老年公寓智能看护系统设计与实现

王 颖

(山西兴路交通工程监理技术咨询有限公司，山西 太原030006)

中国已迈入老龄化社会，福利院以及老年公寓养老模式逐渐成为当代养老的重要方式。社会对养老机构的需求也随之越来越大，不少老年公寓收费高昂却一床难求。与此同时，养老机构的服务品质却差强人意，缺乏有效的技术手段来高效、细致、准确地看护老人，特别是实时跟踪老人的行踪，监测老人的健康状况，在老人发生危险时能够第一时间定位老人位置，及时提供救助方面还缺乏有效手段。仅仅依靠人力是无法做到对每一位老人的24小时贴身看护，必须借助最新科技手段，打造智能看护系统，才能实现老年公寓安全、健康、快乐的服务目标。

本文介绍了一种基于物联网技术的老年公寓智能看护系统，可以实时定位老人的位置，在老人需要帮助或发生危险时“一键报警”就能及时获得救助，是老人随身携带的“120”，实现24小时贴身看护，有效降低意外事故的发生频率。

目前，高档老年公寓与医院住院病房一样，配置了床头呼叫对讲装置，老人需要帮助时可以呼叫护士站求助，护士站也可以提醒或通知老人有关事宜，但并不能实时监测到老人的健康状况。如果老人离开房间去其它地方活动就完全处于失控状态，一旦有意外发生，很难及时发现并找到出事地点。特别是现在老年公寓规模日益扩大，公寓室内、室外空间结构复杂，若有意外发生，很难及时找到老人，错过最佳施救时机。至于普通的养老机构，则完全依靠人力资源，救援效率就更低了。

通过大量的调查研究，我们认为老年公寓对于智能看护系统的需求是迫切的，智能看护系统对于老年公寓而言是十分必要的基础设施，其主要的功能需求如下：

1) 实时定位跟踪：实时跟踪监测老人的位置，记录其行踪，定位精度应该在5 m以内，室内定位必须准确区分楼层。

2) 人员分布显示：所有人员(包括老人和服务人员)的位置可以实时显示在监控中心的大屏幕上，管理人员可以随时查看人员的分布情况。

3) 电子围栏和越界报警：可以根据老人的身体状况设定每个人的活动范围，一旦越界自动报警，老人随身携带的胸卡或腕表同时发出警示声响，提醒老人已越界。

4) 身体状况实时监测和意外自动报警：对老人身体状况的关键参数比如心跳、血压等进行实时监测并上传监控中心，一旦异常，在监控平台自动发出报警信息，提示服务人员介入处理。

5) 双向呼叫：监控中心服务台和老人通过系统网络可以双向呼叫和通话。

6) 一键报警和应急预案自动弹出：老人在发生身体不适或意外情况时可以按下腕表或胸卡上的紧急呼叫按钮，求助信息会显示在监控平台上，同时系统自动显示老人的位置、健康状况，主要疾病以及应急处置措施，便于服务人员在第一时间提供准确服务。

根据上述需求分析，要想实现预期目标，其关键有两点，一是必须采用无线通信，二是必须具有精确定位功能。目前成熟的无线通信技术主要有蓝牙、WiFi、RFID、GPRS/GSM/CDMA和ZigBee，就其可行性简要分析如下：

1) 蓝牙：蓝牙的通讯距离在10 m以内，极限网络容量只有7个，不能满足聚集人群的通讯需求，且没有定位功能。

2) WiFi：WiFi的通讯距离也比较短，极限网络容量32个终端节点，同样不能满足聚集人群的通讯需求，且没有定位功能。虽然可以通过天线的位置进行模糊定位，但定位精度不能满足需求。

3) RFID：RFID的通讯距离更短，且只能单向读写信息，不能进行双向语音通讯，因而也不适合老年公寓的应用场景。

4) GPRS/GSM/CDMA：这是现在商用移动通讯的实用技术，但是设备庞大，成本高昂，特别是不能实现室内定位且定位精度也不能满足需求。

5) ZigBee：这是目前物联网的核心技术之一，使用免费的工业、科学、医疗专用频段(2.4 G-ISM)，它是IEEE 802.15.4协议的代名词[1]。其主要特点可以概括为“三低两高”：

◆短距离：传输范围一般在10～100 m之间，在增加RF发射功率后，也可增加到1～3 km。

◆低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月。

◆低成本：通过大幅简化协议使成本很低(不足蓝牙的1/10)，而且ZigBee的协议专利免费。

◆高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点(设备)管理若干子节点(设备)，最多一个主节点可管理254个子节点。

◆高可靠性：ZigBee技术中，由于采用网状网(mesh网络)拓扑结构，自动路由，动态组网，直序扩频(DSSS)的方式，因而抗干扰性强，能够很好适应各种复杂状况。

◆定位功能：自带定位功能，这是ZigBee技术的重要特点，采用合理的定位方案可以实现米级精度的定位。

通过以上的比较分析可见，ZigBee技术是智能看护系统的首选技术路线。

图1 无线通讯技术特性对照表

ZigBee采用 RSSI定位技术，RSSI(Received Signal Strength Indicator)是指节点接收到的无线信号强度大小。在基于接收信号强度指示RSSI的定位中,已知发射节点的发射信号强度,接收节点根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗,利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离,再利用已有的算法计算出节点的位置。该技术硬件要求较低、算法相对简单,在实验室环境中表现出良好特性;但由于环境因素变化的原因,在实际应用中往往还需要改进。接收信号强度是发射功率和发射器与接收器间距离的函数。接收信号强度RSSI理论值可由下面公式表示：

