CN102843646A - 养老院智能报警定位系统 - Google Patents

Abstract

一种养老院智能报警定位系统，包括无线传感定位网络、外部报警电路、定位显示模块，其中，无线传感定位网络包括：一个协调器、多个参考节点和多个盲节点；外部报警电路，用于接收由所述腕带内的无线发射报警模块发出的报警信息，并将该信息传递给定位显示模块的计算机，同时激发报警音；定位显示模块，用于对接收到的信息的进行定位计算和显示，包括用于计算并储存数据的计算机以及至少一台显示终端。本发明采用ZigBee的定位技术，由于ZigBee的标准为免费使用的无线通信标准，所以成本低；ZigBee无线模块具有低耗电的特点，可以长时间使用而不更换电池；结构简单，可以实现其小型化，重量轻，便于包装与携带；能够定位，可以实时监护。

Description

养老院智能报警定位系统

技术领域

本发明涉及一种报警定位系统，具体涉及一种基于ZigBee无线传感技术的养老院智能报警定位系统。

背景技术

随着我国人口老龄化的加速，养老院、老年公寓等社会性的养老机构的需求在不断地增加。目前的养老机构缺乏能够时刻对老人健康监护的系统和能够让老人在紧急时刻报警并定位的随身装置。

中国专利号为200520108190.5的专利公开了一种老人监护报警系统，它主要由老人随身佩戴的一个人体姿态传感器及无线发射装置、将室内房间划分为多个区域的人体热释电红外传感器及无线发射装置、和市话交换机连接并用无线接收装置和前二者保持联络的室内主机以及放置在救护中心的接收报警和管理系统四部分组成。该系统主要应用于单身老人遇突发疾病或意外的求助报警。

中国专利号为201020602032.6的实用新型专利提出了一种便携式脉搏体温监测装置。用于对人体的体温计脉搏进行实时监护。该装置包括体征测量模块、无线收发模块以及远程监测终端。体征测量模块将测量到的人体信息转化为电信号，通过无线收发模块传输给远程监控终端，并通过无线收发模块接收远程监护终端发出的指令。

可以看出，目前我国市场上的监护装置结构单一，往往只含监护模块，最多加上一个报警器。这种装置虽然能达到监护人体并紧急时报警的功能，但不能实现对其定位的作用，不能最大化地缩短对报警人的救助时间。因此缺少将人体监护、报警以及及时定位集为一体的装置。

ZigBee是一种短距离、低复杂度、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。ZigBee协议规范使用了IEEE802.15.4定义的物理层、媒体介质访问层，并在此基础上定义了网络层和应用层框架。

目前我国室内无线定位技术主要采用的有红外线室内定位技术、超声波定位技术和WiFi技术。虽然红外线具有较高的室内定位精度，但由于光线不能穿过障碍物，红外射线仅能视距传播，传播距离短，传输效果差。超声波定位是采用反射式测距法，通过三角定位等算法确定物体的位置，定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，需要大量的硬件设施，成本较高。WiFi定位是一种全新的信息获取平台，可以实现复杂的大范围定位。但WiFi优异的传输速度是以大的功耗为代价的，大多数便携WiFi都需要常规电池，这使得WiFi较ZigBee而言不适用于低功耗的无线传感器网络。采用ZigBee技术不仅通信效率高，而且低功耗、低成本，更加适用于生活中去。

发明内容

为了克服以上现有技术和仪器的不足，本发明旨在实现一种以ZigBee技术为基础的定位监测报警系统，该系统具有低功耗、低成本的特点。同时也实现了一种养老院智能报警定位方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种养老院智能报警定位系统，包括无线传感定位网络、外部报警电路、定位显示模块，其特征是，

所述无线传感定位网络，包括：一个协调器、多个参考节点和多个盲节点；

-所述参考节点放置于养老院内的不同位置，用来接收带RSSI值的信息包并计算RSSI平均值，并将该平均值返回给盲节点；

-所述盲节点，为老人佩戴的腕带中的ZigBee无线节点定位模块，所述盲节点在参考节点包围的区域内任意移动，可向周围空间广播RSSI簇，并接收一定范围内的参考节点的RSSI平均值，并使用硬件定位引擎计算该盲节点本身的位置，然后将计算出的位置通过无线方式发送到协调器；

