基于室内定位技术的空巢老人运动轨迹可视化

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　　摘  要：空巢老人平时的生活都是在无人看护的情况下，为了提高居家养老监护系统对危险事件的防范能力，本文一方面可视化老人在室内的运动轨迹，实时追踪老人在室内的位置;另一方面在危险多发位置进行智能的提醒，从而减少危险事件的发生。实验证明，基于蓝牙的室内定位技术能够准确地定位老人在室内的位置，实现在无人监护的情况下，能够合理、实时地对老人进行安全提醒，从而减少危险事件的发生。
　　关键词：室内定位;低功耗蓝牙;云平台;运动轨迹;安全提醒
　　中图分类号：TP39     文献标识码：A
　　1   引言（Introduction）
　　随着我国人口老龄化程度的加剧，养老问题成为社会关注的热点。目前，居家养老成为目前大多数老人偏爱的一种养老方式，但是随着老人身体机能的下降，记忆力随之也出现减退，经常出现忘记关水、煤气甚至重复吃药等情况。居家养老的关键问题是如何保证老人的安全，监护人一方面想实时获知老人在家的生活状况;另一方面想通过智能化的手段，防止危险事件发生，或者是在危险发生后，能够第一时间了解情况，并进行及时的处理，因此辅助监护系统已成为当前研究的热点。
　　在居家环境下，危险事件的发生一般与室内位置有一定的关系，如摔倒经常发生在卫生间，而忘记关闭煤气则发生在厨房，如果能在事件多发的区域给予老人合理的安全提醒，就可以减少危险事件的发生。准确的室内定位是非常重要的，目前室内定位主流的技术主要包括RFID（Radio Frequency Identification）、无线Wi-Fi、BLE（Bluetooth Low Energy）、ZigBee、图像处理等技术，鉴于对使用者隐私的保护，近年来基于低功耗蓝牙的室内定位得到了广泛的应用。智能手机已经进入了大众的生活，其内置了无线WIFI、蓝牙、加速度等传感器，因此智能手机成为智能监护系统的主流设备。
　　鉴于以上原因，融合室内定位技术，开发设计一套基于智能手机的智能监护系统，该系统一方面对老人的运动轨迹进行可视化;另一方面在关键位置点，如厨房、卫生间、药箱等位置，实时向老人发出安全提醒，从而减少危险事件的发生。
　　2   相关工作（Related work）
　　2.1   系统结构
　　智能监护系统一方面为被照顾者提供智能的居家服务，另一方面为监护者搭建实时获知老人在家生活状况的平台。本系统主要包括室内定位、智能决策、综合应用三个模块，如图1所示。室内定位模块是本系统的核心模块，其性能直接决定着整个系统的准确性与合理性，首先通过智能手机采集来自Beacon的数据，并上传到云端服务器，然后在服务器端进行滤波处理，并将数据送入定位模型，从而得到定位结果。当手机处于或者接近Beacon的临近范围，将会自动触发异步事件的发生，进而由智能决策模块依据环境信息，进行综合决策，智能化的开启安全提醒、运动轨迹可视化等综合性的服务。
　　综合应用主要包括两个手机APP，其中一个主要应用于被照顾者，依据老人在室内的位置，实时进行合理、智能的安全提醒;另一个则是为监护人设计开发的，用于远程获取老人在家的运动轨迹、室内、室外位置等信息。
　　本系统提供室内、室外定位的无缝对接，当系统监测到老人离开家、外出时，自主完成从室内定位到室外定位的切换。室内定位是基于BLE技术开发的，主要依据RSSI（（Received Signal Strength Indication））值来完成定位[1，2];而在室外，由于没有了室内环境的影响，GPS（Global Positioning System）信号相对稳定，又由于GPS是一种准确并且广泛应用于室外的定位技术[3]，因此室外定位是基于GPS技术设计的。
　　2.2   定位设备部署
　　考虑到室内定位设备的功耗性，本系统选自Estimote公司的Beacon设备，在室内关键位置（厨房、卫生间、卧室、客厅、药箱、门厅）的天花板上安装Proximity Beacon设备。为了减少蓝牙信号之间的相互干扰，适当调整Beacon之间的直线距离Dij，使得Dij?[2米，3米]，将居家生活环境分为7个可监控的独立区域，记为Pi?{厨房，卫生间，卧室1，卧室2，客厅，药箱，门厅}。
　　在云平台配置Proximity Beacon的相关参数，一方面设置广播功率（Broadcasting Power）为-4dBm、广播包时间间隔为200毫秒;另一方面配置Beacon的标签（Tags）、附加信息（attachment）[4]，如表1所示。依据室内的物理布局，设置各个Beacon的标签选项，建立Beacon与室内位置的对应关系，由于“卫生间”与“客厅”之间有蓝牙信号的重叠的区域，因此安装在“卫生间”的Beacon有两个标签，分别为“bathroom”和“hallway”;“客厅”与“门厅”相连，而且“药箱”也位于客厅内，因此“客厅”内的Beacon有“livingroom”“hallway”“medicine-chest”三个标签。
　　为了实现在室内关键位置点，向老人发送合理的安全提醒，在Beacon的附加信息中增加“remind”选项，并设置相应的安全提醒信息[5，6]。实时监听Beacon的enter/exit事件，用于获取老人在室内的位置，当检测到老人进入卫生间时，提醒老人“小心滑到”;而当老人多次出现在药箱附件，智能决策模塊可以依据环境信息提醒老人“已经吃过药”或者“吃药时间未到”。
