基于ZigBee養老院室內外定位系統的實現

宋新剛

摘 要：針對養老機構因場地較大且環境復雜，老人發生緊急情況時工作人員無法及時定位、救助的問題，基于ZigBee技術設計并實現了一套室內外人員定位報警系統。文中描述了該系統的總體框架、硬件設備的概念及相應配套軟件的基本功能。實踐表明，該系統能夠滿足養老院對于人員定位可靠性和實時性的需求，具有良好的商用價值。

關鍵詞：人員定位；ZigBee；養老；報警系統

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

我國已逐步進入老齡社會，各地開始對養老福利模式進行積極探索，居家養老服務應運而生。居家養老[1]以家庭為核心、以社區為依托、以專業化服務為依靠，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容的社會化服務。但因社區差異、服務人員缺乏等原因，居家養老難以滿足老人的實際要求。新型的居家式養老結合養老院專業的管理和居家養老的諸多優點，不同于原來的格子間、單人房，取而代之的是兩室一廳，配備書房、廚房等房間，獨門獨戶，采用單元樓的格局以消除老人對傳統概念上養老院不舒適的顧慮，受到大眾的廣泛關注。然而空間的獨立又給管理、看護帶來了不便。在此需求的基礎上，老人的實時位置、緊急事件的報警及處理等問題亟待解決。

目前定位老年人最直接的方法就是利用圖像監控設備進行遠程監控，但這種方式侵犯了老年人的個人隱私，而且信息采集被動，不便于實際使用。在這種情況下，各種無線定位報警系統正好符合需求而被研究機構大力開發。ZigBee無線通訊借助其組網靈活、超低功耗、低成本等優勢被首選為定位實現方案。由于室內外空間環境的差異，這些設計方案多采用雙系統結合的方式來滿足功能需求，如RFID+ZigBee方案[2]、GPS+ZigBee方案[3]等。雙系統必然會帶來設計復雜度增大和成本的增長，且終端產品的功耗也會成為難以逾越的障礙。考慮以上方案并結合實際需求，我們設計了基于ZigBee無線通訊的室內外區域定位系統，并將該系統應用于上海金山區一所高端養老院中。

1 定位系統概述

定位系統前端主要由定位硬件設備和定位軟件兩大部分組成。

1.1 定位系統硬件設備

定位系統的硬件設備包括定位標簽設備、位置參考節點、中心節點和定位網絡設備。系統框架如圖1所示，菱形表示定位標簽設備，圓點表示網絡的位置參考節點，中間的圓點表示網絡的中心節點。線條為標準網線，通過（多層）交換機連接到監控后臺。

1.1.1 中心節點

中心節點用來建立區域子網絡，并以它為橋梁連接后臺服務器，與服務器之間實現有線通訊，一個ZigBee子網絡中只允許有一個中心節點。中心節點設備如圖2所示，本系統具有如下功能：

（1）建立區域無線網絡，無線連接位置參考節點和定位標簽設備，并實現相互間的數據通訊；

（2）通過標準網線將標簽定位信息傳輸到后臺服務器；

（3）將局域網內各設備信息上報到后臺服務器，以便管理及維護。

1.1.2 位置參考節點

參考節點是一個固定位置的坐標點，其為標簽提供了一個參考位置，且這個節點必須正確設置在定位區域中。其具有如下功能：

（1）直接通電便可使用，無需接網線；

（2）自動無線同中心節點、定位標簽設備組網，并具有一定的自身維護功能；

（3）反饋自身到定位標簽的距離信息；

（4）定時上報自身信息給中心節點（中心節點和位置參考節點硬件設計及外觀基本一致，主要區別在于是否支持網線通訊），并通過網絡傳輸到后臺服務器。

1.1.3 定位標簽

定位標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、報警按鍵和一卡通功能于一身，配備可充電電池，定位標簽設備如圖3所示，定位標簽設備實物圖如圖4所示。該定位標簽具有如下功能：

（1）實時上報位置信息給中心節點，并通過網絡傳輸到后臺服務器；

（2）具有SOS一鍵報警功能 ；

（3）自帶鋰電池，可反復充電；

（4）可通過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月；

（6）具有電池低電量自動告警功能；

（7）通過LED顯示指示充電及工作狀態；

（8）預留空間，可選配整合養老院園區一卡通芯片。

1.2 定位系統軟件實現

1.2.1 定位基本原理

基于ZigBee協議棧的三種網絡設備為中心節點、位置參考節點和定位標簽。

（1）中心節點是網絡的發起者和組織者；

（2）參考節點負責網絡內信息幀的路由并提供定位點的參考坐標；

（3）終端標簽則是需要定位的移動個體。

該網絡設備的定位原理是首先由標簽發起無線廣播（見圖4中箭頭1），然后被參考節點接收并根據信號強度轉換為距離信息。該距離信息隨后附加參考節點的ID信息反饋到標簽（見圖4中箭頭2）。在周期時間內，標簽對比接收到的各參考節點的距離信息，進行排序后將距離最近的前三個參考節點信息發到中心節點（見圖4中箭頭3）。中心節點匯總所有標簽的信息并傳遞到后臺服務器上，根據參考節點的坐標和到標簽的距離在2D位置圖中標記出位置。定位原理圖如圖5所示。

