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基于RSSI的室内定位技术在医院暴力预警中的应用
胡亮汤国平鲍旭强
（浙江大学医学院附属第四医院,浙江 义乌 322000）
摘 要：医院暴力事件频繁发生,不仅给医护人员的身心健康带来负面影响,同时严重妨碍了医院正常的就医秩序,已经成为一个严峻的社会公共卫生问题.为了有效预防医院暴力事件的发生,因此应用室内定位技术,开发研制了一套医院暴力预警系统,通过系统报警、实时定位和摄像系统,能够让安保人员第一时间采取保护措施,有效预防和阻止医院暴力事件的发生.
关键词：室内定位；医院暴力；提前干预
中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.09.098
随着无线通信技术发展,基于全球卫星定位系统（GPS）在室外的定位几乎达到了完美的地步,其良好的定位精度解决了很多实际问题.然而在室内环境下,由于卫星信号受到噪声、障碍物的阻挡,折射、反射和严重多径效应等环境因素的影响,GPS的定位精度明显下降,而且室内建筑结构非常复杂,GPS定位已经不能满足室内定位的要求.近年来,研究人员开始寻找新的室内定位解决方案,如A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术（RFID）、超宽带技术、无线局域网络（Wi-Fi）、光跟踪定位技术,以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等技术应运而生.其中,超宽带技术已经实现厘米级别的定位,且具有较强的抗干扰能力,但是由于实施成本较高,目前只应用于一些专业领域.随着IEEE802.11技术的不断成熟,Wi-Fi技术的普及,能够最大程度地利用已有的基础网络和不断普及的终端用户设备,从而显著降低了初始成本和长期支持成本.另外,基于Wi-Fi的定位系统还降低了射频（RF）干扰可能性,因此,Wi-Fi无线定位技术具有一定的优势,越来越受到室内定位学术界和产业界的关注.
医院暴力（即医院工作场所暴力）是指卫生人员在其工作场所受到辱骂、威胁和攻击,从而对其安全、幸福和健康造成明确或潜在的挑战.医院暴力事件的频繁发生,不仅给医护人员的身体和心理产生恶劣影响,降低了医护人员的职业幸福感,同时也严重影响了医院的就医秩序.本文应用Wi-Fi室内定位技术,研制了一套医院暴力预警系统,当出现医疗暴力预兆或刚发生时,医务人员按下随身携带的胸牌卡上的报警按钮,启动医疗暴力预警系统,向医院安保中心发出求救信号,安保中心收到求救信号后,立即启动对医护人员的实时定位,并通过摄像系统及时了解现场情况,准确出动保卫人员维护现场秩序,从而有效地防止医院暴力事件的发生.
1室内定位算法
为了获取精确的室内定位信息,国内外一些研究人员提出了许多定位算法,其中应用于Wi-Fi室内定位技术的算法主要有：基于时间到达算法（Time Of Arrival,TOA）、基于到达的角度算法（Angle Of Arrival,AOA）、到达的时间差算法（Time Difference Of Arrival,TDOA）和接收信号强度指示算法（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、无需额外硬件开销等特点,所以RSSI已经成为Wi-Fi室内定位技术的主要方法.
确定性定位技术是一种相对简单的位置指纹定位技术,该方法依赖于RSSI与物理位置的对应关系,具体分为：训练阶段和定位阶段.训练阶段的工作是进行数据采集并建立位置指纹数据库,定位阶段的工作是进行位置匹配工作,计算实时RSSI与对应位置指纹数据库中RSSI均值之间的欧式距离,最后找出欧式距离最小的一个参考位置或K个参考位置的平均值作为估计位置,整个过程如公式（1）所示：
其中,i等于1,…,n,RSSIi表示实时测量的第i个AP的RSSI,Pi表示位置指纹数据库中第i个AP的RSSI的均值.
确定性定位算法中最常用的算法是近邻近算法,近邻近算法包括最近邻法（NN）、K最近邻法（KNN）和WKNN最近邻法.在环境因素一定的情况下,能对KNN算法和WKNN算法结果产生影响的参数都取决于K值的选取,这里将主要讨论最近邻法（NN）和K最近邻法（KNN）：（1）最近邻法是寻找寻找欧式距离最小对应参考点位置,即最邻近参考点位置,直接将它最为测试点位置的估算,其定位精度具有随机性,依赖于测试点与最近邻指纹点的匹配情况；（2）K最近邻法是最近邻法的改进,将欧式距离进行排序,并取K（K≥2）个欧式距离最小的参考点,计算参考点位置坐标的平均值,将其作为测试点的位置坐标,如公式（2）所示：
其中,(x,y)表示测试坐标,(xi,yi)是前K个参考点中第i个参考点的坐标.
