基于ZigBee的精神病人定位管理系統設計

龔江濤 劉紅梅 周 玲

（湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412001）

1 引言

據估算，目前我國約有嚴重精神疾病患者1600萬人。因為看護不周而造成的走失、自殺、殺人傷人現象呈逐年增加之勢，精神疾病總負擔已躍居各類疾病之首。因此，解決精神病人的看護監管問題日益突出[1]。然而對于國內醫院，精神病人的定位管理是一個普遍的難題，相關解決方案很少。

GPS是目前應用最為廣泛的定位技術，但是對于室內近距離定位，GPS的精度遠遠達不到要求。ZigBee技術作為一種低成本、低功耗、低速的短距離雙向無線通信技術，廣泛應用于智能家居、智能樓宇等各種物聯網領域[2]。本系統采用RSSI定位引擎,通過ZigBee無線網絡實現醫院精神病人定位，定位精度遠遠高于GPS，可以實現對系統內病人的精準定位及管理。

2 系統組成

本系統由ZigBee移動節點、固定節點、協調節點、上位機及系統軟件組成，其結構組如圖1所示。

固定節點可以安裝在醫院每層樓和每層樓的出口以及住院大樓門口等關鍵位置，其作用是位置數據雙向傳輸及ZigBee無線信號覆蓋。一個定位區域至少有3個固定節點才能進行定位。

移動節點設備被佩戴在每個被監控病人的身上，其內部被寫入了病人相關信息，相當于一個帶身份識別功能的定位器。當被監控病人在醫院中移動時，移動節點內置的定位引擎啟動，通過探查與各個固定節點之間的信號強弱來進行位置計算。實時將病人信息及位置等數據上傳至具有網關作用的協調節點。

協調節點是系統中至關重要的組成部分，實現ZigBee無線網絡與上位機的互聯，它將收集到的所有病人信息及位置數據通過有線以太網傳至上位機。

上位機及系統軟件通過24小時不間斷、實時地獲取病人位置信息，在醫院的電子地圖上描繪出病人的日常活動軌跡，從而幫助管理人員更加方便地監控病人的行蹤。

圖1 系統結構圖

3 硬件設計

固定節點的電路框圖如圖2所示，采用的主芯片是TI公司的CC2430。這是一個專用于IEEE 802.15.4和ZigBee通信協議的片上系統解決方案，其RF內核采用了工業領先的射頻通信芯片CC2420，在單芯片上集成了CPU、存儲器、RF射頻單元及常用片內外設等電路單元。

在實際使用時，考慮到可能停電的問題，一般采用外接電源與內置3Ah鋰電池相結合的供電方式，保證在外接電源中斷的情況下，可繼續工作12小時以上。

固定節點的安裝應根據醫院現場的實際情況，事先規劃好信號覆蓋區域，然后將固定節點安裝在需要無線信號覆蓋的區域，同時固定節點之間能夠通過多跳，級聯成無線自組織網絡，實現與網關節點通信距離最遠達到1000米。

圖2 固定節點電路框圖

移動節點電路框圖如圖3所示，采用CC2431作為主芯片。相比CC2430，CC2431的結構基本相同，區別在于其內置了一個基于接收信號強度指示(RSSI)的定位引擎。該定位引擎可根據接收信號強度及已知固定節點位置，準確計算出待移動節點的位置，然后將位置信息發送給協調節點。與集中型定位系統相比，進行分布節點定位，以減少網絡通信量和網絡通信延遲。

在實際應用當中，移動節點可制成腕帶標簽或胸卡標簽等，并可防止暴力拆卸。為了便于攜帶，一般考慮采用大容量的紐扣電池供電，避免頻繁更換電池。電池容量低時，可主動上報低壓信息，通知管理人員及時更換電池。若移動節點長時間沒有移動位置，發送報警信號，提醒管理人員注意，排除病人出現意外的情況。

