CN111031483A - 基于无线与红外热释传感器的老人室内定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于无线与红外热释传感器的老人室内定位系统及方法。包括公网服务器、主机站、从基站、移动设备和监护人APP，所述主基站、从基站、移动设备上均设有蓝牙模块，从基站上设有红外热释传感器；所述方法具体为在房间没人的情况下，从基站的蓝牙主模块是关闭的，一旦红外热释传感器感应到人体的存在，打开从基站的蓝牙主模块，要求老人佩戴的移动设备发送移动设备的ID，确定从基站感应到的人体是否是被监视的老人，并将移动设备蓝牙ID、信号强度、信号到达时间TOA、从基站自身的ID等参数通过从模块发送给主基站，主基站再发送给公共服务器。本发明能够准确定位被监护人位置，并准确判断被监护人的异常行为。

Description

基于无线与红外热释传感器的老人室内定位系统及方法

技术领域

本发明涉及基于蓝牙与红外热释传感器的老人室内定位系统及方法，属于定位技术领域。

背景技术

我国已进入老年社会，特别是子女(监护人)在外地的孤寡老人越来越多，这些监护人往往需要在异地了解老人的作息情况，需要一种模糊的区域定位。目前有关室内定位方法很多，如Wifi、蓝牙、射频、UWB(超宽带)等、定位算法主要有三点定位法、三角定位算法、质心定位算法等。对于三点定位法、三角定位算法、质心定位算法都需要至少三个参考节点(基站)，同时需要满足三点不在同一直线上，否则该算法失效，无法实现定位，如果加上一个与外网通信的机站，不管房间大小，整个定位系统至少需要4个基站，增加了成本和部署的专业性，如果要将这种追求室内定位精度的定位系统用于模糊区域定位，还需要专业技术人员或监护人采用类似网格的方法划分房间，除了带来精度误差问题外，还增大了部署的工作量；最近也有学者提出了基于蓝牙或射频的区域/房间定位方案，该方案在每个监控的房间安装一个基站，将手表ID、信号强度、信号达到时间TOA等参数各自传送给公网服务器来判定老人所在的房间；由于每个基站独立工作，各自通过外网接口将定位信息发给公网服务器，由公网服务器根据各个基站上传的信号强度、信号达到时间TOA等参数判断老人在哪个房间；当被监控对象达到一定规模后，服务器的负载将达到极限；此外，由于蓝牙信号(传输距离5-10米)的不稳定性，只靠信号强度、信号达到时间TOA等参数来判断老人所处的房间存在一定的误判。

发明内容

针对现有问题的不足，本发明提供了基于无线与红外热释传感器的老人室内定位系统及方法的技术方案。

基于无线与红外热释传感器的老人室内定位系统，包括公网服务器、主机站、从基站、移动设备和监护人APP：

所述的公网服务器通过监护人录入的被监护人信息、基站的位置信息和主基站周期性上传的数据，分析被监护人活动，用于确定被监护人在室内的位置，并统计出被监护人在所处位置的持续时间，及判断异常行为；

所述主机站，设有无线通信模块，无线通信模块包括蓝牙主模块，具有SIM卡、WIFI或有线网络接口与外网通信；主机站通过无线通讯模块接收从基站和移动设备发送数据，判断移动设备位置后发送给公网服务器；

所述从基站设有无线通讯模块及红外热释传感器，无线通讯模块包括蓝牙主模块，从基站在红外热释传感器感知到人体存在时处于工作状态，从基站蓝牙主模块进入工作状态后接收移动设备数据，并将数据通过无线通讯模块发送给主基站；否则关闭主模块而使从基站处于休眠状态；

所述移动设备佩戴在被监护人身上，设有蓝牙从模块，与主机站和从基站进行蓝牙通信；在收到通信范围内主基站或从基站的蓝牙命令时，将自己的ID广播给主基站和从基站或自己周期性地发出ID信号；

