老年公寓智能看護系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王 穎

(山西興路交通工程監(jiān)理技術咨詢有限公司，山西 太原030006)

0 引言

中國已邁入老齡化社會，福利院以及老年公寓養(yǎng)老模式逐漸成為當代養(yǎng)老的重要方式。社會對養(yǎng)老機構的需求也隨之越來越大，不少老年公寓收費高昂卻一床難求。與此同時，養(yǎng)老機構的服務品質卻差強人意，缺乏有效的技術手段來高效、細致、準確地看護老人，特別是實時跟蹤老人的行蹤，監(jiān)測老人的健康狀況，在老人發(fā)生危險時能夠第一時間定位老人位置，及時提供救助方面還缺乏有效手段。僅僅依靠人力是無法做到對每一位老人的24小時貼身看護，必須借助最新科技手段，打造智能看護系統(tǒng)，才能實現(xiàn)老年公寓安全、健康、快樂的服務目標。

本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的老年公寓智能看護系統(tǒng)，可以實時定位老人的位置，在老人需要幫助或發(fā)生危險時“一鍵報警”就能及時獲得救助，是老人隨身攜帶的“120”，實現(xiàn)24小時貼身看護，有效降低意外事故的發(fā)生頻率。

1 老年公寓看護系統(tǒng)現(xiàn)狀及需求分析

目前，高檔老年公寓與醫(yī)院住院病房一樣，配置了床頭呼叫對講裝置，老人需要幫助時可以呼叫護士站求助，護士站也可以提醒或通知老人有關事宜，但并不能實時監(jiān)測到老人的健康狀況。如果老人離開房間去其它地方活動就完全處于失控狀態(tài)，一旦有意外發(fā)生，很難及時發(fā)現(xiàn)并找到出事地點。特別是現(xiàn)在老年公寓規(guī)模日益擴大，公寓室內、室外空間結構復雜，若有意外發(fā)生，很難及時找到老人，錯過最佳施救時機。至于普通的養(yǎng)老機構，則完全依靠人力資源，救援效率就更低了。

通過大量的調查研究，我們認為老年公寓對于智能看護系統(tǒng)的需求是迫切的，智能看護系統(tǒng)對于老年公寓而言是十分必要的基礎設施，其主要的功能需求如下：

1) 實時定位跟蹤：實時跟蹤監(jiān)測老人的位置，記錄其行蹤，定位精度應該在5 m以內，室內定位必須準確區(qū)分樓層。

2) 人員分布顯示：所有人員(包括老人和服務人員)的位置可以實時顯示在監(jiān)控中心的大屏幕上，管理人員可以隨時查看人員的分布情況。

3) 電子圍欄和越界報警：可以根據(jù)老人的身體狀況設定每個人的活動范圍，一旦越界自動報警，老人隨身攜帶的胸卡或腕表同時發(fā)出警示聲響，提醒老人已越界。

4) 身體狀況實時監(jiān)測和意外自動報警：對老人身體狀況的關鍵參數(shù)比如心跳、血壓等進行實時監(jiān)測并上傳監(jiān)控中心，一旦異常，在監(jiān)控平臺自動發(fā)出報警信息，提示服務人員介入處理。

5) 雙向呼叫：監(jiān)控中心服務臺和老人通過系統(tǒng)網(wǎng)絡可以雙向呼叫和通話。

6) 一鍵報警和應急預案自動彈出：老人在發(fā)生身體不適或意外情況時可以按下腕表或胸卡上的緊急呼叫按鈕，求助信息會顯示在監(jiān)控平臺上，同時系統(tǒng)自動顯示老人的位置、健康狀況，主要疾病以及應急處置措施，便于服務人員在第一時間提供準確服務。

2 關鍵技術問題和技術路線選擇

根據(jù)上述需求分析，要想實現(xiàn)預期目標，其關鍵有兩點，一是必須采用無線通信，二是必須具有精確定位功能。目前成熟的無線通信技術主要有藍牙、WiFi、RFID、GPRS/GSM/CDMA和ZigBee，就其可行性簡要分析如下：

1) 藍牙：藍牙的通訊距離在10 m以內，極限網(wǎng)絡容量只有7個，不能滿足聚集人群的通訊需求，且沒有定位功能。

2) WiFi：WiFi的通訊距離也比較短，極限網(wǎng)絡容量32個終端節(jié)點，同樣不能滿足聚集人群的通訊需求，且沒有定位功能。雖然可以通過天線的位置進行模糊定位，但定位精度不能滿足需求。

