龔江濤 劉紅梅 周 玲

（湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南 株洲 412001）

1 引言

據(jù)估算，目前我國約有嚴重精神疾病患者1600萬人。因為看護不周而造成的走失、自殺、殺人傷人現(xiàn)象呈逐年增加之勢，精神疾病總負擔已躍居各類疾病之首。因此，解決精神病人的看護監(jiān)管問題日益突出[1]。然而對于國內(nèi)醫(yī)院，精神病人的定位管理是一個普遍的難題，相關解決方案很少。

GPS是目前應用最為廣泛的定位技術，但是對于室內(nèi)近距離定位，GPS的精度遠遠達不到要求。ZigBee技術作為一種低成本、低功耗、低速的短距離雙向無線通信技術，廣泛應用于智能家居、智能樓宇等各種物聯(lián)網(wǎng)領域[2]。本系統(tǒng)采用RSSI定位引擎,通過ZigBee無線網(wǎng)絡實現(xiàn)醫(yī)院精神病人定位，定位精度遠遠高于GPS，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)病人的精準定位及管理。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由ZigBee移動節(jié)點、固定節(jié)點、協(xié)調(diào)節(jié)點、上位機及系統(tǒng)軟件組成，其結(jié)構(gòu)組如圖1所示。

固定節(jié)點可以安裝在醫(yī)院每層樓和每層樓的出口以及住院大樓門口等關鍵位置，其作用是位置數(shù)據(jù)雙向傳輸及ZigBee無線信號覆蓋。一個定位區(qū)域至少有3個固定節(jié)點才能進行定位。

移動節(jié)點設備被佩戴在每個被監(jiān)控病人的身上，其內(nèi)部被寫入了病人相關信息，相當于一個帶身份識別功能的定位器。當被監(jiān)控病人在醫(yī)院中移動時，移動節(jié)點內(nèi)置的定位引擎啟動，通過探查與各個固定節(jié)點之間的信號強弱來進行位置計算。實時將病人信息及位置等數(shù)據(jù)上傳至具有網(wǎng)關作用的協(xié)調(diào)節(jié)點。

協(xié)調(diào)節(jié)點是系統(tǒng)中至關重要的組成部分，實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡與上位機的互聯(lián)，它將收集到的所有病人信息及位置數(shù)據(jù)通過有線以太網(wǎng)傳至上位機。

上位機及系統(tǒng)軟件通過24小時不間斷、實時地獲取病人位置信息，在醫(yī)院的電子地圖上描繪出病人的日?；顒榆壽E，從而幫助管理人員更加方便地監(jiān)控病人的行蹤。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設計

固定節(jié)點的電路框圖如圖2所示，采用的主芯片是TI公司的CC2430。這是一個專用于IEEE 802.15.4和ZigBee通信協(xié)議的片上系統(tǒng)解決方案，其RF內(nèi)核采用了工業(yè)領先的射頻通信芯片CC2420，在單芯片上集成了CPU、存儲器、RF射頻單元及常用片內(nèi)外設等電路單元。

在實際使用時，考慮到可能停電的問題，一般采用外接電源與內(nèi)置3Ah鋰電池相結(jié)合的供電方式，保證在外接電源中斷的情況下，可繼續(xù)工作12小時以上。

固定節(jié)點的安裝應根據(jù)醫(yī)院現(xiàn)場的實際情況，事先規(guī)劃好信號覆蓋區(qū)域，然后將固定節(jié)點安裝在需要無線信號覆蓋的區(qū)域，同時固定節(jié)點之間能夠通過多跳，級聯(lián)成無線自組織網(wǎng)絡，實現(xiàn)與網(wǎng)關節(jié)點通信距離最遠達到1000米。

圖2 固定節(jié)點電路框圖

移動節(jié)點電路框圖如圖3所示，采用CC2431作為主芯片。相比CC2430，CC2431的結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別在于其內(nèi)置了一個基于接收信號強度指示(RSSI)的定位引擎。該定位引擎可根據(jù)接收信號強度及已知固定節(jié)點位置，準確計算出待移動節(jié)點的位置，然后將位置信息發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點。與集中型定位系統(tǒng)相比，進行分布節(jié)點定位，以減少網(wǎng)絡通信量和網(wǎng)絡通信延遲。

在實際應用當中，移動節(jié)點可制成腕帶標簽或胸卡標簽等，并可防止暴力拆卸。為了便于攜帶，一般考慮采用大容量的紐扣電池供電，避免頻繁更換電池。電池容量低時，可主動上報低壓信息，通知管理人員及時更換電池。若移動節(jié)點長時間沒有移動位置，發(fā)送報警信號，提醒管理人員注意，排除病人出現(xiàn)意外的情況。