所述监护人APP由注册的监护人录入被监护人、主/从基站所处位置等相关信息、启动定位系统工作；实时查看被监护人在室内的位置和持续时间。

进一步的，所述的主基站通过蓝牙主模块接收从基站和移动设备发送的数据；所述从基站包括蓝牙从模块，从基站通过蓝牙从模块向主基站发送数据，通过蓝牙主模块向移动设备发送蓝牙命令。

进一步的，所述的主基站的无线通信模块包括WIFI模块，主基站通过WIFI 模块与从基站通信，通过蓝牙主模块接收移动设备发送的数据；所述从基站的无线通信模块包括WIFI模块，从基站通过蓝牙主模块向移动设备发送蓝牙命令，从基站通过WIFI模块与主基站通信。

进一步的，所述的移动设备上设有SIM卡和GPS模块，用于室外GPS定位，回到定位区域后检测到主/从基站的存在，关闭SIM卡和GPS模块。

进一步的，主基站除了自己感知移动设备的位置外，还接收房间内各个从基站发来的定位信息，如果有两个及以上的从基站发来相同的移动设备ID，再根据信号强度、信号达到时间TOA等参数做出判断后发给公网服务器；根据定位区域的大小设置主基站和从基站的数量，定位区域内至少一个主基站。

基于无线与红外热释传感器的老人室内定位方法，包括公网服务器、主机站、从基站、移动设备和监护人APP，所述主基站、从基站上设有无线通信模块，主基站的无线通信模块包括蓝牙主模块，所述从基站的无线通信模块包括蓝牙主模块，移动设备上设有蓝牙模块，从基站上设有红外热释传感器；所述方法具体为在房间没人的情况下，从基站的蓝牙主模块是关闭的，一旦红外热释传感器感应到人体的存在，打开从基站的蓝牙主模块，要求老人佩戴的移动设备(工作在蓝牙的从模式)发送移动设备的ID，确定从基站感应到的人体是否是被监视的老人，并将移动设备蓝牙ID、信号强度、信号到达时间TOA、从基站自身的ID等参数通过无线通信模块发送给主基站，主基站再发送给公共服务器，主机站与从基站之间通过WIFI或者蓝牙无线通信，移动设备与主机站、从基站采用蓝牙通信。

进一步的，当多个从基站均受到被监护人移动设备发出的数据，并向主基站发送数据，主基站则根据信号强度、信号达到时间TOA做出判断后发送给公网服务器。

进一步的，当出现本家主基站与邻居家的从基站在蓝牙或者WIFI通信范围内的情况，可以通过主基站向公网服务器获取自己家从基站ID列表来解决，也就是不接收自己家从基站ID列表以外的从基站发来的数据。

进一步的，当定位区域出现多个被监护人，从基站向主机站发送所感知的所有被监护人的定位数据，实现老人在不同家庭里同样获得监护。

进一步的，具体实施步骤为：

1)部署一台提供Web API的能接收主基站信息的公网服务器；

2)设置一定数量含有唯一基站ID的主基站和从基站；

3)设置一定数量含有唯一蓝牙ID的移动设备；

4)选择一定数量的主基站、从基站和移动设备，服务器端生成了监护人账号和密码；将这些基站和移动设备与监护人账号捆绑；

5)将基站部署在被监护人所在的家庭，根据家庭结构，从基站位置应保证在与主基站的通信范围内，蓝牙通信的通信范围为5-10米，WIFI通信的通信范围为 15-30米，将从基站挂在重点监护的房间和将移动设备佩戴在被监护人身上；

6)监护人从公网服务器下载监护人APP，通过手机APP填写被监护人人名、基站位置；

7)启动定位系统进入工作模式，监护人通过手机APP查看被监护人的作息情况；

8)如果被监护人有“该睡觉时未在卧室里”、“很晚还未回家”等异常行为，服务器推送消息给监护人。

本发明能够准确定位被监护人位置，并准确判断被监护人的异常行为，及时上传给监护人，防止被监护人意外的发生。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明涉及到五个部分：公网服务器、主基站、从基站、移动设备(可以是手表或其它穿戴设备)和监护人APP。

