問題日益突出[1]。然而對(duì)于國(guó)內(nèi)醫(yī)院，精神病人的定位管理是一個(gè)普遍的難題，相關(guān)解決方案很少。

GPS是目前應(yīng)用最為廣泛的定位技術(shù)，但是對(duì)于室內(nèi)近距離定位，GPS的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。ZigBee技術(shù)作為一種低成本、低功耗、低速的短距離雙向無線通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于智能家居、智能樓宇等各種物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域[2]。本系統(tǒng)采用RSSI定位引擎,通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)醫(yī)院精神病人定位，定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GPS，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)病人的精準(zhǔn)定位及管理。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由ZigBee移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、固定節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)及系統(tǒng)軟件組成，其結(jié)構(gòu)組如圖1所示。

固定節(jié)點(diǎn)可以安裝在醫(yī)院每層樓和每層樓的出口以及住院大樓門口等關(guān)鍵位置，其作用是位置數(shù)據(jù)雙向傳輸及ZigBee無線信號(hào)覆蓋。一個(gè)定位區(qū)域至少有3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行定位。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備被佩戴在每個(gè)被監(jiān)控病人的身上，其內(nèi)部被寫入了病人相關(guān)信息，相當(dāng)于一個(gè)帶身份識(shí)別功能的定位器。當(dāng)被監(jiān)控病人在醫(yī)院中移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的定位引擎啟動(dòng)，通過探查與各個(gè)固定節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)強(qiáng)弱來進(jìn)行位置計(jì)算。實(shí)時(shí)將病人信息及位置等數(shù)據(jù)上傳至具有網(wǎng)關(guān)作用的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，實(shí)現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)的互聯(lián)，它將收集到的所有病人信息及位置數(shù)據(jù)通過有線以太網(wǎng)傳至上位機(jī)。

上位機(jī)及系統(tǒng)軟件通過24小時(shí)不間斷、實(shí)時(shí)地獲取病人位置信息，在醫(yī)院的電子地圖上描繪出病人的日?；顒?dòng)軌跡，從而幫助管理人員更加方便地監(jiān)控病人的行蹤。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

固定節(jié)點(diǎn)的電路框圖如圖2所示，采用的主芯片是TI公司的CC2430。這是一個(gè)專用于IEEE 802.15.4和ZigBee通信協(xié)議的片上系統(tǒng)解決方案，其RF內(nèi)核采用了工業(yè)領(lǐng)先的射頻通信芯片CC2420，在單芯片上集成了CPU、存儲(chǔ)器、RF射頻單元及常用片內(nèi)外設(shè)等電路單元。

在實(shí)際使用時(shí)，考慮到可能停電的問題，一般采用外接電源與內(nèi)置3Ah鋰電池相結(jié)合的供電方式，保證在外接電源中斷的情況下，可繼續(xù)工作12小時(shí)以上。

固定節(jié)點(diǎn)的安裝應(yīng)根據(jù)醫(yī)院現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，事先規(guī)劃好信號(hào)覆蓋區(qū)域，然后將固定節(jié)點(diǎn)安裝在需要無線信號(hào)覆蓋的區(qū)域，同時(shí)固定節(jié)點(diǎn)之間能夠通過多跳，級(jí)聯(lián)成無線自組織網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信距離最遠(yuǎn)達(dá)到1000米。

圖2 固定節(jié)點(diǎn)電路框圖

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電路框圖如圖3所示，采用CC2431作為主芯片。相比CC2430，CC2431的結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別在于其內(nèi)置了一個(gè)基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的定位引擎。該定位引擎可根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度及已知固定節(jié)點(diǎn)位置，準(zhǔn)確計(jì)算出待移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，然后將位置信息發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。與集中型定位系統(tǒng)相比，進(jìn)行分布節(jié)點(diǎn)定位，以減少網(wǎng)絡(luò)通信量和網(wǎng)絡(luò)通信延遲。

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可制成腕帶標(biāo)簽或胸卡標(biāo)簽等，并可防止暴力拆卸。為了便于攜帶，一般考慮采用大容量的紐扣電池供電，避免頻繁更換電池。電池容量低時(shí)，可主動(dòng)上報(bào)低壓信息，通知管理人員及時(shí)更換電池。若移動(dòng)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間沒有移動(dòng)位置，發(fā)送報(bào)警信號(hào)，提醒管理人員注意，排除病人出現(xiàn)意外的情況。

