一) 系統(tǒng)背景

　　養(yǎng)老院主要服務(wù)對(duì)象是老年人，老齡問題比較突出。因?yàn)槟挲g的偏大，老年人或多或少在身體上有些不便，自理程度不如年輕人，比較容易出事故。養(yǎng)老院里的基礎(chǔ)建設(shè)日趨先進(jìn)，一般都配套有花園、健身場(chǎng)所、娛樂場(chǎng)所、休閑場(chǎng)所等。這些設(shè)施首先豐富了老人們的生活，為老人的生活添光增彩；同時(shí)也給老人們帶來潛在的不便。因?yàn)閳?chǎng)所涉及的地方大，管理人員不可能顧及到每個(gè)位置的每位老人，當(dāng)老人出現(xiàn)問題時(shí)，需要服務(wù)人員以最快的速度，找到老人所在位置，進(jìn)行相應(yīng)的幫助。所以必須要采取一種有效的方式來照顧老人，而實(shí)時(shí)確定老人在養(yǎng)老院內(nèi)的位置，并對(duì)其及時(shí)提供服務(wù)， “定位”更顯重要。

　　上海逖偲高結(jié)合養(yǎng)老院的實(shí)際情況，研發(fā)出了zigbee養(yǎng)老院定位系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)老人給予更高質(zhì)量的呵護(hù)與照顧。

　　二) Zigbee介紹

　　Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，因此它們的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)用于分析或者被另外一種無線技術(shù)如WiMax收集。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，這是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(Personal Area Network，PAN)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱做IEEE802.15.4(Zigbee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 

　　Zigbee不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。Zigbee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。 

　　ZigBee可使用的頻段有3個(gè)，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz 頻段以及美國的915 MHz 頻段，不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個(gè)。中國采用2.4 GHz頻段，它是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻段;采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，傳輸距離介于10~75 m(增加RF發(fā)射功率，可達(dá)500 m);傳輸速率為20~250 kb/s，適合傳感器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸。ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)。

　　1) RSSI定位技術(shù)

　　RSSI[2](Received Signal Strength Indicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示)是指基站接收到的無線信號(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)射基站的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度,接收基站根據(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)。
RSSI=-(10n•lgd+A)(1)

　　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?；镜蕉ㄎ粯?biāo)簽的距離越近, 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)未知基站可能收到n個(gè)定位標(biāo)簽的信號(hào), 所以應(yīng)當(dāng)采用RSSI值大幾個(gè)基站進(jìn)行定位計(jì)算，這樣可以避免定位誤差擴(kuò)大。

　　2) ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位的優(yōu)勢(shì)

　　1. 功耗低

　　由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW,而且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電。ZigBee設(shè)備僅靠2節(jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，其功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他無線設(shè)備。

　　2. 成本低

　　與 GPS相比，定位引擎在單芯片 ZigBee RF收發(fā)器中與 MCU集成在一起，成本不及 GPS硬件的1/10，功耗也只是 GPS硬件的一小部分，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。

　　3. 時(shí)延短

　　通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30 ms，休眠激活的時(shí)延是15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15 ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)實(shí)時(shí)定位要求較高的應(yīng)用。

　　4. 網(wǎng)絡(luò)容量大

　　一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備，組網(wǎng)方式靈活。隨著ZigBee技術(shù)的成熟，未來ZigBee設(shè)備不斷增多，可以利用具有ZigBee RF的設(shè)備或基礎(chǔ)設(shè)施,容易組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，降低了ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和組網(wǎng)成本,且利用更多的ZigBee設(shè)備可以達(dá)到更高的定位精度。

　　三) 方案介紹

　　每個(gè)老人都配帶著一個(gè)腕帶，該腕帶內(nèi)置zigbee的射頻卡，該卡是基于zigbee的無線技術(shù)，利用國際通用的2.4~2.5GHz的頻段，腕帶可以主動(dòng)的向外界發(fā)送信息，能傳輸0~1500米的距離。腕帶的信息被基站接收到后，基站就可以解讀卡內(nèi)的信息，進(jìn)而了解到是哪個(gè)老人的腕帶號(hào)？處于什么位置？基站再把讀到的信息發(fā)給電腦。當(dāng)老人移動(dòng)到其他地點(diǎn)時(shí)，電腦能實(shí)時(shí)監(jiān)控到具體的位置。當(dāng)老人在社區(qū)任何地方遇到困難，按下隨身腕帶上的按鈕，監(jiān)控中心管理人員的電腦屏幕上將立即顯示該老人所處的位置，以及老人個(gè)人的健康狀況、曾患過的疾病等相關(guān)信息，為醫(yī)護(hù)人員的快速響應(yīng)、緊急求助提供指引。 　