(1)公网服务器

公网服务器的主要作用是通过与监护人的交换，解决在事先不知道被监护人所居住的房屋结构和主/从基站安装在什么位置的情况下，通过监护人录入的被监护人信息、基站的位置信息和主基站周期性上传的数据，分析被监护人活动，用于确定被监护人在室内的位置，并统计出被监护人在所处位置的持续时间，解决了无需技术人员现场安装的问题。由于主基站上传数据中含有本地时间，服务器可以根据时差准确计算出监护人所在地的时间，结合被监护人所处位置，能判断出监护人是否有“该睡觉时未在卧室里”、“很晚还未回家”等异常行为发生。

服务器通过两张重要的数据库表用于解析被监护人所处位置，两张表的内容由服务器后台工作人员和监护人共同维护。

表1移动设备与被监护人名对照表

蓝牙ID(后台填写)	被监护人名(由监护人填写)
		B000000001	父亲
B000000002	母亲
		……	……

表2基站所处家庭位置对照表

基站ID(后台填写)	类型	所处家庭位置(监护人填写)
			Z000000001	主基站	客厅
C000000001	从基站	主卧
			C000000002	从基站	卫生间
……		……

(2)主基站

主基站用于向公网服务器传送定位数据，可以只有一个主基站，也可以有一个主基站和多个从基站，还可以有多个主基站和多个从基站；主基站相比从基站，可以有较强的CPU处理能力和内存空间，是一个蓝牙主模块，也可以是WIFI 模块和蓝牙主模块的结合，具有低功率、便宜、低延时等特点，具有SIM卡、 WIFI或有线网络接口与外网通信，根据室内房间数量，一个家庭可以挂多个主基站，但互相间没有任何联系；考虑到不同地区时差，基站通过网络只与所在地时间同步；主基站里蓝牙模块周期性地扫描周围的蓝牙信号，可以接收从基站通过蓝牙或WIFI发送的数据，也可以接收手表通过蓝牙发送过来的数据，遇到多个从基站发送相同的手表ID时，通过从基站感知手表的信号强度、信号达到时间TOA等参数，判断处手表所处的准确位置后再发给公网服务器；主基站可以从公网服务器获取到所在家庭从基站和手表的ID列表，这样可以不用处理邻居家的从基站传送的数据。

主机站采用交流供电。

(3)从基站

从基站用于定位重点监护区域，可以没有从基站；从基站间互不通信，只将相关数据发送给主基站。

从基站内置蓝牙的主模块、从模块和一个红外热释传感器，从基站与主基站之间通过蓝牙通信。蓝牙从模块也可以为WIFI模块，则从基站与主基站之间通过WIFI通信。只有当红外热释传感器感知到人体存在时，才打开从基站中的蓝牙主模块监听手表的广播数据，否则关闭主模块而使从基站处于休眠状态；由于红外热释传感器受障碍物影响，不会感知到房间外的人体存在。

也就是说从基站只有再感知人体存在的情况下才处于工作状态，不受监护的人也能触发从基站处于工作状态，但不受监护的人由于未佩戴手表，从基站的主模块接收不到手表发出的数据，不会向主基站发送任何数据；一旦人体离开从基站所处的房间，从基站的主模块自动关闭而处于休眠状态。

从基站采用交流供电。

(4)移动设备(手环或其它穿戴设备等)

移动设备佩戴在被监护人身上，只用电池供电便于方便舒适；为了节省能量，移动设备没有SIM卡，只能和室内基站短距离通信，甚至不需要显示屏，最好具备长续航和防水功能(可以戴着洗澡)；为了和室外GPS定位相结合，需要增加SIM卡和GPS模块，但回到家检测到主/从基站的存在，关闭SIM卡和GPS 模块；移动设备有自己唯一的蓝牙ID，在收到通信范围内主基站或从基站的蓝牙命令时，将自己的ID广播给主基站和从基站或自己周期性地发出ID信号。

