智能福利院无线看护系统-定位及生命体征监测子系统解决方案

(一) 项目背景

　　xxx老年社区将按照“全国一流、功能完善、设施齐全、服务优质”的标准计划建成一所“环境园林式、服务宾馆式、管理医院式”，集“养老居住、医疗保健、休闲养老、康体娱乐”为一体的老年社区。为此所以需要有更加高效的管理方式和高品质的服务质量，通过信息化系统的全面建设，以实现高效的管理模式和提升服务品质。

(二) 需求分析

　　1. 子系统需求

　　根据xxx老年社区的定位，需要打造一个具备先进管理水平和高品质服务能力的高级老年活动社区，本子系统主要作为社区内人员及老人定位、老人生命体征监测的相关功能的解决方案，子系统应具备各种数据接口功能，可遵循一定的接口规范与其他子系统和平台完美融合。

　　2. 角色需求

　　根据养护中心信息化系统总体角色需求，定义五种角色类别：

　　基础管理人员：

　　主要负责养护中心日常管理，如客户日常行为监控，如定位、轨迹回放、生命体征监测、应急告警及人员调派等。

　　养护管理医师：

　　主要观察日常行为轨迹数据、生命体征数据，制定养护方案、监测养护方案执行效果。

　　系统管理人员：

　　对系统进行管理，如账户、权限、组织架构、通讯录、地理信息数据、静态值等进行基础维护。

　　系统维护人员：

　　提供对系统底层数据和功能的维护，定期拨测、修复BUG等。

　　客户亲属：

　　通过Web远程登入查看客户一定时间段内行走轨迹及生命体征监测数据。

　　3. 功能需求

　　3.1、客户精确管理功能

　　3.1.1、 无线人员定位

　　要求在整个养护中心内实现无线信号的覆盖，能对持有集成在腕表上定位求助器的客户实时准确定位，对异常活动状况作出判断并报警，对所有的定位和报警信息要求保存记录，并且持有腕表定位器的客户在紧急情况下可以通过定位器无线发出求助报警信号，监控人员可以联动数据库直接在中心地图上显示报警地点和报警人各类资料等数据，通过发送信息给工作人员及时施展救助。

　　主要功能要求：

　　实时定位客户的位置，并将客户的位置信息和个人基本信息反映到监控部门；

　　轨迹回放功能，实时记录客户轨迹，可通过设定条件对客户日常活动轨迹进行查看；

　　危险区域设定功能，在客户接近中心划定的危险区域时，及时通知监控部门，监控部门可通过语音及时提醒客户；

　　具备一键式报警功能，在发生突发事件时，客户可以非常方便的发出报警信号，并在监控终端立刻显示出报警客户的具体位置和个人信息；

　　设备低电压提示功能，客户随身定位设备低电量时可以将低电量提示信号发送到监控终端通知工作人员及时进行处理；

　　具备通过web网页远程访问功能，客户的监护人可以通过网页实时观察到客户在中心内部的行动轨迹。

　　3.1.2、 生命体征监测

　　主要功能是为了实时监控客户生命体征， 采用腕表形式，能够在客户长时间处于相对静止状态下能够及时向急救和监控中心发出报警信号，便于能够及时发现窒息、心脏骤停等容易引起客户死亡的突发情况。

　　具体功能：

　　生命体征监测阀值设定，例如在多长时间下无震动启动报警，或剧烈运动时告警等；

　　有较高的灵敏度可以感知客户比较微弱的活动；

　　有完整的管理终端可以单独设定客户携带设备的灵敏度和发出报警信号的时间间隔等参数，实现个性化管理；

　　低电压告警功能，当腕带电池电压过低，腕带将自动告警；

　　离网告警功能，如腕带离开监控网络覆盖区域或因故失去信号，系统将自动告警。

　　3.1.3、 数据接口与共享

　　主要作用是为了遵循一定规范实现与其他子系统和平台的无缝融合，其应具备以下数据接口：

　　账户权限数据接口，以实现单点登录功能；

　　客户数据接口，通过该接口自动与平台客户数据交互，实现定位数据与客户数据相匹配；

　　告警数据输出及日志记录接口；

　　移动短信接口，用于应急情况下短信自动发送；

　　标准化的数据库接口；

　　定位系统硬件接口。

　　4. 安全需求

　　4.1、 系统安全需求

　　为使系统能持续稳定的运行，防止数据被非法修改，系统应具备相应的安全机制：

　　权限体系管理：对系统进行账户权限分离，各账户登录人员只能行使各自职权范围的职责，无法对非权限范围内的数据进行查阅及修改等；

　　分权管理：服务器硬件管理和系统管理分权管理，服务器硬件管理人员无权管理系统数据，系统管理人员无权登录服务器硬件，防止因个人行为导致的安全事件，如删除某些工作失误日志记录等；