　　四) 產(chǎn)品介紹

　　1. 腕帶技術(shù)

　　本系統(tǒng)中的產(chǎn)品，均采用2.4GHz的zigbee無線技術(shù)，該技術(shù)因以主動(dòng)方式向外發(fā)送數(shù)據(jù)、傳輸距離遠(yuǎn)、輻射非常小、定位精度比較高，非常適合在養(yǎng)老院中使用?！?

　　1) 腕帶的組成

　　外殼：由特殊醫(yī)用材質(zhì)制造，不會(huì)刺激皮膚或感到不舒適感。有表帶和表頭部分組成，表帶可自由調(diào)整帶到手腕的松緊度，表頭內(nèi)置核心的芯片裝置。

　　芯片裝置：有zigbee、單片控制、SOS報(bào)警模塊、電池模塊。zigbee無線模塊負(fù)責(zé)對(duì)外、對(duì)內(nèi)的數(shù)據(jù)收發(fā)；單片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析處理和控制；SOS模塊即按鍵輸入報(bào)警、求救；電池給電路供電。：

　　2) 腕帶的功能

　　腕帶向外傳輸?shù)木嚯x最遠(yuǎn)可達(dá)1500米，且可以通過軟件調(diào)整距離，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用距離和定位精度。

　　腕帶側(cè)面設(shè)置SOS按鍵，當(dāng)老人需要幫助時(shí)，即可按下SOS，向服務(wù)人員求助。

　　每個(gè)腕帶內(nèi)存儲(chǔ)ID號(hào)，可以作為老人的電子身份，此ID號(hào)是由幾十位的字母和數(shù)字組成，絕不會(huì)重復(fù)。

　　每個(gè)腕帶內(nèi)還可以存儲(chǔ)老人的個(gè)人信息，如：老人管理：老人資料、外出登記、老人情況一覽表、入住登記、老人健康檔案、期間健康檔案查詢、入住信息

　　以上信息，可以在給老人佩戴腕帶之前，存儲(chǔ)到腕帶內(nèi)，腕帶內(nèi)的數(shù)據(jù)可以與電腦中的數(shù)據(jù)同步。

　　2. 基站

　　基站接受腕帶的信息，通過解調(diào)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過網(wǎng)關(guān)連接電腦。腕帶必須與基站配合使用。

　　基站可任意安裝，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)線連接，只要提供電源就可以了，所以不需要進(jìn)行施工，安裝及其簡(jiǎn)單。

　　3. 網(wǎng)關(guān) 　

　　網(wǎng)關(guān)是讀取基站信號(hào)的終端設(shè)備，它通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，將基站的數(shù)據(jù)通過USB與計(jì)算機(jī)連接，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　五) 系統(tǒng)模塊介紹

　　1. 系統(tǒng)概述

　　給養(yǎng)老院中的每位老人佩戴一個(gè)腕帶，佩戴時(shí)需調(diào)整好腕帶的松緊度，避免給老人帶來不適感（亦可選擇自由摘戴）。每一個(gè)老人腕帶中存儲(chǔ)ID號(hào)和老人信息，ID號(hào)是老人的電子身份號(hào)，老人信息包括：姓名、年齡、性別、房間號(hào)、家庭信息（家人，親情號(hào)、家庭住址等等）、病史檔案。

　　在房間內(nèi)、樓道、樓梯、衛(wèi)生間、活動(dòng)院所等安裝一定數(shù)量的基站，基站被安裝到某個(gè)位置時(shí)，該基站的地址號(hào)即與該位置綁定到一起，比如1號(hào)基站被安裝到302房間，那么當(dāng)1號(hào)基站傳送信息給電腦時(shí)，電腦即知道是302房間的老人傳送的信息。