(5)监护人APP

监护人APP由注册的监护人录入被监护人、主/从基站所处位置等相关信息、启动定位系统工作；可以实时查看被监护人在室内的位置和持续时间。

主基站一直工作在蓝牙的主模式，主要感知手表是否处于室内；从基站具有蓝牙的主模块、从模块和红外热释传感器，只有在从基站的红外热释传感器感应到人体的存在时，从基站的主模块才处于工作状态，监听老人佩戴的手表蓝牙模块发出的广播数据。从基站的蓝牙主模块和从模块也可是具有主从转换的蓝牙模块，但会带来一定延迟。丛基站的蓝牙从模块也可以为WIFI模块，从基站蓝牙主模块接收到蓝牙手表数据后，通过从模块或WIFI模块将主模块检测到的手表 ID、信号强度、信号达到时间TOA和从基站自己的ID一起发送给主基站，如果从基站所在的房间没有人的存在，关闭从基站的主模块而使整个从基站处于休眠状态；由于红外热释传感器受障碍物影响，不会感知到房间外的人体存在。主基站除了自己感知手表的位置外，还接收房间内各个从基站发来的定位信息，如果有两个及以上的从基站发来相同的手表ID，再根据信号强度、信号达到时间 TOA等参数做出判断后发给公网服务器。

尤其涉及在事先不知道老人居住的房间结构情况下，定位老人现在处在室内什么位置，具体哪个房间中，涉及通过主机站与从基站的相互通信，只需要主机站单独连接到外网(采用Sim卡、Wifi、有线网络之一)，减少了每个从基站连接外网的操作；涉及对室内基站个数没有硬性要求，就普通家庭而言，最小1 个主机站，一般1个主机站和多个从基站(一个从基站监视一个房间)，对于比较大的户型，可以多个主机站和多个从基站；涉及主机站一直工作在蓝牙的主模式下，从基站同时具有红外热释传感器、蓝牙的主和从模块或者是具有主从转换的蓝牙模块，从模块也可以为WIFI模块；在房间没人的情况下，从基站的蓝牙主模块是关闭的，一旦红外热释传感器感应到人体的存在，打开从基站的蓝牙主模块，要求老人佩戴的手表(工作在蓝牙的从模式)发送手表的ID，确定从基站感应到的人体是否是被监视的老人，并将手表蓝牙ID、信号强度、信号到达时间 TOA、从基站自身的ID等参数通过从模块发送给主机站；涉及到室内主机站、从基站的部署安装不需要技术人员现场安装的问题。通过老人佩戴的手表(移动) 向固定节点(主基站、从基站)发送ID信息，从基站将手表蓝牙ID、信号强度、信号到达时间TOA、自身的ID等参数(如果所监视的区域有被监护的人体存在) 发送给主机站，主机站根据每个从基站发送过来的信息，通过分析比较确定蓝牙手表具体在哪个房间，并和手表感知的其它信息一起传送给公网服务器，公网服务器根据监护人事先设置的相关信息解析出老人目前所在的位置。

移动设备例如手表与主、从基站采用蓝牙通信降低移动设备电池能量消耗，从基站与主机站可以采用蓝牙通信，但是距离为5-10米，也可以采用通信范围较大的WIFI模块，通信距离为15-30米。

下图具体说明本发明的内容，图1中有一个主基站，两个从基站分别挂在卫生间和主卧时中(重点监控区域)，安装部署的指导要求是每个从基站能与主基站通信(从基站间无需通信，距离不受限制)，分以下几种情况说明：

(1)老人在客厅中，这时只有主基站能感知到老人的存在，从基站处于休眠状态，说明老人在室内；有可能老人到书房而远离主基站，由于书房不是重点监控区域而不能感知老人的存在，但根据需要可以增加从基站个数而增大监控区域。

(2)老人在主卧室里，也就是图中的情况。主卧室中从基站的红外热释传感器感应到人体的存在，打开该从基站的主模块接收手表发出的数据，然后通过从模块发送给主基站；这时主基站和主卧室从基站都感知到手表的存在，主基站没有收到其它从基站发来该手表ID的数据，从而确定老人在主卧室里；

