基于RSSI的室內(nèi)定位技術在醫(yī)院暴力預警中的應用

胡亮+湯國平+鮑旭強

摘要：醫(yī)院暴力事件頻繁發(fā)生，不僅給醫(yī)護人員的身心健康帶來負面影響，同時嚴重妨礙了醫(yī)院正常的就醫(yī)秩序，已經(jīng)成為一個嚴峻的社會公共衛(wèi)生問題。為了有效預防醫(yī)院暴力事件的發(fā)生，因此應用室內(nèi)定位技術，開發(fā)研制了一套醫(yī)院暴力預警系統(tǒng)，通過系統(tǒng)報警、實時定位和攝像系統(tǒng)，能夠讓安保人員第一時間采取保護措施，有效預防和阻止醫(yī)院暴力事件的發(fā)生。

關鍵詞：室內(nèi)定位；醫(yī)院暴力；提前干預

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.09.098

隨著無線通信技術發(fā)展，基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）在室外的定位幾乎達到了完美的地步，其良好的定位精度解決了很多實際問題。然而在室內(nèi)環(huán)境下，由于衛(wèi)星信號受到噪聲、障礙物的阻擋，折射、反射和嚴重多徑效應等環(huán)境因素的影響，GPS的定位精度明顯下降，而且室內(nèi)建筑結構非常復雜，GPS定位已經(jīng)不能滿足室內(nèi)定位的要求。近年來，研究人員開始尋找新的室內(nèi)定位解決方案，如A-GPS定位技術、超聲波定位技術、藍牙技術、紅外線技術、射頻識別技術（RFID）、超寬帶技術、無線局域網(wǎng)絡（Wi-Fi）、光跟蹤定位技術，以及圖像分析、信標定位、計算機視覺定位技術等等技術應運而生。其中，超寬帶技術已經(jīng)實現(xiàn)厘米級別的定位，且具有較強的抗干擾能力，但是由于實施成本較高，目前只應用于一些專業(yè)領域。隨著IEEE802.11技術的不斷成熟，Wi-Fi技術的普及，能夠最大程度地利用已有的基礎網(wǎng)絡和不斷普及的終端用戶設備，從而顯著降低了初始成本和長期支持成本。另外，基于Wi-Fi的定位系統(tǒng)還降低了射頻（RF）干擾可能性，因此，Wi-Fi無線定位技術具有一定的優(yōu)勢，越來越受到室內(nèi)定位學術界和產(chǎn)業(yè)界的關注。

醫(yī)院暴力（即醫(yī)院工作場所暴力）是指衛(wèi)生人員在其工作場所受到辱罵、威脅和攻擊，從而對其安全、幸福和健康造成明確或潛在的挑戰(zhàn)。醫(yī)院暴力事件的頻繁發(fā)生，不僅給醫(yī)護人員的身體和心理產(chǎn)生惡劣影響，降低了醫(yī)護人員的職業(yè)幸福感，同時也嚴重影響了醫(yī)院的就醫(yī)秩序。本文應用Wi-Fi室內(nèi)定位技術，研制了一套醫(yī)院暴力預警系統(tǒng)，當出現(xiàn)醫(yī)療暴力預兆或剛發(fā)生時，醫(yī)務人員按下隨身攜帶的胸牌卡上的報警按鈕，啟動醫(yī)療暴力預警系統(tǒng)，向醫(yī)院安保中心發(fā)出求救信號，安保中心收到求救信號后，立即啟動對醫(yī)護人員的實時定位，并通過攝像系統(tǒng)及時了解現(xiàn)場情況，準確出動保衛(wèi)人員維護現(xiàn)場秩序，從而有效地防止醫(yī)院暴力事件的發(fā)生。