-所述协调器通过串行口与定位显示模块的计算机相连，将接收到的各节点反馈的有效数据传输给定位显示模块进行处理；

所述外部报警电路，用于接收由所述腕带内的无线发射报警模块发出的报警信息，并将该信息传递给定位显示模块的计算机，同时激发报警音；

所述定位显示模块，用于对接收到的信息的进行定位计算和显示，包括用于计算并储存数据的计算机以及至少一台显示终端。

所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述腕带由脉搏传感器模块、单片机控制模块、无线发射报警模块、ZigBee无线节点定位模块和电池模块组成；所述脉搏传感器模块用来采集老人的脉搏信号，并将该信号传送至单片机控制模块中进行判断，一旦脉搏信号异常，单片机控制模块将驱动与之相连接的无线发射报警模块，发射报警信号。

所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述脉搏传感器模块是由1451压力传感器及其相关信号处理电路构成；所述单片机控制模块选用MSP430F1232单片机，脉搏传感器模块与单片机控制模块用串行口相连，用以监测采集老人的脉搏信号；所述无线发射模块采用射频芯片nRF24L01；当所述单片机控制模块采集到的脉搏信号异常时，所述单片机控制模块立即控制射频芯片nRF24L01将报警数据发送给报警电路；所述的ZigBee无线节点定位模块由CC2431芯片及外围电路构成，与ZigBee无线参考节点和协调器一起构成无线定位网络，用来确定老人在养老院中所处的位置；所述电池模块采用纽扣电池，为腕带中电路提供能源。

所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述腕带包括一个报警开关，当打开该开关时，腕带发射无线报警信号，此举意在当处于紧急情况时，老人可以通过主动报警。

所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述的参考节点和协调器均使用CC2430芯片，盲节点采用带有定位引擎的无线射频芯片CC2431。

所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述脉搏传感器选取1451压力传感器，在脉搏传感器信号调理电路设计中，引入TPS76333稳压器，为压力传感器、仪表放大器AD620提供3V的工作电压；TPS76333稳压器111既可以降压也可以作为开关使用，能够实现脉搏传感器间隔一定的时间后进行检测，更好地实现了节能。

所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述计算机上储存有各个老人的健康信息，以便于在急救时作参考。

本发明同时提供一种养老院智能报警定位方法，包括如下步骤：

第一步：搭建无线定位系统，步骤如下：

1.1）根据养老院内的建筑环境分布的特点，将若干个参考节点放置于养老院内，使得这些参考节点可以相对于养老院内部地理位置进行定位；

1.2）给老人佩戴腕带，所述腕带包括ZigBee无线节点定位模块，即盲节点；

1.3）将协调器通过串口与计算机连接；

1.4）打开参考节点、腕带和协调器的电源开关；

1.5）打开计算机上的定位模块，将各个参考节点以及盲节点入网，设定各个参考节点模块的坐标值，此时，显示终端上将实时显示出各个佩戴腕带的老人的位置；

第二步：报警，包括两种情况：

2.1）主动报警：腕带上的报警按钮被按下时，通过无线方式发送报警信息；

2.2)自动报警：当老人的脉搏频率低于规定值时，此时意味着老人可能出现突发病情，腕带自动通过无线发送报警信息；

第三步：定位显示，无线定位系统接收到报警信息后，发出报警音，同时，在显示终端上，代表报警老人位置的坐标点将高亮显示。

所述的养老院智能报警定位方法，第三步中，在显示报警老人的位置时，同时显示该报警者的健康信息。

本发明与现有技术相比所具有的优点是:

本发明采用ZigBee的定位技术，由于ZigBee的标准为免费使用的无线通信标准，所以成本低；ZigBee无线模块具有低耗电的特点，可以长时间使用而不更换电池；结构简单，可以实现其小型化，重量轻，便于包装与携带；能够定位，可以实时监护。

附图说明

图1：总体组成框图

图2：ZigBee无线网络的节点关系图

图3：腕带内的连接图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理进一步详细说明。

本发明所述的ZigBee技术为基础的定位监测报警系统（如图1）。包括无线传感定位网络、外部报警电路3、定位显示模块。

无线传感定位网络包括一个协调器4、多个参考节点2和多个盲节点14。协调器4通过串口与用来显示定位的计算机5相连，参考节点2均匀放置于养老院内，盲节点14即为老人佩戴的腕带1中的ZigBee无线节点定位模块14。

所述的参考节点2和协调器4均使用CC2430芯片，盲节点14采用带有定位引擎的无线射频芯片CC2431.