3) RFID：RFID的通訊距離更短，且只能單向讀寫信息，不能進行雙向語音通訊，因而也不適合老年公寓的應用場景。

4) GPRS/GSM/CDMA：這是現(xiàn)在商用移動通訊的實用技術，但是設備龐大，成本高昂，特別是不能實現(xiàn)室內定位且定位精度也不能滿足需求。

5) ZigBee：這是目前物聯(lián)網(wǎng)的核心技術之一，使用免費的工業(yè)、科學、醫(yī)療專用頻段(2.4 G-ISM)，它是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞[1]。其主要特點可以概括為“三低兩高”：

◆短距離：傳輸范圍一般在10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，也可增加到1～3 km。

◆低功耗：在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月。

◆低成本：通過大幅簡化協(xié)議使成本很低(不足藍牙的1/10)，而且ZigBee的協(xié)議專利免費。

◆高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點(設備)管理若干子節(jié)點(設備)，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。

◆高可靠性：ZigBee技術中，由于采用網(wǎng)狀網(wǎng)(mesh網(wǎng)絡)拓撲結構，自動路由，動態(tài)組網(wǎng)，直序擴頻(DSSS)的方式，因而抗干擾性強，能夠很好適應各種復雜狀況。

◆定位功能：自帶定位功能，這是ZigBee技術的重要特點，采用合理的定位方案可以實現(xiàn)米級精度的定位。

通過以上的比較分析可見，ZigBee技術是智能看護系統(tǒng)的首選技術路線。

圖1 無線通訊技術特性對照表

3 定位原理

ZigBee采用 RSSI定位技術，RSSI(Received Signal Strength Indicator)是指節(jié)點接收到的無線信號強度大小。在基于接收信號強度指示RSSI的定位中,已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度,接收節(jié)點根據(jù)接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗,利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉化為距離,再利用已有的算法計算出節(jié)點的位置。該技術硬件要求較低、算法相對簡單,在實驗室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性;但由于環(huán)境因素變化的原因,在實際應用中往往還需要改進。接收信號強度是發(fā)射功率和發(fā)射器與接收器間距離的函數(shù)。接收信號強度RSSI理論值可由下面公式表示：

RSSI=-(10n·1gd+A)

其中，n代表信號傳播常量，也叫傳播指數(shù)；d代表距發(fā)射器間的距離；A代表距離1 m時的接收信號強度。

信號的衰減與距離成對數(shù)衰減的關系。節(jié)點到信號源的距離越近,由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差越小；而當距離大于某一值時,由RSSI波動造成的絕對距離誤差將會很大。一個未知節(jié)點可能收到n個參考節(jié)點的信號,所以應當采用RSSI值大的前幾個參考節(jié)點進行定位計算，這樣可以避免定位誤差擴大。

實用中在管理區(qū)域合理設置定位基站，各定位基站間以無線網(wǎng)狀網(wǎng)的形式組成無線定位網(wǎng)絡，對目標區(qū)域實現(xiàn)信號覆蓋；當內置ZigBee模塊的胸卡或腕表在網(wǎng)絡內移動時，移動標簽和各定位基站間通信的信號強度會隨它們之間的距離變化而改變，由于信號強度和距離間有一定的對應關系，且各定位基站的位置坐標已知，在得知移動標簽與多個(≥3個)定位基站間的信號強度后，即可計算出移動報警器的位置。

圖2 定位原理示意圖

4 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

典型的智能看護系統(tǒng)組成如圖3所示，主要包括四個部分：后臺管理系統(tǒng)，骨干通訊網(wǎng)絡，現(xiàn)場無線定位網(wǎng)絡和核心設備。

