一個應用于養老機構的5G定位胸牌的設計

摘要：養老機構大部分老人是失能、半失能或失智老人，且老人普遍存在記憶衰退的情況，走失的現象時有發生，目前主要通過人工定時巡查的方式來發現老人走失，但效率低下，文章設計一種定位胸牌用于解決老人走失的問題。胸牌融合GPS定位以及藍牙信標定位、結合5G NB-IOT傳輸方式，解決室內和室外定位，以及滿足長時間待機要求，為機構養老老人提供舒適簡單可靠的防走失解決方案。

關鍵詞：養老;5G;物聯網;定位;胸牌

中圖分類號：TP391? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）14-0089-03

根據2020年第七次全國人口普查最新結果，60歲及以上人口為264018766人，占18.70%，其中65歲及以上人口為 190635280人，占比13.50%，2010 年第六次全國人口普查相比，60 歲及以上人口的比重上升 5.44 個百分點，65 歲及以 上人口的比重上升 4.63 個百分點[1]。面對老齡化形勢趨勢越來越嚴峻，國家提出了多種養老模式，主要分為機構養老和社區居家養老，而在機構養老中，安全監測是最迫切和實際的需求，這里面就包含老人的防走失監測，因為如果出現老人丟失的情況，機構對此要承擔主要責任，所以養老機構不僅要在服務管理方面標準化和精細化，在科技化方面也需要有更好的解決方案，為此筆者提出針對養老機構的位置信息服務解決方案。

人員定位系統主要是實時獲取老人在養老機構的定位信息，從而可以及時對老人異常危險情況進行預警，例如洗手間滯留時間過長、跨越安全區域達到危險區域等。目前常規使用的是安防監控系統，視頻監控系統覆蓋養老機構的公共區域和部分老人房間，采用智能攝像頭，實時監控各個區域的情況，配合視頻監控子系統實現聯動，可以第一時間讓護工了解現場情況。例如老人離開安全區域報警到后臺或老人按下求救報警按鍵，后臺監控人員可以第一時間通過監控確認現場的情況，以便為接下來的措施提供依據和方案，但攝像頭方案存在侵犯個人隱私，需要有人監控大屏，導致運營成本高和攝像頭存在覆蓋死角等方面問題，所以基于攝像頭的防護僅作為定位的一個補充，在發生定位事件的情況下，可以聯動攝像頭，迅速查看，提高時效。定位產品的形態大多采用表式裝置扣在老年人手腕上，需要有防脫落、防松扣、難摘取功能，也可掛于胸前，或縫在衣服上等[1]。

1 定位主流解決方案

隨著老人由于記憶力衰退、視力下降、慢性病并發癥等影響，容易發生走失或走丟的問題，即便在較為封閉的養老機構當中，也會有老人因為走到地下停車場、活動廣場以外區域等導致走失的情況，目前機構養老中針對老人的走失走丟問題主要是從服務管理上下手，例如增加護理頻次、增加監控攝像頭等。但這里面有兩方面的不足：一是增加護理頻次導致人工成本增加;二是監控攝像頭有盲區，且針對一些隱私區域無法安裝;目前主流的定位方案從應用角度主要有兩種：室內定位和室外定位。

1.1 室外定位

室外定位主要利用GPS和北斗等衛星定位系統，從而實現定位，用戶需要攜帶相應的定位器，用于衛星信號的接收和定位解析，目前在手機等設備應用廣泛，針對老人防丟場景，可以利用GPS設置電子圍欄，一旦老人跨越圍欄，系統發出報警信號，護理人員及時進行處理。但這有幾個弊端：