　　事件记录：对系统所有操作进行日志记录，对重要事件进行流转及审核等；

　　数据备份：定期自动对系统数据进行全面备份，防止系统崩溃引发灾难；

　　热备份及热切换：应提供服务器群设计，在一台服务器崩溃或损坏时，可自动切换到备用服务器，避免服务因此中断；

　　5. 扩展性需求

　　系统应具备足够的扩展能力，以方便后期扩容和功能扩充，其主要有以下几方面的需求：

　　网络扩容能力：为了后期更好的发展，应具备足够的网络带宽，并能提供方便的扩容，项目工程设计内应考虑足够的网络接入能力，如端口、服务器机架等；

　　服务器扩容能力：服务器建设应考虑后期容量的扩展，在不影响系统正常运行的情况下；

　　系统扩展接口能力：系统应提供足够的数据接口，方便后期与各子系统的接口，方便数据的共享；

　　后端服务扩展能力：系统应提供标准的接入界面，为后续后端配套服务引入打下基础，如各种服务提供商等，方便后期提供更多增值业务服务；

　　数据深度挖掘扩展：可实现后期深度挖掘系统的数据采集和扩展能力；

　　1、 安全性原则
由于系统业务涉及不同权限的部门、不同类型的业务数据，系统的安全保密性是系统设计的重要原则。系统将采用权限控制和网络控制两种方法，保证整个软件系统不会出现非法访问和各子功能的非法使用。

　　2、稳定性原则

　　系统建成后将成为xxx老年社区的核心应用系统，这就要求在系统设计、开发和应用时，应从系统结构、技术措施、软硬件平台、技术服务和维护相应能力等方面综合考虑，确保系统较高的性能和较低的故障率。系统建设将采用先进和高度商品化的软硬件平台、网络设备和二次开发工具。在进行系统设计、实现和测试时采用科学有效的技术和手段，确保系统交付使用后能持续稳定地运行

　　3、规范性原则

　　整个系统规范标准的制订将完全遵照国家规范标准和有关行业规范标准，根据系统的总体结构和开发平台的基本要求，完成标准化的系统设计。

　　4、实用性原则

　　作为一个应用型系统，实用性是直接影响系统的运行效果和生命力的最重要因素。系统将在深入调查研究的基础上设计研发，使得软件功能设计合理、全面、实用，能最大限度地满足xxx老年社区管理工作需要。具体包括做到界面设计人性化（尽量模拟人的工作习惯，随时提示）；业务处理的操作功能“傻瓜化”，简单、易于操作；同时也应提供复杂但功能强大的管理操作功能，供系统维护人员使用。

　　5、先进性原则

　　包括硬件设备、软件和技术方法的先进性。

　　硬件设备的先进性：硬件设备应选用性能价格比高的设备，并有很高的可靠性和较长的使用寿命；

　　软件的先进性：软件采用目前国际上通用并符合发展趋势的软件，为以后的功能扩充打下基础；

　　技术方法的先进性：采用先进的技术方法和理论，设计实用、可靠、具有先进理论水平的分析模型和应用模型。

　　6、可扩展原则

　　其主要包括三类：

　　业务扩展：

　　随着xxx老年社区管理工作的不断深入和发展，各类数据库以及业务管理模式都可能发生变化；同时各种业务流程以及相关表格也可能发生变化，系统应能够适应变化，进行动态更新、修改和扩充。

　　功能扩展：

　　为了满足用户今后系统扩容和扩大应用范围的需求，系统应充分考虑从系统结构、功能设计、管理对象等各方面的功能扩展，针对养护中心信息化系统特有的数据挖掘及分析需求可持续扩展。