1室內(nèi)定位算法

為了獲取精確的室內(nèi)定位信息，國內(nèi)外一些研究人員提出了許多定位算法，其中應用于Wi-Fi室內(nèi)定位技術的算法主要有：基于時間到達算法（Time Of Arrival，TOA）、基于到達的角度算法（Angle Of Arrival，AOA）、到達的時間差算法（Time Difference Of Arrival，TDOA）和接收信號強度指示算法（Received Signal Strength Indicator，RSSI）等，其中基于RSSI算法的定位方法具有低成本、低功耗、無需額外硬件開銷等特點，所以RSSI已經(jīng)成為Wi-Fi室內(nèi)定位技術的主要方法。

確定性定位技術是一種相對簡單的位置指紋定位技術，該方法依賴于RSSI與物理位置的對應關系，具體分為：訓練階段和定位階段。訓練階段的工作是進行數(shù)據(jù)采集并建立位置指紋數(shù)據(jù)庫，定位階段的工作是進行位置匹配工作，計算實時RSSI與對應位置指紋數(shù)據(jù)庫中RSSI均值之間的歐式距離，最后找出歐式距離最小的一個參考位置或K個參考位置的平均值作為估計位置，整個過程如公式（1）所示：

min（D），D=∑ni=1（RSSIi-Pi）2

（1）

其中，i=1，…，n，RSSIi表示實時測量的第i個AP的RSSI，Pi表示位置指紋數(shù)據(jù)庫中第i個AP的RSSI的均值。

確定性定位算法中最常用的算法是近鄰近算法，近鄰近算法包括最近鄰法（NN）、K最近鄰法（KNN）和WKNN最近鄰法。在環(huán)境因素一定的情況下，能對KNN算法和WKNN算法結果產(chǎn)生影響的參數(shù)都取決于K值的選取，這里將主要討論最近鄰法（NN）和K最近鄰法（KNN）：（1）最近鄰法是尋找尋找歐式距離最小對應參考點位置，即最鄰近參考點位置，直接將它最為測試點位置的估算，其定位精度具有隨機性，依賴于測試點與最近鄰指紋點的匹配情況；（2）K最近鄰法是最近鄰法的改進，將歐式距離進行排序，并取K（K≥2）個歐式距離最小的參考點，計算參考點位置坐標的平均值，將其作為測試點的位置坐標，如公式（2）所示：

（x，y）=-1K∑Ki=1（xi，yi）（2）

其中，（x，y）表示測試坐標，（xi，yi）是前K個參考點中第i個參考點的坐標。

經(jīng)過測試和實驗，當K的取值為1、2、3時，平均定位誤差、均方根誤差、標準差以及誤差最大值和最小值之間的差值，隨K值的增大而減?。划擪的取值為4、5時，定位誤差的相關數(shù)據(jù)隨著K值的增大幾乎都增大了。因此，對于本實驗來說K值為3是定位精度最好。

2系統(tǒng)的結構組成和基本功能

系統(tǒng)主要由Wi-Fi定位標簽、低頻觸發(fā)定位器、AP定位器、移動端SDK、攝像系統(tǒng)和后端定位管理中心等六部分組成（如圖1所示）。

基本工作原理為：低頻觸發(fā)定位器的天線產(chǎn)生125KHz的低頻信號場，當我們的定位標簽進入這個信號磁場并按下報警按鈕后，會感應到這個磁場的ID，并會在數(shù)據(jù)包里加入這個磁場的ID，發(fā)出的2.4GHZ信號，這樣AP收到的信號中不僅包含了信號強度還包括磁場ID，服務器收到這個信息，再結合RSSI三角定位算法，就可以得到一個比較精確的定位結果。

2.1Wi-Fi定位標簽

將對人體無害的，雙頻定位電子標簽（2.4GHz和125KHz）集成于醫(yī)護人員胸牌上，如圖2所示。為了保護醫(yī)護人員的隱私，Wi-Fi定位標簽卡在非報警狀態(tài)下不發(fā)出信號，當遇到醫(yī)療暴力時，醫(yī)務人員按下報警按鈕后，Wi-Fi定位標簽卡才發(fā)出報警信號。Wi-Fi定位標簽由單片機、125K低頻接收模塊、24GHZ信號發(fā)射模塊、陶瓷天線等部分組成。125K低頻接受模塊用于接受低頻信號，在單片機的協(xié)調(diào)下發(fā)射24GHZ信號。endprint