lGPS等衛星定位在室內無法實現。

lGPS定位信息不間斷定時發送，耗電量大。

所以針對養老機構等場景，產生了室內定位。

1.2 室內定位

室內定位目前主要有三種方式，一是藍牙信標定位，二是藍牙AOA定位，三是UWB定位。室內定位需要根據室內平面圖生成3D地圖，這個地圖包含了處理空間或地理信息的各種基礎的和高級的功能，其基本功能包括收集、管理和分析數據[1]。藍牙信標定位需要室內布置定位信標，用戶攜帶定位標簽，藍牙AOA需要室內建筑布置藍牙AOA基站，用戶攜帶定位標簽。UWB定位需要室內建筑布置UWB基站，用戶攜帶標簽。藍牙AOA基站和UWB基站都是用來持續掃描標簽信號，從而利用位置引擎進行坐標解析。室內定位可以方便對老人進行室內定位，精度1～5m不等，AOA系統是采用先進的藍牙低功耗的專有技術，通過到達角度信號處理機制 以及先進的定位算法實現對人員和物品的精準定位，實現精確定位和低功耗完美結合。該系統主要應用在室內定位，能夠為標簽提供室內的精確定位：跟蹤人員在室內的活動軌跡，提供人員室內準確位置的實時顯示，保護室內固定資產的安全以及門禁控制。AOA系統采用先進的到達角度算法技術，利用兩個不同位置天線和標簽發射的無線電信號之間形成的信號強度差、角度差、時間差，交匯計算出標簽位置。因此，一臺藍牙 AOA 基站可以能達到高精度定位，多臺藍牙 AOA 基站能夠相互協同工作，擴大高精度定位范圍的同時，提高標簽的定位精度，但也有以下幾個弊端：

l基站需要對建筑進行布線通電等施工，相對復雜。

l室內定位成本較高，需要對室內區域布置大量的基站或信標。

如圖1，是一個典型的室內定位3D地圖。

2 融合方案

針對機構養老的場景，以及目前定位技術的現狀，筆者提出一種多模態融合的解決方案，即室外GPS和藍牙信標融合。當老人在室內活動時，攜帶的定位器里面藍牙定功耗BLE處于接收狀態，功耗典型值峰值約為5mA，平均功耗可以做到十幾uA。不斷掃描藍牙信標的廣播信號，而藍牙信標安置在大門出入口、電梯口、活動廣場出入口等處，當檢測到老人出大門狀態，定位器啟動GPS實時定位，定位間隔30s一次，同時定位器通過NB發送報警信息到后臺，定位數據和視頻監控進行聯動，護理人員通過監控及時甄別是否需要人工干預。

本方案的好處經過實際驗證有如下優勢：

l通過胸牌甚至徽章的形式作為定位標簽，攜帶方便，相對傳統可穿戴式產品體驗感更好。

l整機待機時長更久，可以做到一個月一充。

l可以與監控視頻聯動，降低誤報導致人工現場處理頻次，提高人員效率。

l整體硬件成本較低，部署簡單。

本方案在實際開發中需要解決幾個關鍵技術問題，一個是如何通過藍牙信標判斷人員的出入，二是如何做到低功耗，從而延長整機的工作時長。

2.1 出入的判斷

藍牙信標安置在出入口的頂部，當老人攜帶標簽靠近時候，可以檢測到相應信標的藍牙廣播信號，但此時不能立即報警，否則很容易誤判斷，設備需要準確判斷出老人出門和進門，這樣可以準確報警和消除報警，避免不必要的人工干預。所以如何準確高效判斷老人出入大門或路口是需要解決的一個關鍵技術問題，為此筆者提出一種簡單有效的方法：

基于RSSI測距是利用信號傳輸過程中的接收信號強度值和距離關系公式解算公式中的參數，并將采集 的RSSI值納入公式得到相應的距離[1]。通過檢測RSSI（接收信號強度）的變化來判斷出門還是進門，不需要三角定位，單個信標即可簡單實現。RSSI = 10*logP，P代表胸牌接收到的廣播藍牙信標的信號功率，因為藍牙信標會不斷廣播信號，胸牌與藍牙信標的距離依據接收到的信號功率可以計算出來。距離計算公式如下：