1.2.2 定位算法優化

根據已有研究的結論，基于最小二乘法估計的多邊測量定位法，在已知某個移動點到3個已知位置的固定參考節點的距離后，就可通過求3個已知半徑和圓心坐標的圓的交點來確定該移動點的坐標[4]。但在實際使用中發現，由于室內結構復雜，并且不同的裝修情況也會使獲取的RSSI值產生較大的影響，從而導致后臺計算得到的位置和實際位置偏差較大。經過分析需求并征得養老院院方同意后，將定位算法做了簡化，具體分為以下幾種情況：

（1）當后臺服務器收到的定位數據至少有3條且每條定位數值都在閾值內時，則采用多邊測量法進行定位位置計算。

（2）當后臺服務器收到的定位數據至少有3條，但定位數值都在閾值之內的少于3條時，則采用簡化算法，根據上報的距離值比例，對應在2個參考點連線上計算出大致位置。

（3）當后臺服務器收到的定位數據少于3條，甚至可能只有1條時，就將標簽顯示在該位置參考點上，并在后臺特別顯示為區域定位。

通過以上方式將算法對象做了細化區分，提高了定位位置的準確率，在一定程度上減弱了信號反射和干擾衰減導致的定位誤差。

1.3 室內定位系統軟件拓展

在實地測試中發現有一些房間格局特殊，墻面裝修瓷磚對信號具有非常強烈的屏蔽作用，導致進入房間后外部定位設備信號無法穿透。因此在這些區域里布置定位點時，如果還采用中心節點加位置參考點方式，不僅會形成設備的高冗余，還對成本有較大影響。因此提出了“定位中心節點”的概念：通過軟件的優化，將中心節點和位置參考節點功能整合為一體，采用區域定位的方法實現了對特殊房間的定位。該設備硬件是基于中心節點設備的，包含位置參考節點反饋位置信息的功能，同時還可以通過有線網絡將這些信息傳遞到后臺服務器。這樣就在未增加硬件成本的前提下解決了此難題。

1.4 室外定位系統軟件拓展

室外環境條件較室內復雜了很多，不但要考慮安放位置，還要求對雨水、雷電等惡劣氣候環境進行防范。ID工程師在硬件工程師的建議下，將絕緣防護罩與無源導電體相結合，設計出類似路燈的定位桿，然后將定位設備安裝在定位桿內。實踐證明該方法既達到了客戶美觀的需求又能滿足室外環境的要求。

室外和室內安裝條件迥異，無法采用中心節點配合參考節點的方式。在考察實地環境后，并同客戶討論征得同意，制定了區域定位的方案，即將室外樓宇之間的空地做區域劃分，將“室內定位中心節點”概念拓展，設計出“室外定位中心節點”的概念。該設備硬件同樣基于中心節點設備，包含位置參考節點以反饋位置信息，同時還可以通過有線網絡將這些信息傳遞到后臺服務器。此概念將施工難題和定位需求之間的矛盾沖突巧妙的進行了折中處理，實際使用效果也令客戶滿意。室外定位設備效果見圖6所示（圓圈部分）。

1.5 室內外設備定位干擾

在系統運行初期，從后臺監控上看到某個定位標簽顯示在室外，但會突然跳躍到樓內二層的某個房間中，之后很快又顯示室外區域。而另一種情況是人員帶著定位標簽在室內陽臺上時，也會產生類似定位到室外的跳變。經過分析這些情況是由于無線信號受到干擾在不穩定狀態或者在無線信號臨界切換區域中使定位標簽組網處在不合適的位置導致的，雖然只有短時的改變，但在后臺顯示上就會形成較差的用戶體驗。

為此，基于現有系統，在后臺服務器流程處理中將所有參與位置定位的設備節點包括位置參考節點、室內定位中心節點、室外定位中心節點都添加了設備屬性的概念，包括室內、室外、跳轉屬性。然后做出如下規定：

（1）將樓宇內的設備節點都標記為室內屬性。

（2）剛進入樓門，在門廳的設備節點處則增加跳轉屬性。

（3）室外的定位設備節點都標記為室外屬性。

（4）正對或者靠近樓門口的設備節點則增加跳轉屬性。

（5）允許跳轉屬性到跳轉屬性設備節點之間的位置變化。

（6）允許室內屬性設備之間、室外屬性設備之間的位置變化。

（7）定位設備之間若不包含相同的屬性就不允許跳轉，仍保持原有定位位置。

（8）在特殊情況下，如果（7）中的情況保持超過規定時間（分鐘級別值），則按照實際上報位置顯示。

通過上述規定，在后臺顯示處理過程中將位置跳變情況進行了有效控制，用戶體驗也達到了客戶的要求。

2 結 語

本系統在ZigBee組網協議的基礎上，對養老機構定位需求進行分析，設計了室內外區域定位系統并成功應用到實際項目中，實現了其商用價值。通過半年多的運行和維護，該系統已經得到了實踐驗證。除了日常的定位作用外，也處理了多次老人緊急事件，使得工作人員在報警后約5分鐘就到達老人身邊，及時對其進行救助或送醫，得到了老人和院方的認可。該系統一方面提高了工作人員的效率，另一方面也樹立了養老院安全有保障的形象。

在后續項目中，還可以對于人員定位標簽設備做進一步改進，如將其設計成腕表，將有線充電方式改為無線充電方式等，以滿足不同用戶的需求。系統中還可以擴展連接多種無線傳感器，如煙霧、漏水、漏氣、門磁、紅外等，其應用范圍也會更加寬廣。

參考文獻

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