基于ZigBee养老院室内外定位系统的实现

宋新刚

摘 要：针对养老机构因场地较大且环境复杂，老人发生紧急情况时工作人员无法及时定位、救助的问题，基于ZigBee技术设计并实现了一套室内外人员定位报警系统。文中描述了该系统的总体框架、硬件设备的概念及相应配套软件的基本功能。实践表明，该系统能够满足养老院对于人员定位可靠性和实时性的需求，具有良好的商用价值。

关键词：人员定位；ZigBee；养老；报警系统

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

我国已逐步进入老龄社会，各地开始对养老福利模式进行积极探索，居家养老服务应运而生。居家养老[1]以家庭为核心、以社区为依托、以专业化服务为依靠，为居住在自家的老年人提供以解决日常生活困难为主要内容的社会化服务。但因社区差异、服务人员缺乏等原因，居家养老难以满足老人的实际要求。新型的居家式养老结合养老院专业的管理和居家养老的诸多优点，不同于原来的格子间、单人房，取而代之的是两室一厅，配备书房、厨房等房间，独门独户，采用单元楼的格局以消除老人对传统概念上养老院不舒适的顾虑，受到大众的广泛关注。然而空间的独立又给管理、看护带来了不便。在此需求的基础上，老人的实时位置、紧急事件的报警及处理等问题亟待解决。

目前定位老年人最直接的方法就是利用图像监控设备进行远程监控，但这种方式侵犯了老年人的个人隐私，而且信息采集被动，不便于实际使用。在这种情况下，各种无线定位报警系统正好符合需求而被研究机构大力开发。ZigBee无线通讯借助其组网灵活、超低功耗、低成本等优势被首选为定位实现方案。由于室内外空间环境的差异，这些设计方案多采用双系统结合的方式来满足功能需求，如RFID+ZigBee方案[2]、GPS+ZigBee方案[3]等。双系统必然会带来设计复杂度增大和成本的增长，且终端产品的功耗也会成为难以逾越的障碍。考虑以上方案并结合实际需求，我们设计了基于ZigBee无线通讯的室内外区域定位系统，并将该系统应用于上海金山区一所高端养老院中。

1 定位系统概述

定位系统前端主要由定位硬件设备和定位软件两大部分组成。

1.1 定位系统硬件设备

定位系统的硬件设备包括定位标签设备、位置参考节点、中心节点和定位网络设备。系统框架如图1所示，菱形表示定位标签设备，圆点表示网络的位置参考节点，中间的圆点表示网络的中心节点。线条为标准网线，通过（多层）交换机连接到监控后台。

1.1.1 中心节点

中心节点用来建立区域子网络，并以它为桥梁连接后台服务器，与服务器之间实现有线通讯，一个ZigBee子网络中只允许有一个中心节点。中心节点设备如图2所示，本系统具有如下功能：

（1）建立区域无线网络，无线连接位置参考节点和定位标签设备，并实现相互间的数据通讯；

（2）通过标准网线将标签定位信息传输到后台服务器；

（3）将局域网内各设备信息上报到后台服务器，以便管理及维护。

1.1.2 位置参考节点

参考节点是一个固定位置的坐标点，其为标签提供了一个参考位置，且这个节点必须正确设置在定位区域中。其具有如下功能：

（1）直接通电便可使用，无需接网线；

（2）自动无线同中心节点、定位标签设备组网，并具有一定的自身维护功能；

（3）反馈自身到定位标签的距离信息；

（4）定时上报自身信息给中心节点（中心节点和位置参考节点硬件设计及外观基本一致，主要区别在于是否支持网线通讯），并通过网络传输到后台服务器。

1.1.3 定位标签

定位标签佩戴在需要定位人员的身上，形如略厚的银行卡，集定位系统、报警按键和一卡通功能于一身，配备可充电电池，定位标签设备如图3所示，定位标签设备实物图如图4所示。该定位标签具有如下功能：

