zigbee養(yǎng)老院定位系統(tǒng)

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(wèn)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(lè)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(lái)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(wèn)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(lái)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。

上海逖聘囈岷涎老院的實(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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)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(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。它有自己的無(wú)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(guò)無(wú)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(wú)線技術(shù)如WiMax收集。zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，這是IEEE無(wú)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(méi)有限制。zigbee聯(lián)盟還開(kāi)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(guó)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(guó)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(shù)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(wú)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(wú)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(lái)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(wú)線技術(shù)，利用國(guó)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(guò)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(wú)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。腕帶還可以預(yù)制芯片，用于門(mén)禁開(kāi)鎖，消費(fèi)一卡通用途。

2. 基站

基站接受腕帶的信息，通過(guò)解調(diào)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)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(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接，將基站的數(shù)據(jù)通過(guò)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

管理員模塊(權(quán)限系統(tǒng))

1、管理員模塊，管理可以通過(guò)登錄后臺(tái)，進(jìn)行軟件管理

2、管理后臺(tái)有多個(gè)管理目錄，可以通過(guò)權(quán)限分配管理組，讓多個(gè)管理員擁有不同的管理權(quán)限。

3、可開(kāi)設(shè)不同用戶帳號(hào)和密碼，分權(quán)限組管理網(wǎng)站不同模塊;

4、具備權(quán)限的分帳戶可登錄管理權(quán)限范圍內(nèi)的模塊，但對(duì)于其他模塊則不可見(jiàn);

5、提供通知系統(tǒng)，系統(tǒng)最高管理員可以發(fā)布全站的通知;

6、提供管理員操作日志

會(huì)員管理模塊

1、提供會(huì)員系統(tǒng)，可對(duì)會(huì)員進(jìn)行增刪改查，密碼重置

2、會(huì)員有獨(dú)立的資料系統(tǒng)，并可以對(duì)資料進(jìn)行模糊查找，精確查找，每位會(huì)員有獨(dú)立的多個(gè)字段，充值額度，信用額度，以及門(mén)鎖開(kāi)放時(shí)間的調(diào)整。

3、會(huì)員模塊結(jié)合卡模塊，及門(mén)鎖模塊，相互之間可以查詢關(guān)聯(lián)

4、與短信系統(tǒng)耦合，可以對(duì)某會(huì)員，或批量會(huì)員進(jìn)行短信發(fā)送

5、提供會(huì)員操作日志