基于室內定位技術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，為了提高居家養老監護系統對危險事件的防范能力，本文一方面可視化老人在室內的運動軌跡，實時追蹤老人在室內的位置;另一方面在危險多發位置進行智能的提醒，從而減少危險事件的發生。實驗證明，基于藍牙的室內定位技術能夠準確地定位老人在室內的位置，實現在無人監護的情況下，能夠合理、實時地對老人進行安全提醒，從而減少危險事件的發生。

關鍵詞：室內定位;低功耗藍牙;云平臺;運動軌跡;安全提醒

中圖分類號：TP39 ? ? 文獻標識碼：A

1 ? 引言（Introduction）

隨著我國人口老齡化程度的加劇，養老問題成為社會關注的熱點。目前，居家養老成為目前大多數老人偏愛的一種養老方式，但是隨著老人身體機能的下降，記憶力隨之也出現減退，經常出現忘記關水、煤氣甚至重復吃藥等情況。居家養老的關鍵問題是如何保證老人的安全，監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，防止危險事件發生，或者是在危險發生后，能夠第一時間了解情況，并進行及時的處理，因此輔助監護系統已成為當前研究的熱點。

在居家環境下，危險事件的發生一般與室內位置有一定的關系，如摔倒經常發生在衛生間，而忘記關閉煤氣則發生在廚房，如果能在事件多發的區域給予老人合理的安全提醒，就可以減少危險事件的發生。準確的室內定位是非常重要的，目前室內定位主流的技術主要包括RFID（Radio Frequency Identification）、無線Wi-Fi、BLE（Bluetooth Low Energy）、ZigBee、圖像處理等技術，鑒于對使用者隱私的保護，近年來基于低功耗藍牙的室內定位得到了廣泛的應用。智能手機已經進入了大眾的生活，其內置了無線WIFI、藍牙、加速度等傳感器，因此智能手機成為智能監護系統的主流設備。

鑒于以上原因，融合室內定位技術，開發設計一套基于智能手機的智能監護系統，該系統一方面對老人的運動軌跡進行可視化;另一方面在關鍵位置點，如廚房、衛生間、藥箱等位置，實時向老人發出安全提醒，從而減少危險事件的發生。

2 ? 相關工作（Related work）

2.1 ? 系統結構

智能監護系統一方面為被照顧者提供智能的居家服務，另一方面為監護者搭建實時獲知老人在家生活狀況的平臺。本系統主要包括室內定位、智能決策、綜合應用三個模塊，如圖1所示。室內定位模塊是本系統的核心模塊，其性能直接決定著整個系統的準確性與合理性，首先通過智能手機采集來自Beacon的數據，并上傳到云端服務器，然后在服務器端進行濾波處理，并將數據送入定位模型，從而得到定位結果。當手機處于或者接近Beacon的臨近范圍，將會自動觸發異步事件的發生，進而由智能決策模塊依據環境信息，進行綜合決策，智能化的開啟安全提醒、運動軌跡可視化等綜合性的服務。

綜合應用主要包括兩個手機APP，其中一個主要應用于被照顧者，依據老人在室內的位置，實時進行合理、智能的安全提醒;另一個則是為監護人設計開發的，用于遠程獲取老人在家的運動軌跡、室內、室外位置等信息。

本系統提供室內、室外定位的無縫對接，當系統監測到老人離開家、外出時，自主完成從室內定位到室外定位的切換。室內定位是基于BLE技術開發的，主要依據RSSI（（Received Signal Strength Indication））值來完成定位[1，2];而在室外，由于沒有了室內環境的影響，GPS（Global Positioning System）信號相對穩定，又由于GPS是一種準確并且廣泛應用于室外的定位技術[3]，因此室外定位是基于GPS技術設計的。

2.2 ? 定位設備部署

考慮到室內定位設備的功耗性，本系統選自Estimote公司的Beacon設備，在室內關鍵位置（廚房、衛生間、臥室、客廳、藥箱、門廳）的天花板上安裝Proximity Beacon設備。為了減少藍牙信號之間的相互干擾，適當調整Beacon之間的直線距離Dij，使得Dij?[2米，3米]，將居家生活環境分為7個可監控的獨立區域，記為Pi?{廚房，衛生間，臥室1，臥室2，客廳，藥箱，門廳}。

