摘要：養(yǎng)老機(jī)構(gòu)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(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，目前主要通過(guò)人工定時(shí)巡查的方式來(lái)發(fā)現(xiàn)老人走失，但效率低下，文章設(shè)計(jì)一種定位胸牌用于解決老人走失的問(wèn)題。胸牌融合GPS定位以及藍(lán)牙信標(biāo)定位、結(jié)合5G NB-IOT傳輸方式，解決室內(nèi)和室外定位，以及滿足長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)要求，為機(jī)構(gòu)養(yǎng)老老人提供舒適簡(jiǎn)單可靠的防走失解決方案。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)老;5G;物聯(lián)網(wǎng);定位;胸牌

中圖分類號(hào)：TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）14-0089-03

根據(jù)2020年第七次全國(guó)人口普查最新結(jié)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(guó)人口普查相比，60 歲及以上人口的比重上升 5.44 個(gè)百分點(diǎn)，65 歲及以 上人口的比重上升 4.63 個(gè)百分點(diǎn)[1]。面對(duì)老齡化形勢(shì)趨勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，國(guó)家提出了多種養(yǎng)老模式，主要分為機(jī)構(gòu)養(yǎng)老和社區(qū)居家養(yǎng)老，而在機(jī)構(gòu)養(yǎng)老中，安全監(jiān)測(cè)是最迫切和實(shí)際的需求，這里面就包含老人的防走失監(jiān)測(cè)，因?yàn)槿绻霈F(xiàn)老人丟失的情況，機(jī)構(gòu)對(duì)此要承擔(dān)主要責(zé)任，所以養(yǎng)老機(jī)構(gòu)不僅要在服務(wù)管理方面標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)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(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的位置信息服務(wù)解決方案。

人員定位系統(tǒng)主要是實(shí)時(shí)獲取老人在養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的定位信息，從而可以及時(shí)對(duì)老人異常危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)警，例如洗手間滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、跨越安全區(qū)域達(dá)到危險(xiǎn)區(qū)域等。目前常規(guī)使用的是安防監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的公共區(qū)域和部分老人房間，采用智能攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)區(qū)域的情況，配合視頻監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，可以第一時(shí)間讓護(hù)工了解現(xiàn)場(chǎng)情況。例如老人離開安全區(qū)域報(bào)警到后臺(tái)或老人按下求救報(bào)警按鍵，后臺(tái)監(jiān)控人員可以第一時(shí)間通過(guò)監(jiān)控確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)的情況，以便為接下來(lái)的措施提供依據(jù)和方案，但攝像頭方案存在侵犯?jìng)€(gè)人隱私，需要有人監(jiān)控大屏，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本高和攝像頭存在覆蓋死角等方面問(wèn)題，所以基于攝像頭的防護(hù)僅作為定位的一個(gè)補(bǔ)充，在發(fā)生定位事件的情況下，可以聯(lián)動(dòng)攝像頭，迅速查看，提高時(shí)效。定位產(chǎn)品的形態(tài)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(fā)癥等影響，容易發(fā)生走失或走丟的問(wèn)題，即便在較為封閉的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)當(dāng)中，也會(huì)有老人因?yàn)樽叩降叵峦＼噲?chǎng)、活動(dòng)廣場(chǎng)以外區(qū)域等導(dǎo)致走失的情況，目前機(jī)構(gòu)養(yǎng)老中針對(duì)老人的走失走丟問(wèn)題主要是從服務(wù)管理上下手，例如增加護(hù)理頻次、增加監(jiān)控?cái)z像頭等。但這里面有兩方面的不足：一是增加護(hù)理頻次導(dǎo)致人工成本增加;二是監(jiān)控?cái)z像頭有盲區(qū)，且針對(duì)一些隱私區(qū)域無(wú)法安裝;目前主流的定位方案從應(yīng)用角度主要有兩種：室內(nèi)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(wèi)星定位系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)定位，用戶需要攜帶相應(yīng)的定位器，用于衛(wèi)星信號(hào)的接收和定位解析，目前在手機(jī)等設(shè)備應(yīng)用廣泛，針對(duì)老人防丟場(chǎng)景，可以利用GPS設(shè)置電子圍欄，一旦老人跨越圍欄，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，護(hù)理人員及時(shí)進(jìn)行處理。但這有幾個(gè)弊端：

lGPS等衛(wèi)星定位在室內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

lGPS定位信息不間斷定時(shí)發(fā)送，耗電量大。

所以針對(duì)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)等場(chǎng)景，產(chǎn)生了室內(nèi)定位。