经过测试和实验,当K的取值为1、2、3时,平均定位误差、均方根误差、标准差以及误差最大值和最小值之间的差值,随K值的增大而减小；当K的取值为4、5时,定位误差的相关数据随着K值的增大几乎都增大了.因此,对于本实验来说K值为3是定位精度最好.
2系统的结构组成和基本功能
系统主要由Wi-Fi定位标签、低频触发、ＡＰ、移动端SDK、摄像系统和后端定位管理中心等六部分组成（如图1所示）.
基本工作原理为：低频触发的天线产生125KHz的低频信号场,当我们的定位标签进入这个信号磁场并按下报警按钮后,会感应到这个磁场的ID,并会在数据包里加入这个磁场的ID,发出的2.4GHZ信号,这样AP收到的信号中不仅包含了信号强度还包括磁场ID,服务器收到这个信息,再结合RSSI三角定位算法,就可以得到一个比较精确的定位结果.
2.1Wi-Fi定位标签
将对人体无害的,双频定位电子标签（2.4GHz和125KHz）集成于医护人员胸牌上,如图2所示.为了保护医护人员的隐私,Wi-Fi定位标签卡在非报警状态下不发出信号,当遇到医疗暴力时,医务人员按下报警按钮后,Wi-Fi定位标签卡才发出报警信号.Wi-Fi定位标签由单片机、125K低频接收模块、2.4GHZ信号发射模块、陶瓷天线等部分组成.125K低频接受模块用于接受低频信号,在单片机的协调下发射2.4GHZ信号.
2.2低频触发
触发通过天线可以持续不间断的发射信号,每个天线的信号包含了唯一ID,记录位置信息,在天线覆盖的特定区域内能激活进入信号范围的低频标签.触发安装方便,只需要接通电源即可,布线简单,触发可以同时支持6个天线,每个天线覆盖范围从1米到6米可调.
2.3AP
AP采用2.4GHz频段,支持802.11b/g/n模式和无线探针扫描功能,能够识别周围存在的Wi-Fi设备,如AP、Wi-Fi标签、Wi-Fi手机、PDA、笔记本等；可转发Wi-Fi标签的报警功能,如按钮报警、低电压报警和拆卸报警等；可上报信号强度（RSSI）,判断Wi-Fi终端距离的远近；支持企业级无线数据传输功能,具有无线扫描成功率高,信号强度的特点.
2.4移动端SDK
工作人员可以通过微信或APP随时随地查看和处理报警.支持跨平台（Android/iOS/微信/网页/PC）的一款定位导航开发包,能方便迅速地集成到第三方APP或HTML5应用中.
2.5摄像系统
在医护人员启动报警功能后,系统将根据定位信息自动启动定医护人员附近的摄像头.监控中心可实时查看摄像信息,并且根据设定条件弹出多个视频窗口,轨迹回放时也可以同时调取相应时间地点的录像.通过视频联动,使监控中心准确判断出医院暴力事件的类型和级别,使医院安保系统做出正确的判断和反应.
2.6后端定位管理中心
主要实现实时数据的分析处理,根据信号强度（RSSI）算法进行三角定位,计算出报警标签的位置,并通过电子地图进行查看.管理人员可锁定一个或多个定位标签,按时间段播放,显示移动,地图切换.
3讨论
在过去的十年间 (2003-2013年),暴力伤医事件的数量和造成的危害是触目惊心的,共发生101 起严重暴力袭医事件,其中23 起杀医事件造成24名医护人员死亡,占整个医疗暴力事件的 23%.根据 2012 年中国医院协会公布的一组数据显示,2008 年平均医院发生医护被袭事件为 20.6 起,可到了2012 年,这个数据陡增到27.3起.仅在2013 年10 月17日到 27 日的十天时间内,就发生了6起暴力袭医事件,造成 2 名医生死亡,6 位医生受重伤.医院暴力事件已经是全球现象,并且呈逐年上升趋势,严重危及医护人员的人身安全.
然而,医院暴力不是一个偶发事件,其发生、发展必然经历一个过程,大部分医院暴力事件具有可预防、可干预性.本文应用室内定位技术研制的“医院暴力预警系统”具有报警方式隐蔽、定位精度高（定位精度 ≤ 2米）、实时定位、视频联动等功能和特点,为防范医院暴力、保证医护人员的人身安全提供了新的思路和手段.
参考文献
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