圖3 移動節點電路框圖

協調節點是定位系統的網關，是系統的核心節點，用于組建ZigBee無線定位網絡，實現數據的采集和轉發，并通過以太網實現無線網絡與上位機的雙向通信。下行接收由上位機發來的給各個固定及移動節點的配置數據，并采用不同的方式轉發給相應的節點；上行接收各個節點發來的反饋數據，判斷其有效性后再上傳至上位機。協調節點的核心模塊為CC2430芯片，通過SPI接口與以太網控制器芯片ENC28實現通信，完成以太網通信功能，電路框圖如圖4所示：

圖4 協調節點電路框圖

4 算法設計

本系統中的移動節點CC2431內置了基于RSSI技術的定位引擎，屬于硬件定位，速度更快。移動節點接收信號強度RSSI理論值可由公式RSSI=-(10nlgd+A)得到，其中d代表距發射器間的距離，A代表距離發送端1米時接收到的信號強度，n為信號傳播常量，也稱傳播指數。由公式可知無線信號的衰減與收發端的距離近似成對數衰減關系，因此利用此關系可以實現距離測算[3]。

因此定位算法相應地采用測距算法中的三邊測量法。該算法是一種基本的計算坐標方法，只需要三個已知固定節點就可實現定位，簡單高效。基本原理如下：若A，B，C三個節點為固定節點，其坐標分別為（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），與移動節點D的距離分別為Da，Db，Dc，假設D點坐標為（X，Y），如圖5所示。

圖5 三邊測量法示意圖

那么通過下面方程組：

解方程組可以得到D點坐標為[4]：

系統的定位過程為:首先將至少3個固定節點分布在整個監控區域內，使其通信范圍能涵蓋整個病區。在聯入Zig-Bee無線網絡后，上位機軟件通過協調節點為其分配相應的坐標。區域內的移動節點根據接收到的固定節點傳輸信號的RSSI值算出與固定節點之間的距離，再通過三邊測量法計算出自己的位置坐標，并將位置坐標通過協調節點上傳到上位機。最后上位機通過系統軟件對位置坐標數據進行處理，實現定位管理。

5 上位機軟件設計

通過對病人定位管理的需求分析，可將上位機軟件分為三大功能模塊：定位模塊、管理模塊和告警模塊。

(1)定位模塊

行程監控：通過一系列的定位數據形成病人的日常活動軌跡，并能根據數據庫中的歷史數據記錄分析某段時間內某個病人的活動情況。

區域人數監控：實時顯示各監控區域內的病人數量。

重點區域監控：對圍墻、大樓出口等重點區域進行監控，防止病人走失、出逃。

(2)管理模塊

人員出入授權管理：對所有人員的區域出入進行授權或者更改權限等操作。

歷史信息記錄：對定位信息進行記錄、保存，可回放任意時段的精神病人定位信息。

(3)告警模塊

非法出入告警：病人非正常出入大門或進出非授權的區域時報警。

設備異常告警：當移動標識卡出現電池低壓、信號采集故障和標識卡失效等情況時，報警通知值班人員采取維修更換等處理。

6 結論

本文主要研究了基于ZigBee無線網絡的醫院精神病人定位管理系統的設計及其在醫院的具體應用實現。該系統可以實現對病人的實時定位和管理，對醫院精神病人的安全管理和信息化有著重大意義，具有良好的實用價值和社會效益。

系統除了具有低成本、低功耗等優勢，同時還有實時性強、定位精度高、監控范圍廣等特點。本系統不僅可以應用于精神病人的管理，還可以推廣到如醫院新生兒管理、養老院老人管理和監獄犯人管理等其他應用領域。

[1]李紅梅．給精神病患者一個歸宿[N]．人民日報，2013-8-2．

[2]胡宏澤．基于ZigBee網絡的移動節點RF I D定位技術的研究與實現[D]．南京：南京航空航天大學，2015．

[3]趙莉，李亞，陳國紹．基于ZigBee的RS S I測距模型[J]．兵工自動化，2014(12)：52-55．

[4]由曉鵬，陳天偉．基于三邊測量原理的用戶定位方法研究[J]．移動通信，2016，40(22)：41-44．