王 穎

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

0 引言

中國已邁入老齡化社會(huì)，福利院以及老年公寓養(yǎng)老模式逐漸成為當(dāng)代養(yǎng)老的重要方式。社會(huì)對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的需求也隨之越來越大，不少老年公寓收費(fèi)高昂卻一床難求。與此同時(shí)，養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的服務(wù)品質(zhì)卻差強(qiáng)人意，缺乏有效的技術(shù)手段來高效、細(xì)致、準(zhǔn)確地看護(hù)老人，特別是實(shí)時(shí)跟蹤老人的行蹤，監(jiān)測(cè)老人的健康狀況，在老人發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)能夠第一時(shí)間定位老人位置，及時(shí)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(duì)每一位老人的24小時(shí)貼身看護(hù)，必須借助最新科技手段，打造智能看護(hù)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)老年公寓安全、健康、快樂的服務(wù)目標(biāo)。

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

1 老年公寓看護(hù)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(duì)講裝置，老人需要幫助時(shí)可以呼叫護(hù)士站求助，護(hù)士站也可以提醒或通知老人有關(guān)事宜，但并不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到老人的健康狀況。如果老人離開房間去其它地方活動(dòng)就完全處于失控狀態(tài)，一旦有意外發(fā)生，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)并找到出事地點(diǎn)。特別是現(xiàn)在老年公寓規(guī)模日益擴(kuò)大，公寓室內(nèi)、室外空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若有意外發(fā)生，很難及時(shí)找到老人，錯(cuò)過最佳施救時(shí)機(jī)。至于普通的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)，則完全依靠人力資源，救援效率就更低了。

通過大量的調(diào)查研究，我們認(rèn)為老年公寓對(duì)于智能看護(hù)系統(tǒng)的需求是迫切的，智能看護(hù)系統(tǒng)對(duì)于老年公寓而言是十分必要的基礎(chǔ)設(shè)施，其主要的功能需求如下：

1) 實(shí)時(shí)定位跟蹤：實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)老人的位置，記錄其行蹤，定位精度應(yīng)該在5 m以內(nèi)，室內(nèi)定位必須準(zhǔn)確區(qū)分樓層。

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

3) 電子圍欄和越界報(bào)警：可以根據(jù)老人的身體狀況設(shè)定每個(gè)人的活動(dòng)范圍，一旦越界自動(dòng)報(bào)警，老人隨身攜帶的胸卡或腕表同時(shí)發(fā)出警示聲響，提醒老人已越界。

4) 身體狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和意外自動(dòng)報(bào)警：對(duì)老人身體狀況的關(guān)鍵參數(shù)比如心跳、血壓等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并上傳監(jiān)控中心，一旦異常，在監(jiān)控平臺(tái)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，提示服務(wù)人員介入處理。

5) 雙向呼叫：監(jiān)控中心服務(wù)臺(tái)和老人通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以雙向呼叫和通話。

6) 一鍵報(bào)警和應(yīng)急預(yù)案自動(dòng)彈出：老人在發(fā)生身體不適或意外情況時(shí)可以按下腕表或胸卡上的緊急呼叫按鈕，求助信息會(huì)顯示在監(jiān)控平臺(tái)上，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)顯示老人的位置、健康狀況，主要疾病以及應(yīng)急處置措施，便于服務(wù)人員在第一時(shí)間提供準(zhǔn)確服務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題和技術(shù)路線選擇

根據(jù)上述需求分析，要想實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，其關(guān)鍵有兩點(diǎn)，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(shù)主要有藍(lán)牙、WiFi、RFID、GPRS/GSM/CDMA和ZigBee，就其可行性簡(jiǎn)要分析如下：

1) 藍(lán)牙：藍(lán)牙的通訊距離在10 m以內(nèi)，極限網(wǎng)絡(luò)容量只有7個(gè)，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(luò)容量32個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，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(jìn)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(jìn)行雙向語音通訊，因而也不適合老年公寓的應(yīng)用場(chǎng)景。

4) GPRS/GSM/CDMA：這是現(xiàn)在商用移動(dòng)通訊的實(shí)用技術(shù)，但是設(shè)備龐大，成本高昂，特別是不能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)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(shù)之一，使用免費(fèi)的工業(yè)、科學(xué)、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(diǎn)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(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月。

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

◆高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)(設(shè)備)管理若干子節(jié)點(diǎn)(設(shè)備)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。

◆高可靠性：ZigBee技術(shù)中，由于采用網(wǎng)狀網(wǎng)(mesh網(wǎng)絡(luò))拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自動(dòng)路由，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，直序擴(kuò)頻(DSSS)的方式，因而抗干擾性強(qiáng)，能夠很好適應(yīng)各種復(fù)雜狀況。

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

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

圖1 無線通訊技術(shù)特性對(duì)照表

3 定位原理

ZigBee采用 RSSI定位技術(shù)，RSSI(Received Signal Strength Indicator)是指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號(hào)強(qiáng)度大小。在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的定位中,已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度,接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗,利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離,再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。該技術(shù)硬件要求較低、算法相對(duì)簡(jiǎn)單,在實(shí)驗(yàn)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(shí)際應(yīng)用中往往還需要改進(jìn)。接收信號(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度RSSI理論值可由下面公式表示：

RSSI=-(10n·1gd+A)

其中，n代表信號(hào)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(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度。

信號(hào)的衰減與距離成對(duì)數(shù)衰減的關(guān)系。節(jié)點(diǎn)到信號(hào)源的距離越近,由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對(duì)距離誤差越小；而當(dāng)距離大于某一值時(shí),由RSSI波動(dòng)造成的絕對(duì)距離誤差將會(huì)很大。一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)可能收到n個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào),所以應(yīng)當(dāng)采用RSSI值大的前幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算，這樣可以避免定位誤差擴(kuò)大。