　　软硬件升级：

　　系统应充分考虑软硬件平台的可扩展性及软、硬件的负载均衡机制。具有灵活和平滑的扩展能力。

　　本着节约投资的原则，在系统设计过程中尽可能利用现有设备和资源。新添置的设备以满足使用为原则，同时保证系统的平滑扩容。

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　　6. 总体设计

　　系统将基于移动物联网技术构建，采用统一平台结构和分布式应用系统构建模式，对使用用户采用统一的B/S界面，最大限度简化操作和降低维护成本；

　　7. 系统组成

　　子系统架构

　　老人定位及数据传感器的数据传输采用无线方式，数据经由老人携带的腕表，经数据传感器无线传递到物联网网关，物联网网关通过有线方式传输到定位及生命体征监测子系统，通过子系统硬件数据采集模块进行数据分发，定位数据分别分发到定位模块及轨迹模块，生命体征数据分发到生命体征监测模块，几大模块一旦确定数据有异常，将会传输告警数据到告警模块，由告警模块统一输出告警信息。

　　整体模块将所有数据均记录于数据库，并对系统操作进行日志记录。

　　8. 数据库设计

　　因采用统一数据库接口标准，其数据建库主要有以下分类：

　　人员基本信息标识数据库：　　

　　与客户数据进行一一对应标识，以将定位及生命体征数据进行有效识别；

　　地理空间信息数据库：

　　提供对社区平面、各楼层二维立体的GIS数据存储，各区域设定数据存储；

　　人员定位及轨迹数据库：

　　提供基于人员标识的定位及轨迹数据的存储，根据设定的采集频率，其数据库更新将会较快；

　　客户监测数据库：

　　提供对客户生命体征监测的数据存储，根据设定的采集频率，其数据库的更新将会较快；

　　告警数据库：

　　提供各类告警信息输出的数据存储；

　　9. 权限设计

　　系统权限设计为系统安全、持续稳定运行的基础，系统权限设计将采用以下设计方式：

　　系统登录设计：

　　系统登录是信息系统最基本的安全，也是账户权限控制的基础，本子系统通过标准化的权限数据接口，实现与养护中心信息平台的统一登录，所需权限信息全部由信息平台统一同步提供；

　　功能模块表设计：

　　通过对功能模块的列表设计，可使权限控制达到最大灵活，即使同一权限范围的用户，也可通过功能模块表定制，使其实现各种不同模块的访问能力，避免权限设计过多导致账户分配混乱；

