基于室內(nèi)定位技術(shù)的空巢老人運動軌跡可視化

蘇春芳 尤彩萍 鄭偉

摘 ?要：空巢老人平時的生活都是在無人看護的情況下，為了提高居家養(yǎng)老監(jiān)護系統(tǒng)對危險事件的防范能力，本文一方面可視化老人在室內(nèi)的運動軌跡，實時追蹤老人在室內(nèi)的位置;另一方面在危險多發(fā)位置進(jìn)行智能的提醒，從而減少危險事件的發(fā)生。實驗證明，基于藍(lán)牙的室內(nèi)定位技術(shù)能夠準(zhǔn)確地定位老人在室內(nèi)的位置，實現(xiàn)在無人監(jiān)護的情況下，能夠合理、實時地對老人進(jìn)行安全提醒，從而減少危險事件的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位;低功耗藍(lán)牙;云平臺;運動軌跡;安全提醒

中圖分類號：TP39 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 ? 引言（Introduction）

隨著我國人口老齡化程度的加劇，養(yǎng)老問題成為社會關(guān)注的熱點。目前，居家養(yǎng)老成為目前大多數(shù)老人偏愛的一種養(yǎng)老方式，但是隨著老人身體機能的下降，記憶力隨之也出現(xiàn)減退，經(jīng)常出現(xiàn)忘記關(guān)水、煤氣甚至重復(fù)吃藥等情況。居家養(yǎng)老的關(guān)鍵問題是如何保證老人的安全，監(jiān)護人一方面想實時獲知老人在家的生活狀況;另一方面想通過智能化的手段，防止危險事件發(fā)生，或者是在危險發(fā)生后，能夠第一時間了解情況，并進(jìn)行及時的處理，因此輔助監(jiān)護系統(tǒng)已成為當(dāng)前研究的熱點。

在居家環(huán)境下，危險事件的發(fā)生一般與室內(nèi)位置有一定的關(guān)系，如摔倒經(jīng)常發(fā)生在衛(wèi)生間，而忘記關(guān)閉煤氣則發(fā)生在廚房，如果能在事件多發(fā)的區(qū)域給予老人合理的安全提醒，就可以減少危險事件的發(fā)生。準(zhǔn)確的室內(nèi)定位是非常重要的，目前室內(nèi)定位主流的技術(shù)主要包括RFID（Radio Frequency Identification）、無線Wi-Fi、BLE（Bluetooth Low Energy）、ZigBee、圖像處理等技術(shù)，鑒于對使用者隱私的保護，近年來基于低功耗藍(lán)牙的室內(nèi)定位得到了廣泛的應(yīng)用。智能手機已經(jīng)進(jìn)入了大眾的生活，其內(nèi)置了無線WIFI、藍(lán)牙、加速度等傳感器，因此智能手機成為智能監(jiān)護系統(tǒng)的主流設(shè)備。

鑒于以上原因，融合室內(nèi)定位技術(shù)，開發(fā)設(shè)計一套基于智能手機的智能監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)一方面對老人的運動軌跡進(jìn)行可視化;另一方面在關(guān)鍵位置點，如廚房、衛(wèi)生間、藥箱等位置，實時向老人發(fā)出安全提醒，從而減少危險事件的發(fā)生。

2 ? 相關(guān)工作（Related work）

2.1 ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能監(jiān)護系統(tǒng)一方面為被照顧者提供智能的居家服務(wù)，另一方面為監(jiān)護者搭建實時獲知老人在家生活狀況的平臺。本系統(tǒng)主要包括室內(nèi)定位、智能決策、綜合應(yīng)用三個模塊，如圖1所示。室內(nèi)定位模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，其性能直接決定著整個系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與合理性，首先通過智能手機采集來自Beacon的數(shù)據(jù)，并上傳到云端服務(wù)器，然后在服務(wù)器端進(jìn)行濾波處理，并將數(shù)據(jù)送入定位模型，從而得到定位結(jié)果。當(dāng)手機處于或者接近Beacon的臨近范圍，將會自動觸發(fā)異步事件的發(fā)生，進(jìn)而由智能決策模塊依據(jù)環(huán)境信息，進(jìn)行綜合決策，智能化的開啟安全提醒、運動軌跡可視化等綜合性的服務(wù)。