老人佩戴的腕带1由脉搏传感器模块11、无线发射报警模块12、单片机控制模块13、ZigBee无线节点定位模块14和电池模块15组成。

脉搏传感器模块11用来采集老人的脉搏信号，并将该信号传送至单片机控制模块12中进行判断，一旦脉搏信号异常，单片机控制模块12将驱动与之相连接的无线发射报警模块13，发射报警信号。除此之外，老人可在紧急时刻打开无线报警开关，立即发送报警信号。

外部报警电路3由单片机32以及与之连接的无线接收模块31、报警模块33组成，其中单片机32再通过串口与计算机5相连，传送数据。

定位显示模块，包括计算机5和显示终端6，用于将协调器4与单片机32传送到计算机5的数据进行分析处理并在显示终端6上显示位置信息。

如图2所示，ZigBee无线传感网络硬件由参考节点、盲节点和协调器组成。

参考节点是一类静态的点，由无线射频芯片CC2430以及其外围电路组成，放置在已知的地点，通过定位软件中的参考节点设置功能可设置每一个参考节点的坐标值（X值，Y值），参考节点接收盲节点向周围空间广播的RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示）簇。参考节点使用无线射频芯片CC2430。

盲节点是由带有定位引擎的无线射频芯片CC2431以及外围电路组成的模块，一个盲节点与离它最近的参考节点通信，收集每个参考节点的X、Y坐标，以及RSSI值，并使用本身内置的硬件定位引擎计算它自己的位置。然后盲节点将自己的坐标信息发送到协调器（节点）。协调器通过串口与计算机通信，通过定位显示模块的处理，被定位的人的位置可通过显示终端（可以是计算机显示屏或其它电子显示装置）显示出来。

无线射频芯片CC2431采用了基于接收信号强度指示的距离定位算法，该节点定位算法需要多个参考节点。根据该算法，可以根据已知节点测算出其余盲节点的坐标。将该无线传感器网络节点通过ZigBee协议组成网络，同时利用无线射频芯片CC2431内置的定位引擎，实现各个节点的定位，最终构成一个无线定位系统。

在各个参考节点2通电工作，并且入网之后，打开腕带1的电源，无线射频芯片CC2431模块即可入网开始定位。ZigBee无线节点定位模块14、参考节点2和协调器4构成了无线定位网络系统。

参见图1，腕带内部由脉搏传感器模块11、单片机控制模块12、无线发射报警模块13、ZigBee无线节点定位模块14、电池模块15组成。

参见图3，所述脉搏传感器11选取1451压力传感器112。在脉搏传感器信号调理电路设计中，引入TPS76333稳压器111，为压力传感器、仪表放大器AD620（113）提供3V的工作电压。TPS76333稳压器111既可以降压也可以作为开关使用，能够实现脉搏传感器间隔一定的时间后进行检测，更好地实现了节能。

单片机控制模块12通过控制TPS76333稳压器的开关状态，从而实现对脉搏传感器采集的控制。在单片机控制模块12中，单片机的P1.5串行口与一个稳压二极管相连，通过控制P1.5输出的高低电平来控制二极管是否导通。确切地说，到了需要采集脉搏信息的时间，单片机控制模块12给稳压二极管送一个开的信号，TPS76333稳压器111开始为高精度仪表放大器AD620（113）提供电源，使得仪表放大器AD620（113）开始工作，实现脉搏信号的模拟放大，输出信号给单片机控制模块12进行处理。

如果在不需要脉搏采集的时间里，单片机控制模块12给TPS76333稳压器111一个关的信号，仪表放大器AD620（113）因为未接通电源而不能工作，实现了节能的目的。

