基于超宽带和无线传感网络技术的夜间辅助系统

魏建兵，党进才（通信作者），马秦靖

（甘肃林业职业技术学院 甘肃 天水 741020）

0 引言

随着老龄化进程加剧，越来越多的研究人员将目光投向了养老领域[1]。商无冬[2]利用蓝牙Mesh无线通信技术，设计基于蓝牙Mesh的手环用以对老人实时健康状况数据进行采集。贺进[3]使用Oracle数据库和RFID定位技术实现了系统管理、人事管理、日照服务管理等功能，以达到养老院管理人员借助现代化技术手段，为老年人提供高质量的服务。邬渊[4]基于RFID技术与定位算法，构建了养老院人员实时定位系统，再通过上传的定位信息数据展现老年人的活动信息。沈梦琦[5]采用RFID射频识别技术和ZigBee通信技术实现了老人身体状况监控与警报、广播通信等功能模块。上述研究利用各种无线传感网技术手段，基于不同侧重点对老人身体状况、老人所处位置等进行实时管理、监控，有效提升了养老院管理水平与效率。但利用蓝牙以及ZigBee技术作为室内定位技术具有一定的局限性，因此本文将利用在穿透性、抗干扰以及功耗性能等方面均优于蓝牙以及ZigBee的超宽带（ultra wide band,UWB）技术作为人员定位的主要技术依据。

为了进一步提升夜间监管能力，将无线传感网络（wireless sensor networks, WSN）技术与UWB技术相结合，打造智能化的夜间看护系统。老人在夜间出现异常行为或者停留在非休息区域超过阈值时间时系统自动告警，值班人员赶往该房间进行查看或是利用室内电话联系该老人。该系统极大提升了老人在夜间的居住安全感，也减少了夜间值班人员巡夜的频次，并且维护了老人的隐私。

1 相关技术

1.1 UWB技术

UWB技术属于无线载波通信范畴，工作频段区间范围为3.1～10.6 GHz，通过极高的射频频率进而达到高带宽的效果。利用能够产生极短脉冲的信号发生源，在短时间内以极低的功率将数据进行高速传播[6]。

目前，成熟的室内定位技术包括蓝牙、WiFi、ZigBee、超声波以及UWB等。这些室内定位技术基于各自的优缺点，其应用领域也各不相同。表1给出了各种技术的主要技术指标对比结果。

表1 常用室内定位技术主要参数对比

由常用室内定位技术主要参数对比表可以看出，UWB定位技术在穿透性和抗干扰能力综合能力方面均优于其他技术。由于自身传播特性，所需功耗低，延长了无线节点的待机时长。便宜的部署成本使得其在实际应用中得到商家的广泛使用。UWB技术现已成为室内定位领域的研究热点。

UWB定位技术是直接通过收发窄脉冲信号进行信息传输，无须正弦载波作为传输媒介。UWB定位技术的出现提升了室内定位的精准度，并且它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点。

1.2 WSN技术

WSN是通过无线通信技术和协议，以自组织的形式将众多传感器节点构建在一张通信网络中，主要实现了数据的采集、处理和传输三大功能。本文采用三层体系架构构建WSN，分别为数据采集层、数据传输层以及综合应用层。图1为利用ZigBee构建的无线传感网络示意图。基于Z-Stack协议栈，数据采集区域内的传感器节点依据协议将数据传输到网关节点，再由网关节点上传至上位机进行数据的存储以及显示等。其中，传感器节点包含数据采集模块、数据处理模块、无线收发模块和电源模块，其主要完成采集数据、处理数据以及中转数据等操作。图2为传感器节点结构图。

图1 基于ZigBee的WSN构建示意图

图2 传感器节点结构图

ZigBee是一种可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通信距离从标准的75 m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因此，它必须具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传输的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点无线连接。

2 系统方案设计

根据实际调研过程中养老院老人住所的勘察，以及符合智能家居物联网可扩展性、安全性、实用性等原则，并参考物联网三层体系结构，基于两大模块和三层架构进行系统的整体方案设计，系统整体结构如图3所示。