RSSI=-(10n·1gd+A)

其中，n代表信号传播常量，也叫传播指数；
d代表距发射器间的距离；
A代表距离1 m时的接收信号强度。

信号的衰减与距离成对数衰减的关系。节点到信号源的距离越近,由RSSI值的偏差产生的绝对距离误差越小；
而当距离大于某一值时,由RSSI波动造成的绝对距离误差将会很大。一个未知节点可能收到n个参考节点的信号,所以应当采用RSSI值大的前几个参考节点进行定位计算，这样可以避免定位误差扩大。

实用中在管理区域合理设置定位基站，各定位基站间以无线网状网的形式组成无线定位网络，对目标区域实现信号覆盖；
当内置ZigBee模块的胸卡或腕表在网络内移动时，移动标签和各定位基站间通信的信号强度会随它们之间的距离变化而改变，由于信号强度和距离间有一定的对应关系，且各定位基站的位置坐标已知，在得知移动标签与多个(≥3个)定位基站间的信号强度后，即可计算出移动报警器的位置。

图2 定位原理示意图

典型的智能看护系统组成如图3所示，主要包括四个部分：后台管理系统，骨干通讯网络，现场无线定位网络和核心设备。

图3 系统组成示意图

4.1 后台管理系统

该系统配置于老年公寓的管理中心，包括计算机系统，大屏幕显示系统，数据库系统，远程网络访问系统、无线网络管理系统、应急预案管理系统和应急救援系统等子系统。系统综合运用在线监测、自动化控制、地理信息系统(GIS)等先进技术，建立起一个连接老年公寓覆盖范围所有老人和工作人员的网络通信平台、资源管理平台与监控平台，用户既可以在本地访问服务器，也可以通过网络远程访问服务器。所有老人的静态、动态信息(包括当前位置和行动轨迹)以及报警求助等信息都通过无线网络汇聚到管理中心，管理中心可以实时监看老人的活动位置以及身体状态，并根据情况采取预防性的措施，一旦发现异常状态或收到报警求助信息，管理服务人员能第一时间确定老人的状态，并根据系统预存的老人身体健康信息和应急救援预案，在第一时间精准施救。管理中心可以直接发送指令或警示提醒信息给特定的老人；
老人也可以通过现场物联网向管理中心发出求助报警信息。

4.2 骨干通讯网络

由于整个社区的面积较大，一般分为室内、室外两个部分，如果单使用ZigBee组网，网络负担会非常大，整个网络的效率也会比较低。针对这种情况，系统采用了ZigBee与以太网结合的方式，将每个楼层划分一个ZigBee无线子网，每个子网的定位基站通过子网网关连接到系统中心；
整个室外的定位基站也独立组成一个子网。这样即保证了网络的运行效率，又充分体现了无线的灵活性。

4.3 现场无线定位网络

整个定位系统由胸卡或腕表(移动标签)，定位基站(室外基站和室内基站),网关基站(ZigBee-Ethernet网关)组成[2]。

网关基站负责现场无线网络与骨干网络以及后台管理系统的互联互通，定位基站与移动标签则组成了现场无线网络和定位系统，实现了人员定位和信息交互。

1) 室外定位:根据现场的实际情况，以网格形式，在整个园区内灵活的布置无线定位基站，各基站间会自动联通起来，并将采集的移动标签信息传送至中心，系统中心根据这些原始的定位数据，采用科学的定位算法计算出移动目标相对于定位基站的位置，进而确定出移动标签的实际位置。考虑到建筑物的阻隔，每个定位基站间的距离可控制在20～50 m的范围内。

2) 室内定位:在每个房间安装一个定位基站，并以房间为室内定位的最小识别单位，楼层内根据情况设置若干基站。当有移动标签进出房间时，基站便会收集移动标签的信息并上传至中心，中心即可得知该移动标签处于哪个房间。当移动标签发出报警求助信息时，报警信息也会通过基站所组成的无线网络传输到子网网关，并由网关传送至系统中心。

4.4 核心设备

1) 定位基站：基站核心为自主研发的的集成模块ZF-1012，系统结构和外观如图4所示。主要参数：

工作电压：交流220 V；

工作电流：160 mA；

工作频率：2.4 GHz；

通信距离：无线通信距离1200 m(空旷环境)；

通信速率：125 kbps.

图4 定位基站系统结构和外观图

2) 移动标签(胸卡和腕表)：核心为自主研发的集成模块ZF-1011，设备外观如图5所示。主要参数：

通信距离：0～100 m(无遮挡)；

工作电压：3.0 VDC；

工作电流：≤130 mA；
工作频率：2.4 GHz；

电池使用寿命：6-12个月.

图5 移动标签(胸卡和腕表)外观图

我们根据预设的技术路线设计和研发了设备，开发了系统软件，实践证明完全达到了预期技术和功能目标，定位精度在3 m以内。现在已成功商用，典型案例如北京恭和苑老年公寓，泰康之家国际养老社区，大连开发区社会福利院等等，受到用户的高度认可和好评，大大提高了老年公寓的服务品质，降低了管理服务人员的劳动强度。