綜合應(yīng)用主要包括兩個手機APP，其中一個主要應(yīng)用于被照顧者，依據(jù)老人在室內(nèi)的位置，實時進(jìn)行合理、智能的安全提醒;另一個則是為監(jiān)護人設(shè)計開發(fā)的，用于遠(yuǎn)程獲取老人在家的運動軌跡、室內(nèi)、室外位置等信息。

本系統(tǒng)提供室內(nèi)、室外定位的無縫對接，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到老人離開家、外出時，自主完成從室內(nèi)定位到室外定位的切換。室內(nèi)定位是基于BLE技術(shù)開發(fā)的，主要依據(jù)RSSI（（Received Signal Strength Indication））值來完成定位[1，2];而在室外，由于沒有了室內(nèi)環(huán)境的影響，GPS（Global Positioning System）信號相對穩(wěn)定，又由于GPS是一種準(zhǔn)確并且廣泛應(yīng)用于室外的定位技術(shù)[3]，因此室外定位是基于GPS技術(shù)設(shè)計的。

2.2 ? 定位設(shè)備部署

考慮到室內(nèi)定位設(shè)備的功耗性，本系統(tǒng)選自Estimote公司的Beacon設(shè)備，在室內(nèi)關(guān)鍵位置（廚房、衛(wèi)生間、臥室、客廳、藥箱、門廳）的天花板上安裝Proximity Beacon設(shè)備。為了減少藍(lán)牙信號之間的相互干擾，適當(dāng)調(diào)整Beacon之間的直線距離Dij，使得Dij?[2米，3米]，將居家生活環(huán)境分為7個可監(jiān)控的獨立區(qū)域，記為Pi?{廚房，衛(wèi)生間，臥室1，臥室2，客廳，藥箱，門廳}。

在云平臺配置Proximity Beacon的相關(guān)參數(shù)，一方面設(shè)置廣播功率（Broadcasting Power）為-4dBm、廣播包時間間隔為200毫秒;另一方面配置Beacon的標(biāo)簽（Tags）、附加信息（attachment）[4]，如表1所示。依據(jù)室內(nèi)的物理布局，設(shè)置各個Beacon的標(biāo)簽選項，建立Beacon與室內(nèi)位置的對應(yīng)關(guān)系，由于“衛(wèi)生間”與“客廳”之間有藍(lán)牙信號的重疊的區(qū)域，因此安裝在“衛(wèi)生間”的Beacon有兩個標(biāo)簽，分別為“bathroom”和“hallway”;“客廳”與“門廳”相連，而且“藥箱”也位于客廳內(nèi)，因此“客廳”內(nèi)的Beacon有“l(fā)ivingroom”“hallway”“medicine-chest”三個標(biāo)簽。

為了實現(xiàn)在室內(nèi)關(guān)鍵位置點，向老人發(fā)送合理的安全提醒，在Beacon的附加信息中增加“remind”選項，并設(shè)置相應(yīng)的安全提醒信息[5，6]。實時監(jiān)聽Beacon的enter/exit事件，用于獲取老人在室內(nèi)的位置，當(dāng)檢測到老人進(jìn)入衛(wèi)生間時，提醒老人“小心滑到”;而當(dāng)老人多次出現(xiàn)在藥箱附件，智能決策模塊可以依據(jù)環(huán)境信息提醒老人“已經(jīng)吃過藥”或者“吃藥時間未到”。