这里还有一种情况，如果有另外的老人或没有佩戴手表的监护人使用卫生间，卫生间从基站的主模块开启，由于卫生间与主卧室距离较近，可能卫生间的从基站也感知到在主卧室老人手表发出的数据，从而向主基站发送数据报告老人在卫生间里面，这时主基站需要使用信号强度、信号达到时间TOA等参数做出判断后发给公网服务器。

(3)如果房间面积较大，可以增加一个主机站和一定数量的从基站，相当于把一套大房划分成两套小房。

(4)由于楼房结构，可能出现一家的主基站与邻居家的从基站在蓝牙通信范围内的情况，可以通过主基站向公网服务器获取自己家从基站ID列表来解决，也就是不接收自己家从基站ID列表以外的从基站发来的数据。

(5)多个佩戴手表的老人在一个房间内聊天，如老朋友串门。由于每个手表ID唯一，从基站照样向主机站发送所感知的所有表数据，这样可以实现老人在不同家庭里同样获得监护。

下面结合本发明的五部分对本发明的实施作进一步说明：

1、部署一台提供Web API的能接收主基站信息的公网服务器；

2、生产一定数量含有唯一基站ID的主基站和从基站，由后台工作人员将基站ID填入表2中

3、生产一定数量含有唯一蓝牙ID的手表移动设备，由后台工作人员将蓝牙 ID填入表1中；

4、监护人选择一定数量的主基站、从基站和移动手表设备，服务器端生成了监护人账号和密码；后台工作人员将这些基站和移动设备与监护人账号捆绑；

5、监护人将基站部署在被监护人所在的家庭，根据家庭结构，从基站位置应保证与主基站相连，将从基站挂在重点监护的房间和将移动设备佩戴在被监护人身上；

6、监护人从公网服务器下载监护人APP，通过手机APP将被监护人人名、基站位置分别填入到表1和表2中；

7、启动定位系统进入工作模式，监护人通过手机APP查看被监护人的作息情况；

8、如果被监护人有“该睡觉时未在卧室里”、“很晚还未回家”等异常行为，服务器推送消息给监护人。

Claims (10)

1.基于无线与红外热释传感器的老人室内定位系统，包括公网服务器、主机站、从基站、移动设备和监护人APP，其特征在于：

所述的公网服务器通过监护人录入的被监护人信息、基站的位置信息和主基站周期性上传的数据，分析被监护人活动，用于确定被监护人在室内的位置，并统计出被监护人在所处位置的持续时间，及判断异常行为；

所述主机站，设有无线通信模块，无线通信模块包括蓝牙主模块，具有SIM卡、WIFI或有线网络接口与外网通信；主机站通过无线通讯模块接收从基站和移动设备发送数据，判断移动设备位置后发送给公网服务器；

所述从基站设有无线通讯模块及红外热释传感器，无线通讯模块包括蓝牙主模块，从基站在红外热释传感器感知到人体存在时处于工作状态，从基站蓝牙主模块进入工作状态后接收移动设备数据，并将数据通过无线通讯模块发送给主基站；否则关闭主模块而使从基站处于休眠状态；

所述移动设备佩戴在被监护人身上，设有蓝牙从模块，与主机站和从基站进行蓝牙通信；在收到通信范围内主基站或从基站的蓝牙命令时，将自己的ID广播给主基站和从基站或自己周期性地发出ID信号；

所述监护人APP由注册的监护人录入被监护人、主/从基站所处位置等相关信息、启动定位系统工作；实时查看被监护人在室内的位置和持续时间。

2.根据权利要求1所述的基于无线与红外热释传感器的老人室内定位系统，其特征在于所述的主基站通过蓝牙主模块接收从基站和移动设备发送的数据；所述从基站包括蓝牙从模块，从基站通过蓝牙从模块向主基站发送数据，通过蓝牙主模块向移动设备发送蓝牙命令。

