一个应用于养老机构的5G定位胸牌的设计

摘要：养老机构大部分老人是失能、半失能或失智老人，且老人普遍存在记忆衰退的情况，走失的现象时有发生，目前主要通过人工定时巡查的方式来发现老人走失，但效率低下，文章设计一种定位胸牌用于解决老人走失的问题。胸牌融合GPS定位以及蓝牙信标定位、结合5G NB-IOT传输方式，解决室内和室外定位，以及满足长时间待机要求，为机构养老老人提供舒适简单可靠的防走失解决方案。

关键词：养老;5G;物联网;定位;胸牌

中图分类号：TP391     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）14-0089-03

根据2020年第七次全国人口普查最新结果，60岁及以上人口为264018766人，占18.70%，其中65岁及以上人口为 190635280人，占比13.50%，2010 年第六次全国人口普查相比，60 岁及以上人口的比重上升 5.44 个百分点，65 岁及以 上人口的比重上升 4.63 个百分点[1]。面对老龄化形势趋势越来越严峻，国家提出了多种养老模式，主要分为机构养老和社区居家养老，而在机构养老中，安全监测是最迫切和实际的需求，这里面就包含老人的防走失监测，因为如果出现老人丢失的情况，机构对此要承担主要责任，所以养老机构不仅要在服务管理方面标准化和精细化，在科技化方面也需要有更好的解决方案，为此笔者提出针对养老机构的位置信息服务解决方案。

人员定位系统主要是实时获取老人在养老机构的定位信息，从而可以及时对老人异常危险情况进行预警，例如洗手间滞留时间过长、跨越安全区域达到危险区域等。目前常规使用的是安防监控系统，视频监控系统覆盖养老机构的公共区域和部分老人房间，采用智能摄像头，实时监控各个区域的情况，配合视频监控子系统实现联动，可以第一时间让护工了解现场情况。例如老人离开安全区域报警到后台或老人按下求救报警按键，后台监控人员可以第一时间通过监控确认现场的情况，以便为接下来的措施提供依据和方案，但摄像头方案存在侵犯个人隐私，需要有人监控大屏，导致运营成本高和摄像头存在覆盖死角等方面问题，所以基于摄像头的防护仅作为定位的一个补充，在发生定位事件的情况下，可以联动摄像头，迅速查看，提高时效。定位产品的形态大多采用表式装置扣在老年人手腕上，需要有防脱落、防松扣、难摘取功能，也可挂于胸前，或缝在衣服上等[1]。

1 定位主流解决方案

随着老人由于记忆力衰退、视力下降、慢性病并发症等影响，容易发生走失或走丢的问题，即便在较为封闭的养老机构当中，也会有老人因为走到地下停车场、活动广场以外区域等导致走失的情况，目前机构养老中针对老人的走失走丢问题主要是从服务管理上下手，例如增加护理频次、增加监控摄像头等。但这里面有两方面的不足：一是增加护理频次导致人工成本增加;二是监控摄像头有盲区，且针对一些隐私区域无法安装;目前主流的定位方案从应用角度主要有两种：室内定位和室外定位。

1.1 室外定位

室外定位主要利用GPS和北斗等卫星定位系统，从而实现定位，用户需要携带相应的定位器，用于卫星信号的接收和定位解析，目前在手机等设备应用广泛，针对老人防丢场景，可以利用GPS设置电子围栏，一旦老人跨越围栏，系统发出报警信号，护理人员及时进行处理。但这有几个弊端：