3 ? 智能服務(wù)模型（Intelligent service model）

室內(nèi)定位功能是基本藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)設(shè)計的，需要使用者攜帶智能手機，要求手機開啟藍(lán)牙功能，用于接收來自Beacon的藍(lán)牙廣播包;另外手機還需要開啟網(wǎng)絡(luò)通訊功能，用于從云端服務(wù)器獲取信息，或者將信息發(fā)送給服務(wù)器并進(jìn)行存儲。

由于RSSI值與距離之間存在一定的衰減規(guī)律，Beacon的發(fā)射半徑在0—12m時，RSSI具有線性的衰減關(guān)系。當(dāng)使用者進(jìn)入某一區(qū)域時，RSSI的值在某一特定區(qū)間，隨之onEnter事件被觸發(fā);離開某一區(qū)域時，觸發(fā)onExit發(fā)生;而當(dāng)使用者在某一區(qū)域內(nèi)活動，但是沒有離開該區(qū)域時onContextChange事件會被觸發(fā)，對以上三個事件進(jìn)行實時監(jiān)控，就可以得到使用者在室內(nèi)的位置。當(dāng)以上事件被觸發(fā)時，一方面獲取系統(tǒng)時間、手機SIM卡的卡號，本系統(tǒng)主要應(yīng)用SIM卡的卡號區(qū)別不用的使用者;另一方面依據(jù)當(dāng)前的位置切換相應(yīng)的虛擬地圖，對老人在室內(nèi)的位置進(jìn)行可視化[7，8];最后將當(dāng)前位置信息上傳到服務(wù)器，便于后期對老人生活狀態(tài)進(jìn)行分析。智能服務(wù)算法描述如下：

鑒于監(jiān)護人對老人身體狀況、生活習(xí)慣有一定的了解，基于這些先驗知識，建立安全提醒信息集，在云平臺配置各個區(qū)域Beacon的附加信息。當(dāng)老人進(jìn)入某一區(qū)域，從云平臺獲取該Beacon的附加信息（attachment），讀取“remind”選項的值，并以語音的方式進(jìn)行安全提醒。

4 ? 實驗結(jié)果（Experiment）

本系統(tǒng)的實驗環(huán)境是一個二居室的居家環(huán)境，收集志愿者在室內(nèi)生活的數(shù)據(jù)，主要是指RSSI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為{時間，Beacon設(shè)備編號，RSSI值}。收集30分鐘的實驗數(shù)據(jù)，并從云平臺獲取老人在室內(nèi)的位置，室內(nèi)位置變化的情況如圖2所示，其中有53%的時間在客廳活動，31%在臥室，僅有16%的時間在廚房。

監(jiān)護人可以遠(yuǎn)程監(jiān)護老人在室內(nèi)的位置，以及在房間內(nèi)停留的時間，如圖3和圖4所示。2019年11月6日，14：00時，老人先后兩次來到廚房，停留時間共為12分鐘左右;而16：00時到18：00時，老人在廚房活動一次，停留時間為28分鐘左右。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

基于室內(nèi)定位技術(shù)，本系統(tǒng)一方面對老人在室內(nèi)的位置進(jìn)行可視化，另一方面對老人進(jìn)行智能的安全提醒，提示潛在的危險，從而減少了危險事件的發(fā)生，在不侵犯個人隱私的情況下，搭建一套可視化的智能監(jiān)護平臺。由于本系統(tǒng)的安全提醒信息庫是靜態(tài)的，因此安全提醒相對單一化、固定化、模式化，今后將進(jìn)一步增加對安全事件的智能分析，構(gòu)建動態(tài)的安全提醒信息庫，進(jìn)一步提高空巢老人的生活質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)（References）

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[8] 秦坤.WIFI室內(nèi)定位數(shù)據(jù)的可視化系統(tǒng)[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2019：30-38.

作者簡介：

蘇春芳（1979-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)，人工智能.

尤彩萍（1975-），女，本科，副教授.研究領(lǐng)域：軟件技術(shù).

鄭 ?偉（1976-），女，本科，副教授.研究領(lǐng)域：多媒體方向.