（1）实时上报位置信息给中心节点，并通过网络传输到后台服务器；

（2）具有SOS一键报警功能 ；

（3）自带锂电池，可反复充电；

（4）可通过特殊按键方式切换工作、休眠模式；

（5）超低功耗，充满电后使用周期约为一个月；

（6）具有电池低电量自动告警功能；

（7）通过LED显示指示充电及工作状态；

（8）预留空间，可选配整合养老院园区一卡通芯片。

1.2 定位系统软件实现

1.2.1 定位基本原理

基于ZigBee协议栈的三种网络设备为中心节点、位置参考节点和定位标签。

（1）中心节点是网络的发起者和组织者；

（2）参考节点负责网络内信息帧的路由并提供定位点的参考坐标；

（3）终端标签则是需要定位的移动个体。

该网络设备的定位原理是首先由标签发起无线广播（见图4中箭头1），然后被参考节点接收并根据信号强度转换为距离信息。该距离信息随后附加参考节点的ID信息反馈到标签（见图4中箭头2）。在周期时间内，标签对比接收到的各参考节点的距离信息，进行排序后将距离最近的前三个参考节点信息发到中心节点（见图4中箭头3）。中心节点汇总所有标签的信息并传递到后台服务器上，根据参考节点的坐标和到标签的距离在2D位置图中标记出位置。定位原理图如图5所示。

1.2.2 定位算法优化

根据已有研究的结论，基于最小二乘法估计的多边测量定位法，在已知某个移动点到3个已知位置的固定参考节点的距离后，就可通过求3个已知半径和圆心坐标的圆的交点来确定该移动点的坐标[4]。但在实际使用中发现，由于室内结构复杂，并且不同的装修情况也会使获取的RSSI值产生较大的影响，从而导致后台计算得到的位置和实际位置偏差较大。经过分析需求并征得养老院院方同意后，将定位算法做了简化，具体分为以下几种情况：

（1）当后台服务器收到的定位数据至少有3条且每条定位数值都在阈值内时，则采用多边测量法进行定位位置计算。

（2）当后台服务器收到的定位数据至少有3条，但定位数值都在阈值之内的少于3条时，则采用简化算法，根据上报的距离值比例，对应在2个参考点连线上计算出大致位置。

（3）当后台服务器收到的定位数据少于3条，甚至可能只有1条时，就将标签显示在该位置参考点上，并在后台特别显示为区域定位。

通过以上方式将算法对象做了细化区分，提高了定位位置的准确率，在一定程度上减弱了信号反射和干扰衰减导致的定位误差。

1.3 室内定位系统软件拓展

在实地测试中发现有一些房间格局特殊，墙面装修瓷砖对信号具有非常强烈的屏蔽作用，导致进入房间后外部定位设备信号无法穿透。因此在这些区域里布置定位点时，如果还采用中心节点加位置参考点方式，不仅会形成设备的高冗余，还对成本有较大影响。因此提出了“定位中心节点”的概念：通过软件的优化，将中心节点和位置参考节点功能整合为一体，采用区域定位的方法实现了对特殊房间的定位。该设备硬件是基于中心节点设备的，包含位置参考节点反馈位置信息的功能，同时还可以通过有线网络将这些信息传递到后台服务器。这样就在未增加硬件成本的前提下解决了此难题。

1.4 室外定位系统软件拓展

室外环境条件较室内复杂了很多，不但要考虑安放位置，还要求对雨水、雷电等恶劣气候环境进行防范。ID工程师在硬件工程师的建议下，将绝缘防护罩与无源导电体相结合，设计出类似路灯的定位杆，然后将定位设备安装在定位杆内。实践证明该方法既达到了客户美观的需求又能满足室外环境的要求。