2.2低頻觸發(fā)定位器

觸發(fā)定位器通過天線可以持續(xù)不間斷的發(fā)射信號，每個天線的信號包含了唯一ID，記錄位置信息，在天線覆蓋的特定區(qū)域內(nèi)能激活進入信號范圍的低頻標簽。觸發(fā)定位器安裝方便，只需要接通電源即可，布線簡單，觸發(fā)定位器可以同時支持6個天線，每個天線覆蓋范圍從1米到6米可調(diào)。

2.3AP定位器

AP定位器采用2.4GHz頻段，支持802.11b/g/n模式和無線探針掃描功能，能夠識別周圍存在的Wi-Fi設備，如AP、Wi-Fi標簽、Wi-Fi手機、PDA、筆記本等；可轉發(fā)Wi-Fi標簽的報警功能，如按鈕報警、低電壓報警和拆卸報警等；可上報信號強度（RSSI），判斷Wi-Fi終端距離的遠近；支持企業(yè)級無線數(shù)據(jù)傳輸功能，具有無線掃描成功率高，信號強度的特點。

2.4移動端SDK

工作人員可以通過微信或APP隨時隨地查看和處理報警。支持跨平臺（Android/iOS/微信/網(wǎng)頁/PC）的一款定位導航開發(fā)包，能方便迅速地集成到第三方APP或HTML5應用中。

2.5攝像系統(tǒng)

在醫(yī)護人員啟動報警功能后，系統(tǒng)將根據(jù)定位信息自動啟動定醫(yī)護人員附近的攝像頭。監(jiān)控中心可實時查看攝像信息，并且根據(jù)設定條件彈出多個視頻窗口，軌跡回放時也可以同時調(diào)取相應時間地點的錄像。通過視頻聯(lián)動，使監(jiān)控中心準確判斷出醫(yī)院暴力事件的類型和級別，使醫(yī)院安保系統(tǒng)做出正確的判斷和反應。

2.6后端定位管理中心

主要實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的分析處理，根據(jù)信號強度（RSSI）算法進行三角定位，計算出報警標簽的位置，并通過電子地圖進行查看。管理人員可鎖定一個或多個定位標簽，按時間段播放，顯示移動，地圖切換。

3討論

在過去的十年間 （2003-2013年），暴力傷醫(yī)事件的數(shù)量和造成的危害是觸目驚心的，共發(fā)生101 起嚴重暴力襲醫(yī)事件，其中23 起殺醫(yī)事件造成24名醫(yī)護人員死亡，占整個醫(yī)療暴力事件的 23%。根據(jù) 2012 年中國醫(yī)院協(xié)會公布的一組數(shù)據(jù)顯示，2008 年平均醫(yī)院發(fā)生醫(yī)護被襲事件為 20.6 起，可到了2012 年，這個數(shù)據(jù)陡增到27.3起。僅在2013 年10 月17日到 27 日的十天時間內(nèi)，就發(fā)生了6起暴力襲醫(yī)事件，造成 2 名醫(yī)生死亡，6 位醫(yī)生受重傷。醫(yī)院暴力事件已經(jīng)是全球現(xiàn)象，并且呈逐年上升趨勢，嚴重危及醫(yī)護人員的人身安全。

然而，醫(yī)院暴力不是一個偶發(fā)事件，其發(fā)生、發(fā)展必然經(jīng)歷一個過程，大部分醫(yī)院暴力事件具有可預防、可干預性。本文應用室內(nèi)定位技術研制的“醫(yī)院暴力預警系統(tǒng)”具有報警方式隱蔽、定位精度高（定位精度 ≤ 2米）、實時定位、視頻聯(lián)動等功能和特點，為防范醫(yī)院暴力、保證醫(yī)護人員的人身安全提供了新的思路和手段。

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