lGPS等卫星定位在室内无法实现。

lGPS定位信息不间断定时发送，耗电量大。

所以针对养老机构等场景，产生了室内定位。

1.2 室内定位

室内定位目前主要有三种方式，一是蓝牙信标定位，二是蓝牙AOA定位，三是UWB定位。室内定位需要根据室内平面图生成3D地图，这个地图包含了处理空间或地理信息的各种基础的和高级的功能，其基本功能包括收集、管理和分析数据[1]。蓝牙信标定位需要室内布置定位信标，用户携带定位标签，蓝牙AOA需要室内建筑布置蓝牙AOA基站，用户携带定位标签。UWB定位需要室内建筑布置UWB基站，用户携带标签。蓝牙AOA基站和UWB基站都是用来持续扫描标签信号，从而利用位置引擎进行坐标解析。室内定位可以方便對老人进行室内定位，精度1～5m不等，AOA系统是采用先进的蓝牙低功耗的专有技术，通过到达角度信号处理机制 以及先进的定位算法实现对人员和物品的精准定位，实现精确定位和低功耗完美结合。该系统主要应用在室内定位，能够为标签提供室内的精确定位：跟踪人员在室内的活动轨迹，提供人员室内准确位置的实时显示，保护室内固定资产的安全以及门禁控制。AOA系统采用先进的到达角度算法技术，利用两个不同位置天线和标签发射的无线电信号之间形成的信号强度差、角度差、时间差，交汇计算出标签位置。因此，一台蓝牙 AOA 基站可以能达到高精度定位，多台蓝牙 AOA 基站能够相互协同工作，扩大高精度定位范围的同时，提高标签的定位精度，但也有以下几个弊端：

l基站需要对建筑进行布线通电等施工，相对复杂。

l室内定位成本较高，需要对室内区域布置大量的基站或信标。

如图1，是一个典型的室内定位3D地图。

2 融合方案

针对机构养老的场景，以及目前定位技术的现状，笔者提出一种多模态融合的解决方案，即室外GPS和蓝牙信标融合。当老人在室内活动时，携带的定位器里面蓝牙定功耗BLE处于接收状态，功耗典型值峰值约为5mA，平均功耗可以做到十几uA。不断扫描蓝牙信标的广播信号，而蓝牙信标安置在大门出入口、电梯口、活动广场出入口等处，当检测到老人出大门状态，定位器启动GPS实时定位，定位间隔30s一次，同时定位器通过NB发送报警信息到后台，定位数据和视频监控进行联动，护理人员通过监控及时甄别是否需要人工干预。

本方案的好处经过实际验证有如下优势：

l通过胸牌甚至徽章的形式作为定位标签，携带方便，相对传统可穿戴式产品体验感更好。

l整机待机时长更久，可以做到一个月一充。

l可以与监控视频联动，降低误报导致人工现场处理频次，提高人员效率。

l整体硬件成本较低，部署简单。

本方案在实际开发中需要解决几个关键技术问题，一个是如何通过蓝牙信标判断人员的出入，二是如何做到低功耗，从而延长整机的工作时长。

2.1 出入的判断

蓝牙信标安置在出入口的顶部，当老人携带标签靠近时候，可以检测到相应信标的蓝牙广播信号，但此时不能立即报警，否则很容易误判断，设备需要准确判断出老人出门和进门，这样可以准确报警和消除报警，避免不必要的人工干预。所以如何准确高效判断老人出入大门或路口是需要解决的一个关键技术问题，为此笔者提出一种简单有效的方法：

基于RSSI测距是利用信号传输过程中的接收信号强度值和距离关系公式解算公式中的参数，并将采集 的RSSI值纳入公式得到相应的距离[1]。通过检测RSSI（接收信号强度）的变化来判断出门还是进门，不需要三角定位，单个信标即可简单实现。RSSI = 10*logP，P代表胸牌接收到的广播蓝牙信标的信号功率，因为蓝牙信标会不断广播信号，胸牌与蓝牙信标的距离依据接收到的信号功率可以计算出来。距离计算公式如下：

[d=10（RSSI-A10*n）]

其中：

d：胸牌与蓝牙信标之间的距离，单位m

RSSI：胸牌接收到蓝牙信标的信号强度，单位dBm

A：发射端和接收端相隔1米时的信号强度

n：环境衰减因子

通过实验，A值的最佳范围为45～49，n值最佳范围为3.25～4.5。

2.2 数据分析

老人佩戴胸牌在接近门口信标过程中，胸牌作为接收信号强度的标签，会不断计算胸牌与信标的位置，同时对老人是否真的离开大门出去做出判断。笔者模拟了两种出入大门的情形，分别是出门、出门后立即返回。胸牌挂在胸口前面，信标安装在门口顶部，距地面大概2.7m左右，測得三种情形下距离的变化如下图所示：