单片机MSP430F1232（12）（单片机控制模块）通过加电便开始了各个系统参数设置的初始化，初始化结束后便执行检测，脉搏传感器经过仪表放大器AD620（113）的放大后，连接到MSP430F1232单片机12（单片机控制模块）引脚P1.0，单片机控制模块12将检测到的脉搏信息参数存储到MSP430F1232单片机12的一个数组中，MSP430F1232单片机12紧接着开始判断脉搏频率是否低于设定值。如果低于设定值，单片机控制模块12立即通过无线发射报警模块13将设定好的编码通过无线发射出去。

所述无线发射报警模块13采用带2.4G射频芯片nRF24L01的发射模块。射频芯片nRF24L01的工作电压在1.9V—3.6V，所以可以由TPS76333稳压器111为其提供3V的工作电压。

腕带1中的电池模块15采用5V的纽扣电池，为单片机控制模块12、无线发射模块13和Zigbee无线节点定位模块14直接供电，通过TPS76333稳压器的转换后，为仪表放大器AD620提供工作电压。

在单片机控制模块12的P1.1引脚与电源之间设置一个按钮开关，当开关按下时，两者接通，单片机12接收到脉冲后，也可驱动无线发射报警模块13发射报警信号。

无线接收模块31采用超再生接收头，该接收模块的一个引脚RXD接口与单片机32的串口相连，进行数据传输，用单片机32对接收到的信号进行解码。不同的腕带发射的编码不同，以此来判断何人报警。单片机32通过串口与计算机5相连，通过安装在计算机上的定位软件的分析，在显示平台上，对应的老人的位置坐标点将进行高亮显示（如闪烁、用不同颜色标示等）。

同时，单片机32将驱动报警模块33，报警模块33由三极管、电阻和蜂鸣器组成。三极管的基极由单片机32的P1.5管脚和一个与门来控制，当单片机32的P1.5管脚输出为低电平时，与非门输出高电平，三极管导通，蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。

在计算机中，通过数据库管理系统，管理人员可以调出报警老人的健康表，以供急救的参考。

以上所述为本发明的主要原理。由于ZigBee的模块具有低耗能的特点，一节5号电池就可以使用半年左右，所以该报警定位系统具有可长时间使用的优点。本发明的养老院智能报警定位系统，可以大大节省养老院的人力资源，同时也提高了对老人身体状况的监护能力，以及对病发老人的抢救反应能力，具有很高的社会应用价值。

本发明提供的养老院智能报警定位方法，包括如下步骤：

第一步：搭建无线定位系统，步骤如下：

1.1）根据养老院内的建筑环境分布的特点，将若干个参考节点放置于养老院内，使得这些参考节点可以相对于养老院内部地理位置进行定位；

1.2）给老人佩戴腕带，所述腕带包括ZigBee无线节点定位模块，即盲节点；

1.3）将协调器通过串口与计算机连接；

1.4）打开参考节点、腕带和协调器的电源开关；

1.5）打开计算机上的定位模块，将各个参考节点以及盲节点入网，设定各个参考节点模块的坐标值，此时，显示终端上将实时显示出各个佩戴腕带的老人的位置；

第二步：报警，包括两种情况：

2.1）主动报警：腕带上的报警按钮被按下时，通过无线方式发送报警信息；

2.2)自动报警：当老人的脉搏频率低于规定值时，此时意味着老人可能出现突发病情，腕带自动通过无线发送报警信息；

第三步：定位显示，无线定位系统接收到报警信息后，发出报警音，同时，在显示终端上，代表报警老人位置的坐标点将高亮显示，同时显示该报警者的健康信息，如姓名、年龄、经常患的疾病等。

Claims (9)

