基于ZigBee的精神病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

焦忭忭 侯順超 種靈子

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee技術(shù)的精神病人實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)系統(tǒng)硬件方面的參考節(jié)點(diǎn)（CC2530）和定位節(jié)點(diǎn)（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(jì)算后將實(shí)時(shí)定位信息傳到上位機(jī)的監(jiān)控軟件上，實(shí)現(xiàn)對(duì)精神病醫(yī)院中病人的追蹤定位和活動(dòng)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(shí)時(shí)定位系統(tǒng)；ZigBee技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(huì)生活節(jié)奏的加快和競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，使得人們的心理負(fù)荷不斷增加，心理問(wèn)題、精神疾患儼然成為一個(gè)日益突出的社會(huì)問(wèn)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(guó)精神病醫(yī)院對(duì)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(lái)管理病人，如何利用信息化手段加強(qiáng)對(duì)精神病人的服務(wù)和管理，如何自動(dòng)識(shí)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(xiàng)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(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[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(wú)線接入技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接，可以嵌入各種設(shè)備中，適用于室內(nèi)定位。在國(guó)外，無(wú)線通信技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的跟蹤治療、移動(dòng)觀察、個(gè)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(jì)

本系統(tǒng)是基于ZigBee的精神病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)硬件方面的參考節(jié)點(diǎn)（CC2530）[3]和佩戴精神病人手腕上的腕帶（定位節(jié)點(diǎn)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(jì)算，并將實(shí)時(shí)定位信息傳到上位機(jī)。上位機(jī)軟件部分通過(guò)處理位置信息使用電子地圖來(lái)描繪出病人的活動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)病人的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，并具有歷史路線信息回放功能、越界報(bào)警及禁區(qū)闖入報(bào)警等功能。除定位功能外，該系統(tǒng)還可對(duì)病人信息進(jìn)行管理。在該系統(tǒng)中軟件部分的重點(diǎn)為ZigBee的定位功能的實(shí)現(xiàn)，軟硬件之間通過(guò)端口，以及運(yùn)行平臺(tái)的配置、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的定位。

根據(jù)該系統(tǒng)的需求，結(jié)合ZigBee無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，將精神病人定位系統(tǒng)劃分為四個(gè)結(jié)構(gòu)層次，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)

系統(tǒng)采用TI公司開發(fā)的CC2531和CC2530芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)ZigBee通信及跟蹤定位功能，其定位精度小于3m，定位時(shí)間小于40μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GPS的定位精度，可以對(duì)監(jiān)護(hù)范圍內(nèi)的病人實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的工作調(diào)度。（2）參考節(jié)點(diǎn)（Reference node）：參考節(jié)點(diǎn)固定安裝在需要無(wú)線信號(hào)覆蓋的區(qū)域，采集定位節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，集中上傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，芯片為CC2530模塊。（3）定位節(jié)點(diǎn)（Blind node盲節(jié)點(diǎn)）：可在參考節(jié)點(diǎn)包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動(dòng)，定位節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值后，經(jīng)過(guò)定位算法來(lái)計(jì)算其坐標(biāo)位置。定為節(jié)點(diǎn)必須由CC2531芯片實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)中的定位節(jié)點(diǎn)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(diǎn)：網(wǎng)關(guān)的作用是用來(lái)組建一個(gè)ZigBee WSN網(wǎng)絡(luò)并充當(dāng)協(xié)調(diào)器，并通過(guò)它為橋梁連接計(jì)算機(jī)，與計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通訊，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個(gè)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)用一個(gè)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(shí)現(xiàn)組建無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)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(gè)參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，另一方面還接收每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)

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(bào)警模塊、管理模塊。

3 無(wú)線定位算法設(shè)計(jì)（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(wú)線定位算法基于RSSI技術(shù)，定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)組成。系統(tǒng)以RSSI（信號(hào)接收強(qiáng)度）[4]的測(cè)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(hào)強(qiáng)度絕對(duì)值。n為衰減因子，代表信號(hào)傳播常量，通常取值范圍在2.2—4。分別測(cè)出不同距離兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(cè)得的RSSI求得參考節(jié)點(diǎn)與待定位節(jié)點(diǎn)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(duì)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(shí)現(xiàn)（System implementation）

首先，在每個(gè)樓層和每個(gè)樓層的出口以及大樓門口等合適位置布置若干個(gè)低功耗ZigBee參考節(jié)點(diǎn)（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(diǎn)。網(wǎng)關(guān)與參考節(jié)點(diǎn)的區(qū)別是增加了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊。

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

在監(jiān)控終端PC的數(shù)據(jù)庫(kù)中，預(yù)先記錄了每個(gè)32位短地址對(duì)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(dòng)時(shí)，定位器定時(shí)啟動(dòng)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(diǎn)位置等信息傳至具有網(wǎng)關(guān)作用的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，再由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線以太網(wǎng)傳至監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)庫(kù)中，最終實(shí)現(xiàn)人員定位的功能。同時(shí)，通過(guò)不間斷、定時(shí)的獲取病人位置信息，用電子地圖來(lái)描繪出病人的活動(dòng)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(lái)完成。

在測(cè)試定位系統(tǒng)的過(guò)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(gè)定位上位機(jī)監(jiān)控軟件，通過(guò)這個(gè)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(diǎn)顯示圖如圖7所示。

5 結(jié)論（Conclusion）

本定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位需求，系統(tǒng)因其低成本，較低功耗等特點(diǎn)，而具有較高的實(shí)用價(jià)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(shí)現(xiàn)APP實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，讓病人的家屬和醫(yī)生通過(guò)手機(jī)移動(dòng)終端實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低病人發(fā)生危險(xiǎn)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，30（1）：80-84.

作者簡(jiǎn)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(dòng)化控制.

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