1.2 室內(nèi)定位

室內(nèi)定位目前主要有三種方式，一是藍(lán)牙信標(biāo)定位，二是藍(lán)牙AOA定位，三是UWB定位。室內(nèi)定位需要根據(jù)室內(nèi)平面圖生成3D地圖，這個(gè)地圖包含了處理空間或地理信息的各種基礎(chǔ)的和高級(jí)的功能，其基本功能包括收集、管理和分析數(shù)據(jù)[1]。藍(lán)牙信標(biāo)定位需要室內(nèi)布置定位信標(biāo)，用戶攜帶定位標(biāo)簽，藍(lán)牙AOA需要室內(nèi)建筑布置藍(lán)牙AOA基站，用戶攜帶定位標(biāo)簽。UWB定位需要室內(nèi)建筑布置UWB基站，用戶攜帶標(biāo)簽。藍(lán)牙AOA基站和UWB基站都是用來(lái)持續(xù)掃描標(biāo)簽信號(hào)，從而利用位置引擎進(jìn)行坐標(biāo)解析。室內(nèi)定位可以方便對(duì)老人進(jìn)行室內(nèi)定位，精度1～5m不等，AOA系統(tǒng)是采用先進(jìn)的藍(lán)牙低功耗的專有技術(shù)，通過(guò)到達(dá)角度信號(hào)處理機(jī)制 以及先進(jìn)的定位算法實(shí)現(xiàn)對(duì)人員和物品的精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)精確定位和低功耗完美結(jié)合。該系統(tǒng)主要應(yīng)用在室內(nèi)定位，能夠?yàn)闃?biāo)簽提供室內(nèi)的精確定位：跟蹤人員在室內(nèi)的活動(dòng)軌跡，提供人員室內(nèi)準(zhǔn)確位置的實(shí)時(shí)顯示，保護(hù)室內(nèi)固定資產(chǎn)的安全以及門禁控制。AOA系統(tǒng)采用先進(jìn)的到達(dá)角度算法技術(shù)，利用兩個(gè)不同位置天線和標(biāo)簽發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)之間形成的信號(hào)強(qiáng)度差、角度差、時(shí)間差，交匯計(jì)算出標(biāo)簽位置。因此，一臺(tái)藍(lán)牙 AOA 基站可以能達(dá)到高精度定位，多臺(tái)藍(lán)牙 AOA 基站能夠相互協(xié)同工作，擴(kuò)大高精度定位范圍的同時(shí)，提高標(biāo)簽的定位精度，但也有以下幾個(gè)弊端：

l基站需要對(duì)建筑進(jìn)行布線通電等施工，相對(duì)復(fù)雜。

l室內(nèi)定位成本較高，需要對(duì)室內(nèi)區(qū)域布置大量的基站或信標(biāo)。

如圖1，是一個(gè)典型的室內(nèi)定位3D地圖。

2 融合方案

針對(duì)機(jī)構(gòu)養(yǎng)老的場(chǎng)景，以及目前定位技術(shù)的現(xiàn)狀，筆者提出一種多模態(tài)融合的解決方案，即室外GPS和藍(lán)牙信標(biāo)融合。當(dāng)老人在室內(nèi)活動(dòng)時(shí)，攜帶的定位器里面藍(lán)牙定功耗BLE處于接收狀態(tài)，功耗典型值峰值約為5mA，平均功耗可以做到十幾u(yù)A。不斷掃描藍(lán)牙信標(biāo)的廣播信號(hào)，而藍(lán)牙信標(biāo)安置在大門出入口、電梯口、活動(dòng)廣場(chǎng)出入口等處，當(dāng)檢測(cè)到老人出大門狀態(tài)，定位器啟動(dòng)GPS實(shí)時(shí)定位，定位間隔30s一次，同時(shí)定位器通過(guò)NB發(fā)送報(bào)警信息到后臺(tái)，定位數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，護(hù)理人員通過(guò)監(jiān)控及時(shí)甄別是否需要人工干預(yù)。