　　當(dāng)老人處于某基站的識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，基站將該老人的腕帶號(hào)傳送給電腦，電腦立即能判斷出：

　　電腦根據(jù)設(shè)置，會(huì)在屏幕上彈出信息框，提示管理人員快速的處理。

　　2. 系統(tǒng)功能模塊

　　1) 老人位置自動(dòng)匯報(bào)

　　腕帶可被設(shè)置成，間歇的向基站發(fā)送信息，向系統(tǒng)報(bào)告其位置，系統(tǒng)可對(duì)所有的老人進(jìn)行監(jiān)控管理，當(dāng)某位老人的信息沒有上傳給電腦時(shí)，電腦則會(huì)彈出報(bào)警對(duì)話框，提示管理人員查看。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的描繪出老人某段時(shí)間段內(nèi)的行動(dòng)軌跡圖。

　　2) 系統(tǒng)對(duì)老人位置查詢

　　當(dāng)管理人員要對(duì)某位老人的位置進(jìn)行查看時(shí)，可在系統(tǒng)中輸入老人的姓名或電子ID號(hào)，如要查找123號(hào)，系統(tǒng)則會(huì)給所有的基站指令，要求其檢索123號(hào)的信息；則所有的基站向外發(fā)送信息，當(dāng)檢索到相應(yīng)的ID號(hào)時(shí)，由讀到123號(hào)的基站（如11號(hào)），向電腦回復(fù)指令，電腦即能判斷出123號(hào)在***地方（11號(hào)基站安裝的地方）

　　3) 老人SOS呼叫

　　老人在社區(qū)任何地方遇到困難，按下腕帶上的緊急救助按鈕時(shí)，即向基站發(fā)送一條緊急信息，基站時(shí)時(shí)上傳給電腦，電腦即會(huì)在管理人員的電腦屏幕上將立即顯示該老人所處的位置，以及老人個(gè)人的健康狀況、曾患過的疾病等相關(guān)信息，為醫(yī)護(hù)人員的快速響應(yīng)、緊急求助提供指引。同時(shí)也可監(jiān)控工作人員的實(shí)時(shí)位置，進(jìn)行規(guī)范化管理和合理調(diào)度。 　

　　4) 危險(xiǎn)區(qū)域自動(dòng)報(bào)警

　　因考慮到老人的自理能力不足，活動(dòng)院所或樓內(nèi)某些區(qū)域記為危險(xiǎn)區(qū)域。在這些區(qū)域邊緣地區(qū)安裝基站，當(dāng)有老人接近時(shí)，就會(huì)被基站讀到，基站上報(bào)給電腦，電腦即會(huì)提示管理人員處理，同時(shí)會(huì)控制危險(xiǎn)區(qū)域的聲光報(bào)警，以提示老人注意安全。 　

　　5) 視頻聯(lián)動(dòng)功能

　　視頻監(jiān)控可以幫助管理人員了解到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際畫面，當(dāng)有SOS報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)控制相應(yīng)區(qū)域的攝像頭，切換到指定定點(diǎn)，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)畫面。

　　6) 被單獨(dú)設(shè)置規(guī)則

　　此功能對(duì)某些特殊的老人設(shè)定，某些需要特殊照顧老人，需要給其限定一定的活動(dòng)范圍或行為。

　　7) 時(shí)間設(shè)置規(guī)則

　　養(yǎng)老院需要照管的老人往往較多，院方會(huì)有具體的管理規(guī)定，如進(jìn)餐時(shí)間，休息時(shí)間等。比如到了休息時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)指令每個(gè)房間內(nèi)的基站，讀取腕帶信息，判斷是否每個(gè)老人都在自己的房間內(nèi)休息，如果人數(shù)不夠，或其他房間的人在本房間，系統(tǒng)則會(huì)判斷到，進(jìn)而提示管理人員去勸老人回房。
基于zigbee的養(yǎng)老院管理系統(tǒng)作為一個(gè)有實(shí)際意義的，zigbee養(yǎng)老院管理系統(tǒng)應(yīng)用方案是老齡化問題的重要應(yīng)對(duì)策略。是未來世界發(fā)展的必然趨勢(shì)。