圖3 系統(tǒng)組成示意圖

4.1 后臺管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)配置于老年公寓的管理中心，包括計算機系統(tǒng)，大屏幕顯示系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，遠程網(wǎng)絡訪問系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡管理系統(tǒng)、應急預案管理系統(tǒng)和應急救援系統(tǒng)等子系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合運用在線監(jiān)測、自動化控制、地理信息系統(tǒng)(GIS)等先進技術，建立起一個連接老年公寓覆蓋范圍所有老人和工作人員的網(wǎng)絡通信平臺、資源管理平臺與監(jiān)控平臺，用戶既可以在本地訪問服務器，也可以通過網(wǎng)絡遠程訪問服務器。所有老人的靜態(tài)、動態(tài)信息(包括當前位置和行動軌跡)以及報警求助等信息都通過無線網(wǎng)絡匯聚到管理中心，管理中心可以實時監(jiān)看老人的活動位置以及身體狀態(tài)，并根據(jù)情況采取預防性的措施，一旦發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)或收到報警求助信息，管理服務人員能第一時間確定老人的狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)預存的老人身體健康信息和應急救援預案，在第一時間精準施救。管理中心可以直接發(fā)送指令或警示提醒信息給特定的老人；老人也可以通過現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)向管理中心發(fā)出求助報警信息。

4.2 骨干通訊網(wǎng)絡

由于整個社區(qū)的面積較大，一般分為室內、室外兩個部分，如果單使用ZigBee組網(wǎng)，網(wǎng)絡負擔會非常大，整個網(wǎng)絡的效率也會比較低。針對這種情況，系統(tǒng)采用了ZigBee與以太網(wǎng)結合的方式，將每個樓層劃分一個ZigBee無線子網(wǎng)，每個子網(wǎng)的定位基站通過子網(wǎng)網(wǎng)關連接到系統(tǒng)中心；整個室外的定位基站也獨立組成一個子網(wǎng)。這樣即保證了網(wǎng)絡的運行效率，又充分體現(xiàn)了無線的靈活性。

4.3 現(xiàn)場無線定位網(wǎng)絡

整個定位系統(tǒng)由胸卡或腕表(移動標簽)，定位基站(室外基站和室內基站),網(wǎng)關基站(ZigBee-Ethernet網(wǎng)關)組成[2]。

網(wǎng)關基站負責現(xiàn)場無線網(wǎng)絡與骨干網(wǎng)絡以及后臺管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通，定位基站與移動標簽則組成了現(xiàn)場無線網(wǎng)絡和定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了人員定位和信息交互。

1) 室外定位:根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，以網(wǎng)格形式，在整個園區(qū)內靈活的布置無線定位基站，各基站間會自動聯(lián)通起來，并將采集的移動標簽信息傳送至中心，系統(tǒng)中心根據(jù)這些原始的定位數(shù)據(jù)，采用科學的定位算法計算出移動目標相對于定位基站的位置，進而確定出移動標簽的實際位置?？紤]到建筑物的阻隔，每個定位基站間的距離可控制在20～50 m的范圍內。

2) 室內定位:在每個房間安裝一個定位基站，并以房間為室內定位的最小識別單位，樓層內根據(jù)情況設置若干基站。當有移動標簽進出房間時，基站便會收集移動標簽的信息并上傳至中心，中心即可得知該移動標簽處于哪個房間。當移動標簽發(fā)出報警求助信息時，報警信息也會通過基站所組成的無線網(wǎng)絡傳輸?shù)阶泳W(wǎng)網(wǎng)關，并由網(wǎng)關傳送至系統(tǒng)中心。

4.4 核心設備

1) 定位基站：基站核心為自主研發(fā)的的集成模塊ZF-1012，系統(tǒng)結構和外觀如圖4所示。主要參數(shù)：

工作電壓：交流220 V；

工作電流：160 mA；

工作頻率：2.4 GHz；

通信距離：無線通信距離1200 m(空曠環(huán)境)；

通信速率：125 kbps.

圖4 定位基站系統(tǒng)結構和外觀圖

2) 移動標簽(胸卡和腕表)：核心為自主研發(fā)的集成模塊ZF-1011，設備外觀如圖5所示。主要參數(shù)：

通信距離：0～100 m(無遮擋)；

工作電壓：3.0 VDC；

工作電流：≤130 mA；工作頻率：2.4 GHz；

電池使用壽命：6-12個月.

圖5 移動標簽(胸卡和腕表)外觀圖

5 結束語

我們根據(jù)預設的技術路線設計和研發(fā)了設備，開發(fā)了系統(tǒng)軟件，實踐證明完全達到了預期技術和功能目標，定位精度在3 m以內。現(xiàn)在已成功商用，典型案例如北京恭和苑老年公寓，泰康之家國際養(yǎng)老社區(qū)，大連開發(fā)區(qū)社會福利院等等，受到用戶的高度認可和好評，大大提高了老年公寓的服務品質，降低了管理服務人員的勞動強度。