[d=10（RSSI-A10*n）]

其中：

d：胸牌與藍牙信標之間的距離，單位m

RSSI：胸牌接收到藍牙信標的信號強度，單位dBm

A：發射端和接收端相隔1米時的信號強度

n：環境衰減因子

通過實驗，A值的最佳范圍為45～49，n值最佳范圍為3.25～4.5。

2.2 數據分析

老人佩戴胸牌在接近門口信標過程中，胸牌作為接收信號強度的標簽，會不斷計算胸牌與信標的位置，同時對老人是否真的離開大門出去做出判斷。筆者模擬了兩種出入大門的情形，分別是出門、出門后立即返回。胸牌掛在胸口前面，信標安裝在門口頂部，距地面大概2.7m左右，測得三種情形下距離的變化如下圖所示：

對數據進行平滑濾波之后，分別進行一階求導，得到過零點的值，判斷過零點的距離值是否小于閾值（例如2m），如果以上條件滿足，則標記預出門，繼續檢測距離變化，如果再次檢測到過零點且零點距離值小于閾值，則表明老人返回門內。如果一直沒有檢測到過零點且距離大于5m則標記出門，設備發出報警信號到后臺。

2.3 低功耗的設計

定位器融合了室內和室外定位，老人大多時間是在養老機構活動的，如果GPS定位間隔定位，所產生的功耗也是巨大的，例如10分鐘定位一次，一個100mAh的電池工作不到兩天，反復充電會給護理人員原本繁重的工作增加工作量，產品也得不到很好實際效果，結合實際場景，本設計結合運動探測，創新性增加了三軸加速度傳感器，通過X、Y、Z三個方向的運動加速度，實時提取到對應的特征波形，從而判斷老人是否在步行，當老人未在步行的時候，設備完全休眠，當老人步行的時候，啟動藍牙探測，如果藍牙檢測到門口的信標，則發送報警信息到后臺，后臺決定是否啟動GPS定位。

2.4 步行的判斷

在實際養老機構場景下，老人佩戴定位胸牌后，日常活動包括上下床、上下樓梯等，老人大多生活在多層的建筑中，樓層之間按照不同照顧級別來劃分，例如失智照護專區、介護專區等，一般情況下定位藍牙信標安裝在建筑物的出入口，傳統的慣性傳感器無法識別室內人員在垂直方向上的運動狀態（上下樓梯、上下電梯），這就導致了現有的運動狀態識別方法局限于只能在同一個平面樓層發揮作用，在識別人員垂直方向的運動時顯得十分不穩定[1]，針對乘坐電梯情況，可以增加氣壓傳感器。但我們為了簡化軟硬件設計，只需要判斷老人在平整地面上的步行狀態即可，在平整地面上步行時，在垂直（Y方向）和前進（Z方向）兩個加速度會呈現周期性變化，為了簡化計算，通過X、Y、Z求平方和再開根號，得到一個一維的加速度數據Vm，如下圖4所示，可以很清楚看到狀態波形是周期性變化，利用決策樹將特征值和設定的閾值進行比較，從而完成對人體運動的識別[5]，甚至完成走和跑的識別，但本設計只需要通過幅值閾值和一階過零點就可以判斷步行狀態。

3 總結

針對養老的設備，目的是保障老人日常活動的基本安全，需要考慮及時性和易用性，在智慧養老中，通過物聯網化、信息化、多場景化等結合，旨在提高養老服務運營效率，降低養老服務風險。本研究中，通過室內室外定位的融合，結合5G NB-IOT技術，設計一種電子胸牌，解決機構養老的老人意外走失問題，科技助力養老，并以此提升養老機構的價值，改善老人養老的安全環境。

參考文獻：

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收稿日期：2022-01-12

作者簡介：皮禮明（1988—），男，中級職稱，研究方向為物聯網、醫療電子等。