　　账户权限体系设计：

　　本子系统账户权限设定完全参照社区信息平台统一设定，统一鉴权。

　　10. 定位及监测系统设计

　　定位及监测系统设计主要包含以下功能：

　　人员定位功能：

　　可提供实时定位和周期定位功能，例如实时查询位置和周期检测是否在规定时间到某一特定场所，如房间、治疗室等；

　　轨迹记录及回放功能：

　　提供人员轨迹记录及按时间段查询和回放功能；

　　GIS地图数据制作及编辑：

　　提供GIS地图展示和地图制作及编辑功能；

　　危险区域设定：

　　可提供区域划定、限制出或入等触发条件功能；

　　应急呼救：

　　客户用呼救器进行呼救时，可及时显示及提供告警，并可联动短信或声光报警等；

　　定位抢救：

　　在接到呼救的时候，可快速定位呼救源位置，并组织抢救；

　　生命体征监测：

　　对客户进行生命体征监测，通过先进科技对人员的动态进行判断，例如是否活动，是否运动剧烈，根据设定阀值，如长时间没有活动或活动过于异常即会自动告警提示；

　　自动报警：

　　提供对所有信号源的自动化告警，对老人跌倒、低电压等也会听过告警，系统提示、声光告警、短信、电话等手段；

　　监控中心

　　提供统一的B/S架构的UI，用于对养护中心人员的定位和告警监测；

　　11. 安全体系设计

　　系统安全

　　按社区信息化平台设计设定基础权限管理系统；

　　数据实现定期自动备份；

　　设定系统功能表控制，对同一权限实现不同模块访问控制；

　　所有操作将通过日志记录备案；

　　信息安全

　　系统在设计时将采用先进技术手段，控制页面数据下载和复制；

　　对远程接入访问将通过养护中心信息平台统一身份识别和访问控制；

　　12. 扩展性设计

　　服务器软件设计采用分布式系统设计，数据库、应用、WEB接入均采用分离式设计，系统扩容将不会影响系统正常运行；

　　本项目将会开发及定义各种标准化的数据接口，以供后期扩展使用；

　系统将设计统一的服务接入界面，可直接嵌入社区信息平台以及后期其他系统；

(四) 建设方案

　　基础硬件建设

　　4.1 人员定位子系统；

　　人员电子腕带每隔一定时间（0.5s~1s）向外发送一次ID信息，附近3~4个读卡器收到人员电子腕带信息，并生成无线场强信息RSSI，根据预先现场测量结果读卡器将人员电子腕带信息和距离范围信息送入由物联网网关组成的Zigbee无线数传子系统，无线数传子系统通过以太网将人员信息送入中心数据库定位监控系统进行计算，并在监控终端电子地图显示人员位置信息。

　　编号 过程 说明

　　1 无线电子腕带 无线电子身份卡定时向外发送识别卡ID信息

　　2 读卡器接收处理 附近3～4个读卡器收到识别卡信息，并对各自接收到的场强信息RSSI根据前期测量进行预处理转换成距离信息， 送入附近物联网网关。

　　3 数据MISH传递 物联网网关收到信息后通过本地以太网（TCP/IP）送入机房服务器

　　4 中心处理 机房服务器接收到信息后，对无线电子腕带位置信息进行计算，并将计算结果实时显示在系统监控终端。

　　4.2 智能床位监测子系统

　　智能床位监测子系统采用了国际先进的传感器和Zigbee无线通讯技术结合并在国内多个福利院的成功应用。

　　通过加装在床位上的无线床位监护传感器，可以实时了解老人床位的压力数据来判断老人是否卧床。如果在预设好的警戒时间（例如：晚21：00-6：00）老人离开病床一定时间（例：10分钟客户可根据自己需要进行设定）系统报警，提示看护人员查看，避免意外发生。