对数据进行平滑滤波之后，分别进行一阶求导，得到过零点的值，判断过零点的距离值是否小于阈值（例如2m），如果以上条件满足，则标记预出门，继续检测距离变化，如果再次检测到过零点且零点距离值小于阈值，则表明老人返回门内。如果一直没有检测到过零点且距离大于5m则标记出门，设备发出报警信号到后台。

2.3 低功耗的设计

定位器融合了室内和室外定位，老人大多时间是在养老机构活动的，如果GPS定位间隔定位，所产生的功耗也是巨大的，例如10分钟定位一次，一个100mAh的电池工作不到两天，反复充电会给护理人员原本繁重的工作增加工作量，产品也得不到很好实际效果，结合实际场景，本设计结合运动探测，创新性增加了三轴加速度传感器，通过X、Y、Z三个方向的运动加速度，实时提取到对应的特征波形，从而判断老人是否在步行，当老人未在步行的时候，设备完全休眠，当老人步行的时候，启动蓝牙探测，如果蓝牙检测到门口的信标，则发送报警信息到后台，后台决定是否启动GPS定位。

2.4 步行的判断

在实际养老机构场景下，老人佩戴定位胸牌后，日常活动包括上下床、上下楼梯等，老人大多生活在多层的建筑中，楼层之间按照不同照顾级别来划分，例如失智照护专区、介护专区等，一般情况下定位蓝牙信标安装在建筑物的出入口，传统的惯性传感器无法识别室内人员在垂直方向上的运动状态（上下楼梯、上下电梯），这就导致了现有的运动状态识别方法局限于只能在同一个平面楼层发挥作用，在识别人员垂直方向的运动时显得十分不稳定[1]，针对乘坐电梯情况，可以增加气压传感器。但我们为了简化软硬件设计，只需要判断老人在平整地面上的步行状态即可，在平整地面上步行时，在垂直（Y方向）和前进（Z方向）两个加速度会呈现周期性变化，为了简化计算，通过X、Y、Z求平方和再开根号，得到一个一维的加速度数据Vm，如下图4所示，可以很清楚看到状态波形是周期性变化，利用决策树将特征值和设定的阈值进行比较，从而完成对人体运动的识别[5]，甚至完成走和跑的识别，但本设计只需要通过幅值阈值和一阶过零点就可以判断步行状态。

3 总结

针对养老的设备，目的是保障老人日常活动的基本安全，需要考虑及时性和易用性，在智慧养老中，通过物联网化、信息化、多场景化等结合，旨在提高养老服务运营效率，降低养老服务风险。本研究中，通过室内室外定位的融合，结合5G NB-IOT技术，设计一种电子胸牌，解决机构养老的老人意外走失问题，科技助力养老，并以此提升养老机构的价值，改善老人养老的安全环境。

参考文献：

[1] 国家统计局  国务院第七次全国人口普查领导小组办公室. 第七次全国人口普查公报～（[1]）（第五号）[N]. 中国信息报，2021-05-12（002）.DOI：10.38309/n.cnki.nzgxx.2021.000487.

[2] 张陆，高文钑.老年人求助及防走失智能技术与方法[J].社会福利，2014（6）：53-54.

[3] 李海燕，黄立新，纪雨，等.基于移动GIS的智能养老定位系统[J].产业与科技论坛，2016，15（3）：78-79.

[4] 杨保，张鹏飞，李军杰，等.一种基于蓝牙的室内定位导航技术[J].测绘科学，2019，44（6）：89-95.

[5] 周泽仑，戴欢，束沁冬，等.面向多层建筑的人员室内运动状态识别方法[J].苏州科技大学学报（自然科学版），2020，37（4）：73-77.

[6] 蔡培君.基于单个三轴加速传感器的人体运动状态识别[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2016，22（1）：83-86.

收稿日期：2022-01-12

作者简介：皮礼明（1988—），男，中级职称，研究方向为物联网、医疗电子等。