實(shí)用中在管理區(qū)域合理設(shè)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(luò)，對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)覆蓋；當(dāng)內(nèi)置ZigBee模塊的胸卡或腕表在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)標(biāo)簽和各定位基站間通信的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨它們之間的距離變化而改變，由于信號(hào)強(qiáng)度和距離間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且各定位基站的位置坐標(biāo)已知，在得知移動(dòng)標(biāo)簽與多個(gè)(≥3個(gè))定位基站間的信號(hào)強(qiáng)度后，即可計(jì)算出移動(dòng)報(bào)警器的位置。

圖2 定位原理示意圖

4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

典型的智能看護(hù)系統(tǒng)組成如圖3所示，主要包括四個(gè)部分：后臺(tái)管理系統(tǒng)，骨干通訊網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)無線定位網(wǎng)絡(luò)和核心設(shè)備。

圖3 系統(tǒng)組成示意圖

4.1 后臺(tái)管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)配置于老年公寓的管理中心，包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，大屏幕顯示系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、應(yīng)急預(yù)案管理系統(tǒng)和應(yīng)急救援系統(tǒng)等子系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合運(yùn)用在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化控制、地理信息系統(tǒng)(GIS)等先進(jìn)技術(shù)，建立起一個(gè)連接老年公寓覆蓋范圍所有老人和工作人員的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)、資源管理平臺(tái)與監(jiān)控平臺(tái)，用戶既可以在本地訪問服務(wù)器，也可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器。所有老人的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息(包括當(dāng)前位置和行動(dòng)軌跡)以及報(bào)警求助等信息都通過無線網(wǎng)絡(luò)匯聚到管理中心，管理中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)看老人的活動(dòng)位置以及身體狀態(tài)，并根據(jù)情況采取預(yù)防性的措施，一旦發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)或收到報(bào)警求助信息，管理服務(wù)人員能第一時(shí)間確定老人的狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)預(yù)存的老人身體健康信息和應(yīng)急救援預(yù)案，在第一時(shí)間精準(zhǔn)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(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)向管理中心發(fā)出求助報(bào)警信息。

4.2 骨干通訊網(wǎng)絡(luò)

由于整個(gè)社區(qū)的面積較大，一般分為室內(nèi)、室外兩個(gè)部分，如果單使用ZigBee組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)會(huì)非常大，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率也會(huì)比較低。針對(duì)這種情況，系統(tǒng)采用了ZigBee與以太網(wǎng)結(jié)合的方式，將每個(gè)樓層劃分一個(gè)ZigBee無線子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)的定位基站通過子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接到系統(tǒng)中心；整個(gè)室外的定位基站也獨(dú)立組成一個(gè)子網(wǎng)。這樣即保證了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，又充分體現(xiàn)了無線的靈活性。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)無線定位網(wǎng)絡(luò)

整個(gè)定位系統(tǒng)由胸卡或腕表(移動(dòng)標(biāo)簽)，定位基站(室外基站和室內(nèi)基站),網(wǎng)關(guān)基站(ZigBee-Ethernet網(wǎng)關(guān))組成[2]。

網(wǎng)關(guān)基站負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)絡(luò)以及后臺(tái)管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通，定位基站與移動(dòng)標(biāo)簽則組成了現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)和定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人員定位和信息交互。

1) 室外定位:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，以網(wǎng)格形式，在整個(gè)園區(qū)內(nèi)靈活的布置無線定位基站，各基站間會(huì)自動(dòng)聯(lián)通起來，并將采集的移動(dòng)標(biāo)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(xué)的定位算法計(jì)算出移動(dòng)目標(biāo)相對(duì)于定位基站的位置，進(jìn)而確定出移動(dòng)標(biāo)簽的實(shí)際位置?？紤]到建筑物的阻隔，每個(gè)定位基站間的距離可控制在20～50 m的范圍內(nèi)。

2) 室內(nèi)定位:在每個(gè)房間安裝一個(gè)定位基站，并以房間為室內(nèi)定位的最小識(shí)別單位，樓層內(nèi)根據(jù)情況設(shè)置若干基站。當(dāng)有移動(dòng)標(biāo)簽進(jìn)出房間時(shí)，基站便會(huì)收集移動(dòng)標(biāo)簽的信息并上傳至中心，中心即可得知該移動(dòng)標(biāo)簽處于哪個(gè)房間。當(dāng)移動(dòng)標(biāo)簽發(fā)出報(bào)警求助信息時(shí)，報(bào)警信息也會(huì)通過基站所組成的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阶泳W(wǎng)網(wǎng)關(guān)，并由網(wǎng)關(guān)傳送至系統(tǒng)中心。

4.4 核心設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和外觀圖

2) 移動(dòng)標(biāo)簽(胸卡和腕表)：核心為自主研發(fā)的集成模塊ZF-1011，設(shè)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(gè)月.

圖5 移動(dòng)標(biāo)簽(胸卡和腕表)外觀圖

5 結(jié)束語

我們根據(jù)預(yù)設(shè)的技術(shù)路線設(shè)計(jì)和研發(fā)了設(shè)備，開發(fā)了系統(tǒng)軟件，實(shí)踐證明完全達(dá)到了預(yù)期技術(shù)和功能目標(biāo)，定位精度在3 m以內(nèi)?，F(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(huì)福利院等等，受到用戶的高度認(rèn)可和好評(píng)，大大提高了老年公寓的服務(wù)品質(zhì)，降低了管理服務(wù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。