zigbee養(yǎng)老院定位系統

一) 系統背景

養(yǎng)老院主要服務對象是老年人，老齡問題比較突出。因為年齡的偏大，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)老院里的基礎建設日趨先進，一般都配套有花園、健身場所、娛樂場所、休閑場所等。這些設施首先豐富了老人們的生活，為老人的生活添光增彩;同時也給老人們帶來潛在的不便。因為場所涉及的地方大，管理人員不可能顧及到每個位置的每位老人，當老人出現問題時，需要服務人員以最快的速度，找到老人所在位置，進行相應的幫助。所以必須要采取一種有效的方式來照顧老人，而實時確定老人在養(yǎng)老院內的位置，并對其及時提供服務， “定位”更顯重要。

上海逖聘囈岷涎老院的實際情況，研發(fā)出了zigbee養(yǎng)老院定位系統，進而對老人給予更高質量的呵護與照顧。

二) zigbee介紹

zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。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據從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此它們的通信效率非常高。最后，這些數據就可以進入計算機用于分析或者被另外一種無線技術如WiMax收集。zigbee的基礎是IEEE802.15.4，這是IEEE無線個人區(qū)域網(Personal Area Network，PAN)工作組的一項標準，被稱做IEEE802.15.4(zigbee)技術標準。

zigbee不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，因此zigbee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化。完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協調器的32K字節(jié)。每個協調器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。zigbee聯盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。

zigbee可使用的頻段有3個，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。中國采用2.4 GHz頻段，它是免申請和免使用費的頻段;采用直接序列擴頻技術DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，傳輸距離介于10~75 m(增加RF發(fā)射功率，可達500 m);傳輸速率為20~250 kb/s，適合傳感器數據采集和控制數據的傳輸。zigbee技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和MESH網狀網。

1) RSSI定位技術

RSSI[2](Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示)是指基站接收到的無線信號強度大小。在基于接收信號強度指示RSSI 的定位中,已知發(fā)射基站的發(fā)射信號強度,接收基站根據接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗,利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為距離,再利用已有的算法計算出節(jié)點的位置。該技術硬件要求較低、算法相對簡單,在實驗室環(huán)境中表現出良好特性;但由于環(huán)境因素變化的原因,在實際應用中往往還需要改進。接收信號強度是發(fā)射功率和發(fā)射器與接收器間距離的函數。

RSSI=-(10n•lgd+A)(1)

其中，n代表信號傳播常量，也叫傳播指數;d代表距發(fā)射器間的距離;A代表距離1 m時的接收信號強度。

信號的衰減與距離成對數衰減的關系?；镜蕉ㄎ粯撕灥木嚯x越近, 由RSSI值的偏差產生的絕對距離誤差越小;而當距離大于某一值時,由RSSI波動造成的絕對距離誤差將會很大。一個未知基站可能收到n個定位標簽的信號, 所以應當采用RSSI值大幾個基站進行定位計算，這樣可以避免定位誤差擴大。

2) zigbee技術實現定位的優(yōu)勢

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設備非常省電。zigbee設備僅靠2節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，其功耗遠遠低于其他無線設備。

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協議是免專利費的。

3. 時延短

通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms。因此zigbee技術適用于對實時定位要求較高的應用。

4. 網絡容量大

一個星型結構的zigbee網絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，組網方式靈活。隨著zigbee技術的成熟，未來zigbee設備不斷增多，可以利用具有zigbee RF的設備或基礎設施,容易組建zigbee網絡，降低了zigbee節(jié)點設計和組網成本,且利用更多的zigbee設備可以達到更高的定位精度。

三) 方案介紹

每個老人都配帶著一個腕帶，該腕帶內置zigbee的射頻卡，該卡是基于zigbee的無線技術，利用國際通用的2.4~2.5GHz的頻段，腕帶可以主動的向外界發(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的信息，進而了解到是哪個老人的腕帶號?處于什么位置?基站再把讀到的信息發(fā)給電腦。當老人移動到其他地點時，電腦能實時監(jiān)控到具體的位置。當老人在社區(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，以及老人個人的健康狀況、曾患過的疾病等相關信息，為醫(yī)護人員的快速響應、緊急求助提供指引。

四) 產品介紹

1. 腕帶技術

本系統中的產品，均采用2.4GHz的zigbee無線技術，該技術因以主動方式向外發(fā)送數據、傳輸距離遠、輻射非常小、定位精度比較高，非常適合在養(yǎng)老院中使用。腕帶還可以預制芯片，用于門禁開鎖，消費一卡通用途。

2. 基站

基站接受腕帶的信息，通過解調，將數據轉換成數字信號，通過網關連接電腦。腕帶必須與基站配合使用。

基站可任意安裝，不需要進行數據線連接，只要提供電源就可以了，所以不需要進行施工，安裝及其簡單。

3. 網關

網關是讀取基站信號的終端設備，它通過USB接口與計算機連接，將基站的數據通過USB與計算機連接，讀取相關數據。

五) 系統模塊介紹

管理員模塊(權限系統)

1、管理員模塊，管理可以通過登錄后臺，進行軟件管理

2、管理后臺有多個管理目錄，可以通過權限分配管理組，讓多個管理員擁有不同的管理權限。

3、可開設不同用戶帳號和密碼，分權限組管理網站不同模塊;

4、具備權限的分帳戶可登錄管理權限范圍內的模塊，但對于其他模塊則不可見;

5、提供通知系統，系統最高管理員可以發(fā)布全站的通知;

6、提供管理員操作日志

會員管理模塊

1、提供會員系統，可對會員進行增刪改查，密碼重置

2、會員有獨立的資料系統，并可以對資料進行模糊查找，精確查找，每位會員有獨立的多個字段，充值額度，信用額度，以及門鎖開放時間的調整。

3、會員模塊結合卡模塊，及門鎖模塊，相互之間可以查詢關聯

4、與短信系統耦合，可以對某會員，或批量會員進行短信發(fā)送

5、提供會員操作日志