1.一种养老院智能报警定位系统，包括无线传感定位网络、外部报警电路（3）、定位显示模块，其特征是，

所述无线传感定位网络，包括：一个协调器（4）、多个参考节点（2）和多个盲节点（14）；

-所述参考节点（2）放置于养老院内的不同位置，用来接收带RSSI值的信息包并计算RSSI平均值，并将该平均值返回给盲节点（14）；

-所述盲节点（14），为老人佩戴的腕带（1）中的ZigBee无线节点定位模块（14），所述盲节点（14）在参考节点（2）包围的区域内任意移动，可向周围空间广播RSSI簇，并接收一定范围内的参考节点的RSSI平均值，并使用硬件定位引擎计算该盲节点本身的位置，然后将计算出的位置通过无线方式发送到协调器（4）；

-所述协调器（4）通过串行口与定位显示模块的计算机（5）相连，将接收到的各节点反馈的有效数据传输给定位显示模块进行处理；

所述外部报警电路（3），用于接收由所述腕带（1）内的无线发射报警模块（13）发出的报警信息，并将该信息传递给定位显示模块的计算机（5），同时激发报警音；

所述定位显示模块，用于对接收到的信息的进行定位计算和显示，包括用于计算并储存数据的计算机（5）以及至少一台显示终端（6）。

2.如权利要求1所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述腕带（1）由脉搏传感器模块（11）、单片机控制模块（12）、无线发射报警模块（13）、ZigBee无线节点定位模块（14）和电池模块（15）组成；所述脉搏传感器模块（11）用来采集老人的脉搏信号，并将该信号传送至单片机控制模块（12）中进行判断，一旦脉搏信号异常，单片机控制模块（12）将驱动与之相连接的无线发射报警模块（13），发射报警信号。

3.如权利要求2所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述脉搏传感器模块（11）是由1451压力传感器及其相关信号处理电路构成；所述单片机控制模块（12）选用MSP430F1232单片机，脉搏传感器模块（11）与单片机控制模块（12）用串行口相连，用以监测采集老人的脉搏信号；所述无线发射模块（13）采用射频芯片nRF24L01；当所述单片机控制模块（12）采集到的脉搏信号异常时，所述单片机控制模块（12）立即控制射频芯片nRF24L01将报警数据发送给报警电路（3）；所述的ZigBee无线节点定位模块（14）由CC2431芯片及外围电路构成，与ZigBee无线参考节点（2）和协调器（4）一起构成无线定位网络，用来确定老人在养老院中所处的位置；所述电池模块（15）采用纽扣电池，为腕带（1）中电路提供能源。

4.如权利要求1所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述腕带（1）包括一个报警开关，当打开该开关时，腕带（1）发射无线报警信号。

5.如权利要求1所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述的参考节点（2）和协调器（4）均使用CC2430芯片，盲节点（14）采用带有定位引擎的无线射频芯片CC2431。

6.如权利要求2所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述脉搏传感器（11）选取1451压力传感器（112），在脉搏传感器信号调理电路设计中，引入TPS76333稳压器（111），为压力传感器（112）、仪表放大器AD620（113）提供3V的工作电压。

7.如权利要求1所述的养老院智能报警定位系统，其特征是，所述计算机（5）上储存有各个老人的健康信息。

8.一种养老院智能报警定位方法，包括如下步骤：

第一步：搭建无线定位系统，步骤如下：

1.1）根据养老院内的建筑环境分布的特点，将若干个参考节点放置于养老院内，使得这些参考节点可以相对于养老院内部地理位置进行定位；

1.2）给老人佩戴腕带，所述腕带包括ZigBee无线节点定位模块，即盲节点；

1.3）将协调器通过串口与计算机连接；

1.4）打开参考节点、腕带和协调器的电源开关；

1.5）打开计算机上的定位模块，将各个参考节点以及盲节点入网，设定各个参考节点模块的坐标值，此时，显示终端上将实时显示出各个佩戴腕带的老人的位置；

第二步：报警，包括两种情况：

2.1）主动报警：腕带上的报警按钮被按下时，通过无线方式发送报警信息；

2.2)自动报警：当老人的脉搏频率低于规定值时，腕带自动通过无线发送报警信息；

第三步：定位显示，无线定位系统接收到报警信息后，发出报警音，同时，在显示终端上，代表报警老人位置的坐标点将高亮显示。

9.如权利要求8所述的养老院智能报警定位方法，第三步中，在显示报警老人的位置时，同时显示该报警者的健康信息。

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