　　3   智能服务模型（Intelligent service model）
　　室内定位功能是基本蓝牙技术开发设计的，需要使用者携带智能手机，要求手机开启蓝牙功能，用于接收来自Beacon的蓝牙广播包;另外手机还需要开启网络通讯功能，用于从云端服务器获取信息，或者将信息发送给服务器并进行存储。 　　由于RSSI值与距离之间存在一定的衰减规律，Beacon的发射半径在0—12m时，RSSI具有线性的衰减关系。当使用者进入某一区域时，RSSI的值在某一特定区间，随之onEnter事件被触发;离开某一区域时，触发onExit发生;而当使用者在某一区域内活动，但是没有离开该区域时onContextChange事件会被触发，对以上三个事件进行实时监控，就可以得到使用者在室内的位置。当以上事件被触发时，一方面获取系统时间、手机SIM卡的卡号，本系统主要应用SIM卡的卡号区别不用的使用者;另一方面依据当前的位置切换相应的虚拟地图，对老人在室内的位置进行可视化[7，8];最后将当前位置信息上传到服务器，便于后期对老人生活状态进行分析。智能服务算法描述如下：
　　鉴于监护人对老人身体状况、生活习惯有一定的了解，基于这些先验知识，建立安全提醒信息集，在云平台配置各个区域Beacon的附加信息。当老人进入某一区域，从云平台获取该Beacon的附加信息（attachment），读取“remind”选项的值，并以语音的方式进行安全提醒。
　　4   实验结果（Experiment）
　　本系统的实验环境是一个二居室的居家环境，收集志愿者在室内生活的数据，主要是指RSSI数据，数据格式为{时间，Beacon设备编号，RSSI值}。收集30分鐘的实验数据，并从云平台获取老人在室内的位置，室内位置变化的情况如图2所示，其中有53%的时间在客厅活动，31%在卧室，仅有16%的时间在厨房。
　　监护人可以远程监护老人在室内的位置，以及在房间内停留的时间，如图3和图4所示。2019年11月6日，14：00时，老人先后两次来到厨房，停留时间共为12分钟左右;而16：00时到18：00时，老人在厨房活动一次，停留时间为28分钟左右。
　　5   结论（Conclusion）
　　基于室内定位技术，本系统一方面对老人在室内的位置进行可视化，另一方面对老人进行智能的安全提醒，提示潜在的危险，从而减少了危险事件的发生，在不侵犯个人隐私的情况下，搭建一套可视化的智能监护平台。由于本系统的安全提醒信息库是静态的，因此安全提醒相对单一化、固定化、模式化，今后将进一步增加对安全事件的智能分析，构建动态的安全提醒信息库，进一步提高空巢老人的生活质量。
　　参考文献（References）
　　[1] Wu Z，Fu K，Jedari E，et al.A Fast and Resource Efficient Method for Indoor Positioning Using Received Signal Strength[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016，65（12）：9747-9758.
　　[2] Shumin C，Xiaotian Q，Jia M，et al.RSSI-Based Twice Location Method for Indoor Positioning[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2015，28（4）：572-577.
　　[3] Morosi S，Martinelli A，Enrico Del Re.Peer‐to‐peer cooperation for GPS positioning[J].International Journal of Satellite Communications & Networking，2017，35（4）：323-341.
　　[4] Mohebbi Parisa，Stroulia Eleni，Nikolaidis Ioanis.Sensor-Data Fusion for Multi-Person Indoor Location Estimation[J].Sensors，2017（10）：2378-2379.
　　[5] 万爽.基于Android平台的即时位置信息推送系统设计与实现[D].西南交通大学，2016：27-36.
　　[6] 陈诚，吴华瑞.个性化多媒体农业信息推送系统[J].江苏农业科学，2014（9）：395-399.
　　[7] 马啸天.基于室内定位技术的超市智能导购系统的设计与实现[D].山东建筑大学，2019：26-30.
　　[8] 秦坤.WIFI室内定位数据的可视化系统[D].中国矿业大学，2019：30-38.
　　作者简介：
　　苏春芳（1979-），女，硕士，讲师.研究领域：物联网，人工智能.
　　尤彩萍（1975-），女，本科，副教授.研究领域：软件技术.
　　郑  伟（1976-），女，本科，副教授.研究领域：多媒体方向.
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