　　4.3、相关硬件

　　4.3.1、电子标签腕带

　　• 采用高强度防水耐磨ABS塑料；

　　• 主要为重复使用方便设计，也可设计为一次性调节封条；

　　• 自动定时回报状态信息,通讯距离最大100M；

　　• 电池低压告警，电池容量低压时主动上报低压信息，提示管理人员及时充电；

　　• 腕带可加装震动传感器，对老人日常活动状态通过Zigbee网络采集并传输；

　　• 报警按钮设计，如老人感觉不适可按动报警按钮提示工作人员前往救护；

　　• 此腕带具备人员定位、手动报警、跟踪定位、人员常态查询、人员医疗健康挡案信息、家庭成员信息等功能；

　　• 此腕带具备门禁、考勤、消费等一卡通卡片的功能。

　　4.3.2、无线定读卡器—室内型

　　产品名称：无线定读卡器—室内型

　　型号 WT-24-LR01A

　　硬件系统 处理器 CC2530 RF 8051 MCU 双模组

　　内存 8 KB RAM、256 KB flash

　　工作参数 工作频率 2394 MHz to 2507MHz

　　输出功率 -30dBm to 20 dBm

　　接收灵敏度 -85dBm to -97 dBm

　　传输距离（空气可视） 定位覆盖100M

　　无线传输1000M

　　掉电保存期 >10年

　　工作温度 -40℃ ～ +80℃

　　存储温度 -60℃ ～ +85℃

　　抗电磁干扰 10V/m 0.1～1000MHz AM调幅电磁波

　　震动 10～2000Hz 15g 三个轴

　　自由跌落 2000mm 混凝土地面，每个面各两次

　　电源参数 电池（选装） 可配置内置可充电锂电池备用电源，；

　　工作电压范围 85V AC to 230V AC

　　工作电流 接收电流24 mA

　　一般发射电流26 mA

　　最大发射电流300 mA（与中心基站通讯）

　　休眠电流15μA

　　机械特性 材料 ABS 工程塑料

　　外形 吸顶圆盘式

　　接口 UART；zigbee无线；I/O

　　RS232；RS485；CAN BUS；

　　指示灯 2个双色LED指示灯；（可关闭）　　

　　防护等级 IP 54

　　功能特点 身份识别 可识别佩戴电子标签人或物

　　定位跟踪 在信号范围内，实现实时定位跟踪功能

　　数据传输 在信号范围内，可实现无线数据透明收发传输功能

　　监测监控 外置传感器，可实现模拟量、开关量监测监控终端；

　　应用行业

　　4.3.3、 物联网网关

　　产品名称：物联网网关

　　硬件系统 处理器 ARM9 CC2530 RF 8051 MCU

　　内存 1M RAM 8M flash

　　工作参数 工作频率 2394 MHz to 2507MHz

　　输出功率 -30dBm to 20 dBm

　　接收灵敏度 -85dBm to -97 dBm

　　传输距离（空气可视） 无线传输1000M

　　掉电保存期 >10年

　　工作温度 -40℃ ～ +80℃

　　存储温度 -60℃ ～ +85℃

　　抗电磁干扰 10V/m 0.1～1000MHz AM调幅电磁波

　　震动 10～2000Hz 15g 三个轴

　　自由跌落 2000mm 混凝土地面，每个面各两次

　　电源参数 电池（选装）

　　工作电压范围 85V AC to 230V AC

　　工作电流 接收电流24 mA

　　最大发射电流300 mA

　　机械特性 材料 ABS 工程塑料

　　外形 DIN导轨

　　接口 以太网；URAT；zigbee无线；I/O

　　RS232；RS485；CAN BUS；（有线接口可选项）

　　指示灯 2个双色LED指示灯；（可关闭）

　　防护等级 IP 54

　　功能特点 网络管理 对于网络中所有设备传输、时序、结构进行管理；

　　数据汇聚 汇聚所有网络中数据；

　　协议转换 将无线数据协议转换为以太网信息，送入管理平台；

　　安装方式 挂壁安装

　　子系统软件建设

　　系统采用JAVA语言设计，采用流行的MVC三层结构，应用服务器通过WebService技术接口。

　　子系统将具备与其他功能应用子系统交互数据的能力，数据交换将建立在养老中心信息系统统一的数据库存储系统。

　　系统操作日志将统一建立在养老中心信息系统统一的日志管理服务器内。

　　系统UI将遵循养老中心信息平台统一的规范制作，将与养老中心信息系统无缝集成。

　　权限管理及客户资料将与社区信息平台保持一致性，子系统与信息平台无缝集成后，自动建立客户基本标识，以实现定位和轨迹自动记录。

　　主要功能模块

　　定位功能

　　基于物联网核心技术的Zigbee定位管理系统，主要在人员进出各功能区的时候进行位置记录。

　　在房间或每层楼部署无线定位读写基站，可轻易的探测到携带腕表的老人的具体位置，例如是否回到房间。

　　区域限制功能

　　此功能可设定楼层，平面区域，作为限制，可限制出或入，当携带定位腕表的人员未经授权进出限制区域时，系统会发出信息给监控部门示警，这可有效防止不必要的意外发生，增强安全管理级别

　　轨迹记录和回放功能

　　此功能实现人员携带定位标签在楼层中行走时，楼道间部署的RFID传感器，实现行走轨迹记录，以及关键时间点，可用于回放及有效数据分析；

　　可分别对各楼层进行管理，精确的显示出人员所在的楼层位置和平面位置，以及为楼层编号，方便意外情况发生时，可自动将定义的楼层和区域信息发送给相关人员；

　　GIS地图数据制作与编辑功能

　　此功能可编辑社区地理信息数据，包含三维和平面建模及栅格化数据，以方便定位和楼层管理。

　　应急呼救及视频联动功能

　　子系统将由生命体征监测模块对呼救信息、腕表失联、超出监控范围等告警进行转发，当生命体征监测模块接收到应急呼救或老人跌倒等告警数据时，将直接转发告警信息，将相应的告警代码发送到告警通知模块，告警通知模块将告警信息发布到社区管理中心平台，触发系统告警，并联动视频，在监控屏幕中精确显示告警点楼层和位置。

　　生命体征监测功能

　　生命体征监测将具备以下功能点：

　　（1） 生命体征监测告警阀值设定，包含监控频率，震动监测基准值，震动监测时间告警阀值，震动监测活动等级告警阀值。

　　（2） 生命体征数据采集，此功能按一定频率采集生命体征数据，存放到数据库。

　　（3） 生命体征数据动态监测，当采集到数据库的数据通过该功能与预设阀值进行判断比较，如发现异常即产生告警数据，并附带相应的高级识别码及人员标识。