室外和室内安装条件迥异，无法采用中心节点配合参考节点的方式。在考察实地环境后，并同客户讨论征得同意，制定了区域定位的方案，即将室外楼宇之间的空地做区域划分，将“室内定位中心节点”概念拓展，设计出“室外定位中心节点”的概念。该设备硬件同样基于中心节点设备，包含位置参考节点以反馈位置信息，同时还可以通过有线网络将这些信息传递到后台服务器。此概念将施工难题和定位需求之间的矛盾冲突巧妙的进行了折中处理，实际使用效果也令客户满意。室外定位设备效果见图6所示（圆圈部分）。

1.5 室内外设备定位干扰

在系统运行初期，从后台监控上看到某个定位标签显示在室外，但会突然跳跃到楼内二层的某个房间中，之后很快又显示室外区域。而另一种情况是人员带着定位标签在室内阳台上时，也会产生类似定位到室外的跳变。经过分析这些情况是由于无线信号受到干扰在不稳定状态或者在无线信号临界切换区域中使定位标签组网处在不合适的位置导致的，虽然只有短时的改变，但在后台显示上就会形成较差的用户体验。

为此，基于现有系统，在后台服务器流程处理中将所有参与位置定位的设备节点包括位置参考节点、室内定位中心节点、室外定位中心节点都添加了设备属性的概念，包括室内、室外、跳转属性。然后做出如下规定：

（1）将楼宇内的设备节点都标记为室内属性。

（2）刚进入楼门，在门厅的设备节点处则增加跳转属性。

（3）室外的定位设备节点都标记为室外属性。

（4）正对或者靠近楼门口的设备节点则增加跳转属性。

（5）允许跳转属性到跳转属性设备节点之间的位置变化。

（6）允许室内属性设备之间、室外属性设备之间的位置变化。

（7）定位设备之间若不包含相同的属性就不允许跳转，仍保持原有定位位置。

（8）在特殊情况下，如果（7）中的情况保持超过规定时间（分钟级别值），则按照实际上报位置显示。

通过上述规定，在后台显示处理过程中将位置跳变情况进行了有效控制，用户体验也达到了客户的要求。

2 结 语

本系统在ZigBee组网协议的基础上，对养老机构定位需求进行分析，设计了室内外区域定位系统并成功应用到实际项目中，实现了其商用价值。通过半年多的运行和维护，该系统已经得到了实践验证。除了日常的定位作用外，也处理了多次老人紧急事件，使得工作人员在报警后约5分钟就到达老人身边，及时对其进行救助或送医，得到了老人和院方的认可。该系统一方面提高了工作人员的效率，另一方面也树立了养老院安全有保障的形象。

在后续项目中，还可以对于人员定位标签设备做进一步改进，如将其设计成腕表，将有线充电方式改为无线充电方式等，以满足不同用户的需求。系统中还可以扩展连接多种无线传感器，如烟雾、漏水、漏气、门磁、红外等，其应用范围也会更加宽广。

参考文献

[1]孙晓芹，陈心德.积极推进和完善上海居家养老服务体系的对策建议[J].劳动保障世界（理论版），2010，12（8）：21-24.

[2]黄鹏程，许华荣.基于UHF和ZigBee的养老院人员定位系统[J].宜春学院学报，2013， 35（9）：1-5.

[3]赵恒，袁正道.基于北斗定位和ZigBee组网技术的养老院监护系统[J].数字技术与应用，2014（6）：56-57.

[4]张洁颖.基于ZigBee网络的定位跟踪研究与实现[D].上海：同济大学， 2007.

[5]李树明，肖艳，林巧民.基于ZigBee的定位监护医疗服务系统设计与实现[J].计算机技术与发展，2015（8）：222-225.

[6]张亚琳.基于ZigBee中继器矿山井下人员定位算法[J].物联网技术，2016，6（8）：18-19.

[7]黄鹏程，许华荣.基于UHF和ZigBee的养老院人员定位系统[J].宜春学院学报，2013，35（9）：1-5.

[8]赵恒，袁正道.基于北斗定位和ZigBee组网技术的养老院监护系统[J].数字技术与应用，2014（6）：56-57.