圖3 移動節(jié)點電路框圖

協(xié)調(diào)節(jié)點是定位系統(tǒng)的網(wǎng)關，是系統(tǒng)的核心節(jié)點，用于組建ZigBee無線定位網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)，并通過以太網(wǎng)實現(xiàn)無線網(wǎng)絡與上位機的雙向通信。下行接收由上位機發(fā)來的給各個固定及移動節(jié)點的配置數(shù)據(jù)，并采用不同的方式轉(zhuǎn)發(fā)給相應的節(jié)點；上行接收各個節(jié)點發(fā)來的反饋數(shù)據(jù)，判斷其有效性后再上傳至上位機。協(xié)調(diào)節(jié)點的核心模塊為CC2430芯片，通過SPI接口與以太網(wǎng)控制器芯片ENC28實現(xiàn)通信，完成以太網(wǎng)通信功能，電路框圖如圖4所示：

圖4 協(xié)調(diào)節(jié)點電路框圖

4 算法設計

本系統(tǒng)中的移動節(jié)點CC2431內(nèi)置了基于RSSI技術的定位引擎，屬于硬件定位，速度更快。移動節(jié)點接收信號強度RSSI理論值可由公式RSSI=-(10nlgd+A)得到，其中d代表距發(fā)射器間的距離，A代表距離發(fā)送端1米時接收到的信號強度，n為信號傳播常量，也稱傳播指數(shù)。由公式可知無線信號的衰減與收發(fā)端的距離近似成對數(shù)衰減關系，因此利用此關系可以實現(xiàn)距離測算[3]。

因此定位算法相應地采用測距算法中的三邊測量法。該算法是一種基本的計算坐標方法，只需要三個已知固定節(jié)點就可實現(xiàn)定位，簡單高效。基本原理如下：若A，B，C三個節(jié)點為固定節(jié)點，其坐標分別為（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），與移動節(jié)點D的距離分別為Da，Db，Dc，假設D點坐標為（X，Y），如圖5所示。

圖5 三邊測量法示意圖

那么通過下面方程組：

解方程組可以得到D點坐標為[4]：

系統(tǒng)的定位過程為:首先將至少3個固定節(jié)點分布在整個監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，使其通信范圍能涵蓋整個病區(qū)。在聯(lián)入Zig-Bee無線網(wǎng)絡后，上位機軟件通過協(xié)調(diào)節(jié)點為其分配相應的坐標。區(qū)域內(nèi)的移動節(jié)點根據(jù)接收到的固定節(jié)點傳輸信號的RSSI值算出與固定節(jié)點之間的距離，再通過三邊測量法計算出自己的位置坐標，并將位置坐標通過協(xié)調(diào)節(jié)點上傳到上位機。最后上位機通過系統(tǒng)軟件對位置坐標數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)定位管理。

5 上位機軟件設計

通過對病人定位管理的需求分析，可將上位機軟件分為三大功能模塊：定位模塊、管理模塊和告警模塊。

(1)定位模塊

行程監(jiān)控：通過一系列的定位數(shù)據(jù)形成病人的日常活動軌跡，并能根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)記錄分析某段時間內(nèi)某個病人的活動情況。

區(qū)域人數(shù)監(jiān)控：實時顯示各監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的病人數(shù)量。

重點區(qū)域監(jiān)控：對圍墻、大樓出口等重點區(qū)域進行監(jiān)控，防止病人走失、出逃。

(2)管理模塊

人員出入授權管理：對所有人員的區(qū)域出入進行授權或者更改權限等操作。

歷史信息記錄：對定位信息進行記錄、保存，可回放任意時段的精神病人定位信息。

(3)告警模塊

非法出入告警：病人非正常出入大門或進出非授權的區(qū)域時報警。

設備異常告警：當移動標識卡出現(xiàn)電池低壓、信號采集故障和標識卡失效等情況時，報警通知值班人員采取維修更換等處理。

6 結(jié)論

本文主要研究了基于ZigBee無線網(wǎng)絡的醫(yī)院精神病人定位管理系統(tǒng)的設計及其在醫(yī)院的具體應用實現(xiàn)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對病人的實時定位和管理，對醫(yī)院精神病人的安全管理和信息化有著重大意義，具有良好的實用價值和社會效益。

系統(tǒng)除了具有低成本、低功耗等優(yōu)勢，同時還有實時性強、定位精度高、監(jiān)控范圍廣等特點。本系統(tǒng)不僅可以應用于精神病人的管理，還可以推廣到如醫(yī)院新生兒管理、養(yǎng)老院老人管理和監(jiān)獄犯人管理等其他應用領域。

[1]李紅梅．給精神病患者一個歸宿[N]．人民日報，2013-8-2．

[2]胡宏澤．基于ZigBee網(wǎng)絡的移動節(jié)點RF I D定位技術的研究與實現(xiàn)[D]．南京：南京航空航天大學，2015．

[3]趙莉，李亞，陳國紹．基于ZigBee的RS S I測距模型[J]．兵工自動化，2014(12)：52-55．

[4]由曉鵬，陳天偉．基于三邊測量原理的用戶定位方法研究[J]．移動通信，2016，40(22)：41-44．