圖3 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電路框圖

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是定位系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，是系統(tǒng)的核心節(jié)點(diǎn)，用于組建ZigBee無線定位網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)，并通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)的雙向通信。下行接收由上位機(jī)發(fā)來的給各個(gè)固定及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的配置數(shù)據(jù)，并采用不同的方式轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)；上行接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的反饋數(shù)據(jù)，判斷其有效性后再上傳至上位機(jī)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的核心模塊為CC2430芯片，通過SPI接口與以太網(wǎng)控制器芯片ENC28實(shí)現(xiàn)通信，完成以太網(wǎng)通信功能，電路框圖如圖4所示：

圖4 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)電路框圖

4 算法設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)CC2431內(nèi)置了基于RSSI技術(shù)的定位引擎，屬于硬件定位，速度更快。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI理論值可由公式RSSI=-(10nlgd+A)得到，其中d代表距發(fā)射器間的距離，A代表距離發(fā)送端1米時(shí)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，n為信號(hào)傳播常量，也稱傳播指數(shù)。由公式可知無線信號(hào)的衰減與收發(fā)端的距離近似成對(duì)數(shù)衰減關(guān)系，因此利用此關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)距離測(cè)算[3]。

因此定位算法相應(yīng)地采用測(cè)距算法中的三邊測(cè)量法。該算法是一種基本的計(jì)算坐標(biāo)方法，只需要三個(gè)已知固定節(jié)點(diǎn)就可實(shí)現(xiàn)定位，簡(jiǎn)單高效?；驹砣缦拢喝鬉，B，C三個(gè)節(jié)點(diǎn)為固定節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)D的距離分別為Da，Db，Dc，假設(shè)D點(diǎn)坐標(biāo)為（X，Y），如圖5所示。

圖5 三邊測(cè)量法示意圖

那么通過下面方程組：

解方程組可以得到D點(diǎn)坐標(biāo)為[4]：

系統(tǒng)的定位過程為:首先將至少3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)分布在整個(gè)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，使其通信范圍能涵蓋整個(gè)病區(qū)。在聯(lián)入Zig-Bee無線網(wǎng)絡(luò)后，上位機(jī)軟件通過協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)為其分配相應(yīng)的坐標(biāo)。區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的固定節(jié)點(diǎn)傳輸信號(hào)的RSSI值算出與固定節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過三邊測(cè)量法計(jì)算出自己的位置坐標(biāo)，并將位置坐標(biāo)通過協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)上傳到上位機(jī)。最后上位機(jī)通過系統(tǒng)軟件對(duì)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)定位管理。

5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

通過對(duì)病人定位管理的需求分析，可將上位機(jī)軟件分為三大功能模塊：定位模塊、管理模塊和告警模塊。

(1)定位模塊

行程監(jiān)控：通過一系列的定位數(shù)據(jù)形成病人的日?；顒?dòng)軌跡，并能根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)記錄分析某段時(shí)間內(nèi)某個(gè)病人的活動(dòng)情況。

區(qū)域人數(shù)監(jiān)控：實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的病人數(shù)量。

重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)控：對(duì)圍墻、大樓出口等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，防止病人走失、出逃。

(2)管理模塊

人員出入授權(quán)管理：對(duì)所有人員的區(qū)域出入進(jìn)行授權(quán)或者更改權(quán)限等操作。

歷史信息記錄：對(duì)定位信息進(jìn)行記錄、保存，可回放任意時(shí)段的精神病人定位信息。

(3)告警模塊

非法出入告警：病人非正常出入大門或進(jìn)出非授權(quán)的區(qū)域時(shí)報(bào)警。

設(shè)備異常告警：當(dāng)移動(dòng)標(biāo)識(shí)卡出現(xiàn)電池低壓、信號(hào)采集故障和標(biāo)識(shí)卡失效等情況時(shí)，報(bào)警通知值班人員采取維修更換等處理。

6 結(jié)論

本文主要研究了基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)院精神病人定位管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其在醫(yī)院的具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病人的實(shí)時(shí)定位和管理，對(duì)醫(yī)院精神病人的安全管理和信息化有著重大意義，具有良好的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)效益。

系統(tǒng)除了具有低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、定位精度高、監(jiān)控范圍廣等特點(diǎn)。本系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于精神病人的管理，還可以推廣到如醫(yī)院新生兒管理、養(yǎng)老院老人管理和監(jiān)獄犯人管理等其他應(yīng)用領(lǐng)域。

[1]李紅梅．給精神病患者一個(gè)歸宿[N]．人民日?qǐng)?bào)，2013-8-2．

[2]胡宏澤．基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)RF I D定位技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]．南京：南京航空航天大學(xué)，2015．

[3]趙莉，李亞，陳國(guó)紹．基于ZigBee的RS S I測(cè)距模型[J]．兵工自動(dòng)化，2014(12)：52-55．

[4]由曉鵬，陳天偉．基于三邊測(cè)量原理的用戶定位方法研究[J]．移動(dòng)通信，2016，40(22)：41-44．