北大六院技术方案

PAGE北大六院无线定位系统技术方案北京汇通融业科技发展有限公司2011年5月目录TOC\o"1-4"\h\z\u1需求分析 22无线定位系统整体设计 32.1设计原则 32.2系统架构 42.3系统定位原理 53系统实现功能 63.1人员的追踪及定位 63.1.1对病患实时追踪和定位 63.1.2报警功能 83.1.3历史轨迹及报警查询 93.1.4报表统计功能 103.2重点区域防范 113.2.1病患休息区的安全防范 113.2.2病患出入病区的监控 123.3病患的人身安全报警 133.3.1病患坠落自动报警 133.3.2病患跌倒报警 143.4系统集成 144北大六院定位设计方案 154.1无线定位部署设计 174.2定位系统设计 204.2.1系统基础数据管理子系统 204.2.2实时定位监控子系统 224.2.3电子地图子系统 254.2.4统计报表与分析 265设备选型 275.1电子腕带 275.2精确触发器 285.3定位引擎软件Engine 285.4定位监控软件Mobileview 295.5即时报警软件InstantNotifier 305.6管理PDA软件 311需求分析北京大学精神卫生研究所（北京大学第六医院、北京大学精神卫生学院）是北京大学精神病学与精神卫生学的临床医疗、人才培训与科学研究基地，是世界卫生组织(WHO)北京精神卫生研究和培训协作中心，也是中国疾病预防控制中心的精神卫生中心。北京大学第六医院在医学治疗上的特殊性，决定了医院的安全防范工作面临着巨大的困难，安全管理的重要性特别突出。而且，特殊病人的自我保护意识能力差，自我控制能力差；同时由于医院目前在软硬件系统不足上的限制，意外事件预警机制不健全，响应时间长，容易出现处理不及时责任无法界定等。以上这些潜在的因素促使医院必须通对医院安全监控系统的建设，采用先进的技术、高科技防范手段，实现医院的内部安宁与和谐。北京大学第六医院由于是精神科专科医院，医疗业务及病患存在特殊性。对于医疗质量安全及患者安全保护相比普通医院有更高的要求。根据本院的特殊情况对于人员安全防护需要实现如下功能。实时监控患者的位置通过电子地图或列表显示，可搜索。人员移动轨迹：通过电子地图实时显示一个或多个人员移动轨迹；跟踪指定人员：地图随着标签的移动自动切换，将鼠标移到标签上可以看到标签的当前状态；人员报警状态信息：通过电子地图上不同颜色和形状显示人员的报警状态。报警功能患者腕带支持断带报警患者违规自动报警功能患者晚间睡觉时，发生坠床、摔倒自动报警可以设定任意报警事件，如电池低电压报警、越界等等历史记录查询查询位置历史记录：任何人员的位置变化记录。查询历史报警记录。查询操作历史记录：关于标签的有关操作。历史轨迹查询追溯查询任意时段内人员的活动路线；可以按照时间轴查询对应时间点的人员位置信息；可以按照人员位置点，确定对应的时间点系统集成功能与视频监控系统联动可选择查看视频监控；报警时可自动调用标签所在位置附近的摄像头，查看视频监控；锁定人员，根据移动位置自动调用位置附近的摄像头。与信息管理系统集成提供API接口，能够与医院现有医疗管理系统平台结合，从医疗系统获取病患、医护人员的基础数据。2无线定位系统整体设计我们已经充分考虑到系统的完整性，以及将来北大六院的无线定位的扩展性。因此在系统功能、系统架构上按照全院进行设计。2.1设计原则实现人员的有效识别，使系统管理体现“人性化、信息化和高度自动化”；提供病患进出限制等多方面的信息查询；提供实时报警，通过该系统立刻可以知道报警信息，保证医院安全保护工作的高效运作；系统设计的安全性、可扩容性、易维护性和易操作性。无线符合FCC第15部分规定腕带对人体辐射满足政府要求2.2系统架构 北大六院实时定位系统(RTLS)的基础架构图如下：北大六院无线定位系统主要由以下六部分构成：（1）RFID定位标签：包括患者佩戴电子腕带，定位标签对外不断广播定位数据。（2）无线定位基站：接收RFID定位标签广播出来的数据，将数据通过网络平台转发给定位引擎服务器。同时无线定位基站还可进行数据、语音、视频、定位等多种业务的融合，多种应用使用同一平台传输，互相不受干扰和影响。（3）定位引擎：接收由定位基站传回的数据，通过场强定位等算法，计算标签所处位置。并将位置信息，传送给定位应用管理系统。（4）定位应用管理系统：用于接收定位引擎传来的位置信息，并将标签位置显示在平面图上。同时定位管理系统还可用于对标签的管理、标签的追踪、告警等等。（5）实时报警：把系统产生的报警信息实时发布到指定的管理终端上，方便报警处理的即时响应。