本方案的好處經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證有如下優(yōu)勢(shì)：

l通過(guò)胸牌甚至徽章的形式作為定位標(biāo)簽，攜帶方便，相對(duì)傳統(tǒng)可穿戴式產(chǎn)品體驗(yàn)感更好。

l整機(jī)待機(jī)時(shí)長(zhǎng)更久，可以做到一個(gè)月一充。

l可以與監(jiān)控視頻聯(lián)動(dòng)，降低誤報(bào)導(dǎo)致人工現(xiàn)場(chǎng)處理頻次，提高人員效率。

l整體硬件成本較低，部署簡(jiǎn)單。

本方案在實(shí)際開發(fā)中需要解決幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，一個(gè)是如何通過(guò)藍(lán)牙信標(biāo)判斷人員的出入，二是如何做到低功耗，從而延長(zhǎng)整機(jī)的工作時(shí)長(zhǎng)。

2.1 出入的判斷

藍(lán)牙信標(biāo)安置在出入口的頂部，當(dāng)老人攜帶標(biāo)簽靠近時(shí)候，可以檢測(cè)到相應(yīng)信標(biāo)的藍(lán)牙廣播信號(hào)，但此時(shí)不能立即報(bào)警，否則很容易誤判斷，設(shè)備需要準(zhǔn)確判斷出老人出門和進(jìn)門，這樣可以準(zhǔn)確報(bào)警和消除報(bào)警，避免不必要的人工干預(yù)。所以如何準(zhǔn)確高效判斷老人出入大門或路口是需要解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為此筆者提出一種簡(jiǎn)單有效的方法：

基于RSSI測(cè)距是利用信號(hào)傳輸過(guò)程中的接收信號(hào)強(qiáng)度值和距離關(guān)系公式解算公式中的參數(shù)，并將采集 的RSSI值納入公式得到相應(yīng)的距離[1]。通過(guò)檢測(cè)RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度）的變化來(lái)判斷出門還是進(jìn)門，不需要三角定位，單個(gè)信標(biāo)即可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。RSSI = 10*logP，P代表胸牌接收到的廣播藍(lán)牙信標(biāo)的信號(hào)功率，因?yàn)樗{(lán)牙信標(biāo)會(huì)不斷廣播信號(hào)，胸牌與藍(lán)牙信標(biāo)的距離依據(jù)接收到的信號(hào)功率可以計(jì)算出來(lái)。距離計(jì)算公式如下：

[d=10（RSSI-A10*n）]

其中：

d：胸牌與藍(lán)牙信標(biāo)之間的距離，單位m

RSSI：胸牌接收到藍(lán)牙信標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度，單位dBm

A：發(fā)射端和接收端相隔1米時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度

n：環(huán)境衰減因子

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，A值的最佳范圍為45～49，n值最佳范圍為3.25～4.5。

2.2 數(shù)據(jù)分析

老人佩戴胸牌在接近門口信標(biāo)過(guò)程中，胸牌作為接收信號(hào)強(qiáng)度的標(biāo)簽，會(huì)不斷計(jì)算胸牌與信標(biāo)的位置，同時(shí)對(duì)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(biāo)安裝在門口頂部，距地面大概2.7m左右，測(cè)得三種情形下距離的變化如下圖所示：