3.根据权利要求1所述的基于无线与红外热释传感器的老人室内定位系统，其特征在于所述的主基站的无线通信模块包括WIFI模块，主基站通过WIFI模块与从基站通信，通过蓝牙主模块接收移动设备发送的数据；所述从基站的无线通信模块包括WIFI模块，从基站通过蓝牙主模块向移动设备发送蓝牙命令，从基站通过WIFI模块与主基站通信。

4.根据权利要求1所述的基于无线与红外热释传感器的老人室内定位系统，其特征在于所述的移动设备上设有SIM卡和GPS模块，用于室外GPS定位，回到定位区域后检测到主/从基站的存在，关闭SIM卡和GPS模块。

5.根据权利要求1所述的基于无线与红外热释传感器的老人室内定位系统，其特征在于主基站除了自己感知移动设备的位置外，还接收房间内各个从基站发来的定位信息，如果有两个及以上的从基站发来相同的移动设备ID，再根据信号强度、信号达到时间TOA等参数做出判断后发给公网服务器；根据定位区域的大小设置主基站和从基站的数量，定位区域内至少一个主基站。

6.基于无线与红外热释传感器的老人室内定位方法，包括公网服务器、主机站、从基站、移动设备和监护人APP，其特征在于所述主基站、从基站上设有无线通信模块，主基站的无线通信模块包括蓝牙主模块，所述从基站的无线通信模块包括蓝牙主模块，移动设备上设有蓝牙模块，从基站上设有红外热释传感器；所述方法具体为在房间没人的情况下，从基站的蓝牙主模块是关闭的，一旦红外热释传感器感应到人体的存在，打开从基站的蓝牙主模块，要求老人佩戴的移动设备(工作在蓝牙的从模式)发送移动设备的ID，确定从基站感应到的人体是否是被监视的老人，并将移动设备蓝牙ID、信号强度、信号到达时间TOA、从基站自身的ID等参数通过无线通信模块发送给主基站，主基站再发送给公共服务器，主机站与从基站之间通过WIFI或者蓝牙无线通信，移动设备与主机站、从基站采用蓝牙通信。

7.根据权利要求6所述的基于无线与红外热释传感器的老人室内定位方法，其特征在于当多个从基站均受到被监护人移动设备发出的数据，并向主基站发送数据，主基站则根据信号强度、信号达到时间TOA做出判断后发送给公网服务器。

8.根据权利要求6所述的基于无线与红外热释传感器的老人室内定位方法，其特征在于当出现本家主基站与邻居家的从基站在蓝牙通信范围内的情况，可以通过主基站向公网服务器获取自己家从基站ID列表来解决，也就是不接收自己家从基站ID列表以外的从基站发来的数据。

9.根据权利要求6所述的基于蓝无线与红外热释传感器的老人室内定位方法，其特征在于当定位区域出现多个被监护人，从基站向主机站发送所感知的所有被监护人的定位数据，实现老人在不同家庭里同样获得监护。

10.根据权利要求6所述的基于无线与红外热释传感器的老人室内定位方法，其特征在于具体实施步骤为：

1）部署一台提供Web API的能接收主基站信息的公网服务器；

2）设置一定数量含有唯一基站ID的主基站和从基站；

3）设置一定数量含有唯一蓝牙ID的移动设备；

4）选择一定数量的主基站、从基站和移动设备，服务器端生成了监护人账号和密码；将这些基站和移动设备与监护人账号捆绑；

5）将基站部署在被监护人所在的家庭，根据家庭结构，从基站位置应保证在与主基站的通信范围内，蓝牙通信的通信范围为5-10米，WIFI通信的通信范围为15-30米，将从基站挂在重点监护的房间和将移动设备佩戴在被监护人身上；

6）监护人从公网服务器下载监护人APP，通过手机APP填写被监护人人名、基站位置；

7）启动定位系统进入工作模式，监护人通过手机APP查看被监护人的作息情况；

8）如果被监护人有“该睡觉时未在卧室里”、“很晚还未回家”等异常行为，服务器推送消息给监护人。

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