（6）集成第三方系统：可将定位管理系统所收到的定位数据，与医院现有的视频监控系统、广播系统、医疗管理系统进行整合，从而实现更加丰富的功能。2.3系统定位原理无线定位系统工作原理如下图所示：在覆盖无线定位基站的地方，佩戴在病患手上的电子标签周期性地发出信号，定位基站接收到信号后，将信号传送给定位服务器。定位服务器根据信号的强弱或信号到达时差判断出病患的位置，并通过电子地图显示具体位置。基于定位基站的RFID定位技术依靠三点定位的形式：它至少需要三个定位基站来接收信号，然后通过定位标签到达这三个定位基站的场强值（RSSI）不同来计算出位置，在定位基站密布的区域准确度是最高的，但并非越密越好，一般标签在某一位置可与4-5颗定位基站通讯为宜。定位基站工作频率为：2.4G3系统实现功能北大医院无线定位系统主要实现如下应用功能：3.1人员的追踪及定位对病患的追踪及定位功能，主要实现如下功能：对病患实时追踪和定位报警功能历史轨迹及报警查询报表统计功能3.1.1对病患实时追踪和定位可视化终端平台，界面是全中文，可根据医院需求修改及定制。下图为人员实时追踪及定位的示意图。病患实时定位实时监控医院内病患的实时位置按照设定的条件，如各楼层、各科室、病房，实时监控病患的位置实时监控特定病患组别，如重度病患、轻度病患的实时位置实时监控人员位置信息，实时掌握病患的实时状态，信息包括病患的照片、病历、所属病房的各种医疗信息。准确定位到人员所在楼层、科室、病房、休息区等在电子地图上显示相关位置，信息包括楼层、科室、病房、休息区等病患实时活动轨迹跟踪实时监控特定病患的实时活动轨迹实时监控特定区域内病患的实时活动轨迹，如休息区、病房等。可以按照设定的条件，如各楼层、各科室、病房，实时监控病患的活动轨迹实时监控特定病患组别，如重度病患、轻度病患的实时活动轨迹人员移动轨迹实时查询，通过电子地图实时显示一个或多个人员移动轨迹跟踪指定人员，地图随着人员的移动自动切换病患实时状态通过电子地图或列表显示，可查询指定病患实时状态人员状态信息，在监控电子地图上，将不同病患按照不同的颜色、logo，编制成组，如重度病患组、轻度病患组等，便于识别、管理病患触发各种报警后，将在监控画面上病患图标将会改变颜色，提示医护人员人员实时查询可以实时查询各个病区的实时病患状态信息。将鼠标移到病患图标上可以看到病患的当前状态。可以按照设定的条件，如各楼层、各科室、病房，实时查询病患的信息。3.1.2报警功能腕带剪断报警：腕带戴到病患手上，病患就无法自行脱下来，只有破坏，为防止病患剪断腕带，可以在系统中启动防腕带剪断报警功能，如果病患将腕带弄断，该定位标签将会自动不断地向系统发出剪断报警信息。当然，如果是腕带由于某种原因，必须剪断时，可以先在系统中将指定标签的防腕带剪断报警功能关掉，然后再剪断腕带，这样系统就不再接受该标签的腕带剪断报警信息；消失报警：标签消失有多种因素（如电池没电或被破坏、标签越过信号覆盖区域等），可以设置指定标签的消失报警条件和报警级别，如该标签消失了，将会触发相应的报警；电池低电报警：可以在系统中设置电量最低界限，一旦标签电量低于这个界限将会发出报警信息；越界报警：某些区域属于禁区，未经允许的标签进入将发出报警信息，或某些病患不能离开某个区域，一旦离开将发出报警信息；出入关口报警：在出入某些关口时，可事先设定好哪些标签可以通过，当不符合要求的标签出入关口时将发出报警信息；报警语音提示：报警触发时，系统会自动在指定的监控终端上弹出报警界面，并发出语音提示，提醒医护人员及时处理。报警画面：当报警发出时，报警画面信息包括病患的名字、照片、报警所在的详细的地图信息等。此图是报警功能模拟画面3.1.3历史轨迹及报警查询此功能模块可以实现：病患历史轨迹回放，查询病患位置历史记录，查询任何病患的位置变化纪录；查询报警历史记录；查询操作历史记录。可以锁定一个标签，按时间段播放，显示移动轨迹可以锁定一张地图，按时间段播放，显示不同标签移动轨迹回放过程中可以显示各类报警可以全屏播放可以保存某一段轨迹录像可以保存某一段数据，可调用播放可同时使用多个播放某个病人历史轨迹查询示意图此图为查询历史报警查询示意图3.1.4报表统计功能可根据某段时间段进行数据统计；医护人员工作时间分配，如高峰期和闲置时间、停留区域，工作状态等；提供病患所处区域状态统计，合理分配医护人员；各类事件发生区域时间进行汇总分析；3.2重点区域防范加强医院重点区域的安全；如何对病患进行有效的自动管理，使其在规定的区域内活动；各个分系统（视频、广播等）实现联动；加强出入口的控制，防止病患随意出入。通过对上述重点区域的防范，可以有效的对潜在危险进行早期预警。