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波之后，分別進(jìn)行一階求導(dǎo)，得到過(guò)零點(diǎn)的值，判斷過(guò)零點(diǎn)的距離值是否小于閾值（例如2m），如果以上條件滿足，則標(biāo)記預(yù)出門，繼續(xù)檢測(cè)距離變化，如果再次檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)且零點(diǎn)距離值小于閾值，則表明老人返回門內(nèi)。如果一直沒(méi)有檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)且距離大于5m則標(biāo)記出門，設(shè)備發(fā)出報(bào)警信號(hào)到后臺(tái)。

2.3 低功耗的設(shè)計(jì)

定位器融合了室內(nèi)和室外定位，老人大多時(shí)間是在養(yǎng)老機(jī)構(gòu)活動(dòng)的，如果GPS定位間隔定位，所產(chǎn)生的功耗也是巨大的，例如10分鐘定位一次，一個(gè)100mAh的電池工作不到兩天，反復(fù)充電會(huì)給護(hù)理人員原本繁重的工作增加工作量，產(chǎn)品也得不到很好實(shí)際效果，結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景，本設(shè)計(jì)結(jié)合運(yùn)動(dòng)探測(cè)，創(chuàng)新性增加了三軸加速度傳感器，通過(guò)X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)加速度，實(shí)時(shí)提取到對(duì)應(yīng)的特征波形，從而判斷老人是否在步行，當(dāng)老人未在步行的時(shí)候，設(shè)備完全休眠，當(dāng)老人步行的時(shí)候，啟動(dòng)藍(lán)牙探測(cè)，如果藍(lán)牙檢測(cè)到門口的信標(biāo)，則發(fā)送報(bào)警信息到后臺(tái)，后臺(tái)決定是否啟動(dòng)GPS定位。

2.4 步行的判斷

在實(shí)際養(yǎng)老機(jī)構(gòu)場(chǎng)景下，老人佩戴定位胸牌后，日?；顒?dòng)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(jí)別來(lái)劃分，例如失智照護(hù)專區(qū)、介護(hù)專區(qū)等，一般情況下定位藍(lán)牙信標(biāo)安裝在建筑物的出入口，傳統(tǒng)的慣性傳感器無(wú)法識(shí)別室內(nèi)人員在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（上下樓梯、上下電梯），這就導(dǎo)致了現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別方法局限于只能在同一個(gè)平面樓層發(fā)揮作用，在識(shí)別人員垂直方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)顯得十分不穩(wěn)定[1]，針對(duì)乘坐電梯情況，可以增加氣壓傳感器。但我們?yōu)榱撕?jiǎn)化軟硬件設(shè)計(jì)，只需要判斷老人在平整地面上的步行狀態(tài)即可，在平整地面上步行時(shí)，在垂直（Y方向）和前進(jìn)（Z方向）兩個(gè)加速度會(huì)呈現(xiàn)周期性變化，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通過(guò)X、Y、Z求平方和再開根號(hào)，得到一個(gè)一維的加速度數(shù)據(jù)Vm，如下圖4所示，可以很清楚看到狀態(tài)波形是周期性變化，利用決策樹將特征值和設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而完成對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的識(shí)別[5]，甚至完成走和跑的識(shí)別，但本設(shè)計(jì)只需要通過(guò)幅值閾值和一階過(guò)零點(diǎn)就可以判斷步行狀態(tài)。

3 總結(jié)

針對(duì)養(yǎng)老的設(shè)備，目的是保障老人日常活動(dòng)的基本安全，需要考慮及時(shí)性和易用性，在智慧養(yǎng)老中，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)化、信息化、多場(chǎng)景化等結(jié)合，旨在提高養(yǎng)老服務(wù)運(yùn)營(yíng)效率，降低養(yǎng)老服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。本研究中，通過(guò)室內(nèi)室外定位的融合，結(jié)合5G NB-IOT技術(shù)，設(shè)計(jì)一種電子胸牌，解決機(jī)構(gòu)養(yǎng)老的老人意外走失問(wèn)題，科技助力養(yǎng)老，并以此提升養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的價(jià)值，改善老人養(yǎng)老的安全環(huán)境。

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收稿日期：2022-01-12

作者簡(jiǎn)介：皮禮明（1988—），男，中級(jí)職稱，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、醫(yī)療電子等。