在云平臺配置Proximity Beacon的相關參數，一方面設置廣播功率（Broadcasting Power）為-4dBm、廣播包時間間隔為200毫秒;另一方面配置Beacon的標簽（Tags）、附加信息（attachment）[4]，如表1所示。依據室內的物理布局，設置各個Beacon的標簽選項，建立Beacon與室內位置的對應關系，由于“衛生間”與“客廳”之間有藍牙信號的重疊的區域，因此安裝在“衛生間”的Beacon有兩個標簽，分別為“bathroom”和“hallway”;“客廳”與“門廳”相連，而且“藥箱”也位于客廳內，因此“客廳”內的Beacon有“livingroom”“hallway”“medicine-chest”三個標簽。

為了實現在室內關鍵位置點，向老人發送合理的安全提醒，在Beacon的附加信息中增加“remind”選項，并設置相應的安全提醒信息[5，6]。實時監聽Beacon的enter/exit事件，用于獲取老人在室內的位置，當檢測到老人進入衛生間時，提醒老人“小心滑到”;而當老人多次出現在藥箱附件，智能決策模塊可以依據環境信息提醒老人“已經吃過藥”或者“吃藥時間未到”。

3 ? 智能服務模型（Intelligent service model）

室內定位功能是基本藍牙技術開發設計的，需要使用者攜帶智能手機，要求手機開啟藍牙功能，用于接收來自Beacon的藍牙廣播包;另外手機還需要開啟網絡通訊功能，用于從云端服務器獲取信息，或者將信息發送給服務器并進行存儲。

由于RSSI值與距離之間存在一定的衰減規律，Beacon的發射半徑在0—12m時，RSSI具有線性的衰減關系。當使用者進入某一區域時，RSSI的值在某一特定區間，隨之onEnter事件被觸發;離開某一區域時，觸發onExit發生;而當使用者在某一區域內活動，但是沒有離開該區域時onContextChange事件會被觸發，對以上三個事件進行實時監控，就可以得到使用者在室內的位置。當以上事件被觸發時，一方面獲取系統時間、手機SIM卡的卡號，本系統主要應用SIM卡的卡號區別不用的使用者;另一方面依據當前的位置切換相應的虛擬地圖，對老人在室內的位置進行可視化[7，8];最后將當前位置信息上傳到服務器，便于后期對老人生活狀態進行分析。智能服務算法描述如下：

鑒于監護人對老人身體狀況、生活習慣有一定的了解，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域Beacon的附加信息。當老人進入某一區域，從云平臺獲取該Beacon的附加信息（attachment），讀取“remind”選項的值，并以語音的方式進行安全提醒。

4 ? 實驗結果（Experiment）

本系統的實驗環境是一個二居室的居家環境，收集志愿者在室內生活的數據，主要是指RSSI數據，數據格式為{時間，Beacon設備編號，RSSI值}。收集30分鐘的實驗數據，并從云平臺獲取老人在室內的位置，室內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。

監護人可以遠程監護老人在室內的位置，以及在房間內停留的時間，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 ? 結論（Conclusion）

基于室內定位技術，本系統一方面對老人在室內的位置進行可視化，另一方面對老人進行智能的安全提醒，提示潛在的危險，從而減少了危險事件的發生，在不侵犯個人隱私的情況下，搭建一套可視化的智能監護平臺。由于本系統的安全提醒信息庫是靜態的，因此安全提醒相對單一化、固定化、模式化，今后將進一步增加對安全事件的智能分析，構建動態的安全提醒信息庫，進一步提高空巢老人的生活質量。

參考文獻（References）

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[6] 陳誠，吳華瑞.個性化多媒體農業信息推送系統[J].江蘇農業科學，2014（9）：395-399.

[7] 馬嘯天.基于室內定位技術的超市智能導購系統的設計與實現[D].山東建筑大學，2019：26-30.

[8] 秦坤.WIFI室內定位數據的可視化系統[D].中國礦業大學，2019：30-38.

作者簡介：

蘇春芳（1979-），女，碩士，講師.研究領域：物聯網，人工智能.

尤彩萍（1975-），女，本科，副教授.研究領域：軟件技術.

鄭 ?偉（1976-），女，本科，副教授.研究領域：多媒體方向.