图3 系统结构图

（1）利用WSN技术，构建基于Z-Stack协议的ZigBee传感网，感知老人夜间在房内所处大致位置，是否在床，是否在如厕等，传感器布设如图4所示。通过在床铺布设压力传感器，门框处布设红外对射传感器，无线传感网系统即可感知老人身处房间中的区域。

图4 传感器布设图

（2）利用UWB技术，构建“一标签+三基站”的老人夜间活动轨迹监测系统。如图5所示，其中标签以腕带或胸牌的形式被老人随身携带，三个基站放置在房间不同角落（不能处于空间中的同一条直线上）。在（1）的基础上刻画老人行动轨迹，帮助值班人员进一步研判老人情况，也为后续刻画老人夜间活动规律提供数据支撑。

图5 “一标签+三基站”布设图

3 人员定位方法及实现

（1）对于ZigBee传感网而言，只需判断三组传感器之间的信号即可确定人员所处房间位置，假设布设在床铺上的压力传感器称为床感，布设在卧室与客厅相通门框上的红外对射传感器称为卧客门感，布设在客厅与洗手间相通门框上的红外对射传感器称为客厕门感。相关传感器感受到人体重量以及人体散发的热红外，给系统反馈高电平1（表明有人），否则为低电平0（表明无人），并设置相应的时间阈值，当在某处停留时间超过阈值时，系统告警。那么系统判别条件及结果如表1所示。

表1 停留超时异常告警系统判别条件及结果

（2）利用“一标签+三基站”的UWB技术构建的人员运动轨迹识别系统，采用基于信号到达时差测距算法（TDOA测距算法）进行当前位置定位。TDOA测距算法是利用定位标签发出的信号到达三处不处于同一条直线上的基站时，其到达任意两个基站的时间差值与光速相乘的结果，进而计算该标签到各基站间的距离差[7]。基于TDOA的定位方法又称为双曲线定位，其原理是通过测量UWB信号从标签到两个基站之间传播时间的差值，得到标签到两个基站之间的固定距离差。它并不是直接利用信号到达时间，而是利用多个基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置。

目前主要有两种时间差的获取方式：

（1）利用移动台到达2个基站的时间TOA，取其差值来获得，这时仍需要基站时间的严格同步，但是当两基站间移动信道传输特性相似时，可减少由多径效应带来的误差。

（2）将一个基站接收到的信号与另一个基站同时接收到的信号进行相关运算，从而得到TDOA的值，这种算法可以在基站和移动平台不同步时，估计出TDOA的值。对于蜂窝网中的移动平台定位而言，TDOA更具有实际意义，这种方法对网络的要求相对较低，且定位精度较高。

本文选用第二种方法进行测距计算。若“一标签+三基站”布局如图6所示，三个基站坐标分别为A1（x1,y1）、A2（x2,y2）和A3（x3,y3），标签坐标为P（x0,y0），标签P到基站A1、A2和A3的距离分别为d1，d2以及d3，由下式可计算得到标签的坐标。

图6 TDOA测距原理图

（3）依据上述定位方法，利用C#语言构建上位机软件，最终软件可视化展示截图如图7和图8所示。

图7 夜间活动超时告警系统上位机界面图

图8 TDOA测距算法可视化界面图

4 结语

综上所述，本文利用无线传感网与超宽带技术，针对养老院夜间巡查盲区，构建了养老院夜间看护辅助系统，从系统架构、软硬件搭建以及相关算法详细阐述了本系统的实现过程。该系统具有较高实用性和较强的系统稳定性，能够解决由于养老院夜间值班人员巡查不到位，造成养老院存在潜在的管理风险和安全隐患的问题。后期将会从该系统收集到的老年人夜间活动数据入手，利用现有的数据处理方法，挖掘出隐藏在数据背后的规律，以期指导养老院提升夜间管理能力，进一步提升独居老人的安全性。