3.2.1病患休息区的安全防范在病人的散步休息区域设置重点控制区域，对病人休息进行定时管理，对于休息中的病患进行重点的安全防范，确保病人的人身安全。同时与视频监控系统联动，当病人触发报警信号时，系统后台会切换报警区域的视频信号。方便医护人员处理。3.2.2病患出入病区的监控在医院各个病区出入口安装精确触发器1对。一个设置为“进”，一个设置为“出”。系统能够自动立刻记录通过病人的信息及时间。系统自动统计进入病区的人员数量。系统能够自动识别本病区的人员，其他病区人员进出则产生报警信息。3.3病患的人身安全报警精神病院患者为特殊群体，需要对患者的行为进行适当的监控，同时为了保护患者的人生安全，当患者存在过激行为，或患者脱离指定的安全区域时，需要医护人员能够及时发现，并进行安全保护。3.3.1病患坠落自动报警在晚间病患睡觉时，如果发生病患不睡觉或发生坠床事件，系统需要自动产生报警信息。提示医护人员及时处理。开启病患定位标签的移动传感器监测功能。在系统中设置移动报警事件，事件起效期限设置为病患睡觉期间。在病患睡觉期间如果发生移动或坠落，监控中心及指定的各个客户端，会弹出报警信息，包括病患姓名、照片、详细位置信息等。同时发出语音提示，提示医护人员及时查看。移动自动报警显示界面3.3.2病患跌倒报警在发生突然发病的情况下，患者无法主动向医护人员求助。标签通过自身运动传感器判断病人是否跌倒，如果跌倒则标签自动发出人员跌倒告警。在监控平台上显示病患的报警位置。监控中心及指定的客户端，会弹出报警信息，包括病人姓名、照片、发病的详细地理信息等同时不断发出连续刺耳的语音提示，提示医护人员及时救援。3.4系统集成运用SOA模式方法，设计原则，技术，与其他系统集成，提供相关接口，与其它系统数据交换和联动。与视频监控的联动报警时可自动调用标签所在位置附近的摄像头，查看视频监控。与医疗管理系统有效整合整合数据库相关信息资源，使本系统和医疗管理系统的信息共享和交换。4北大六院定位设计方案南通监狱无线定位与轨迹分析管理系统的管理分为三个级别，分别为：局级管理、监狱级管理、监区级管理。 局级管理：省监狱管理局作为统管全省所有监狱的管理机构，作为本系统的最高一级管理机构。通过本系统统一管理全省的所有监狱。由各家监狱定期上报汇总数据，也可由监狱管理局主动请求所需数据。 监狱级管理：本系统在监狱的核心部分为监狱监控调度中心。监控调度中心作为本系统的核心部分，即负责定期上报汇总数据给监狱管理局，又负责监狱中各个监区、访客登记处、探视处、AB门、围墙部分数据的统一管理。 监区级管理：监狱一般都由多个监区组成，监区内部由各监区自己管理即可。南通监狱跟踪定位系统采取整体设计、分步实施的原则。分步实施方式采取小范围、小区域示范，一期建设先满足部分干警和部分犯人需要,逐步扩充到全体干警和全体犯人。一期布设区域由一栋监舍楼组成。指挥中心指挥中心配置服务器2台，1台为数据库和应用服务器，1台计算引擎服务器服务器。应用服务器安装我们针对南通监狱二次开发的定位追踪管理软件Mobilview，提供WEB管理界面，可以远程管理。引擎服务器安装定位引擎软件。七监区1楼层安装9个定位基站AP60；门口安装一对精确触发器Exciter3210，分别设定为“进”、“出”。扫描频率为125毫秒。对所有犯人进出的信息（犯人个人信息、数量、出入时间），系统都会自动记录，并可与后台系统规则自动匹配，当不符合通过规则的犯人通过时，值班室立刻进行声光报警，并对违规事件进行记录。2、3、4楼分别安装6个定位基站AP60。选用Aeroscout实时定位系统，无需在每个房间安装定位基站，系统能够自动识别。定位精度2-3米。7监区定位系统拓扑图4.1无线定位部署设计由于无线定位采用Wi-Fi的技术，定位计算是基于场强定位法。无线基站在室外的覆盖距离100-200米，室内覆盖距离30-50米。因此无论是在室内还是室外，只要在无线信号覆盖区域内，标签同时被3个基站覆盖，即可实现精确定位。因此，整个北大六院无线AP的部署，可以大幅度减少。同时每个监舍不必都安装无线基站。无线定位系统需要部署的AP总数是39个。三段一层AP部署6个AP。 RFID触发器一般放置在带有WIFI标签的人员或资产通过的一个特殊的区域，例如：门口、走廊、或其它与外部交界的区域。如下图所示：当WI-FI标签通过该区域时，触发器将触发标签发送信号给WIFI无线网络中的接收器(AP)；触发器通过125KHz的低频信号以极短的时间间隔向WIFI标签发送信号。由于标签始终是打开的，随时准备接受触发器的信号，所以发送的信号能够及时地被WIFI标签上的低频接收器所接受。触发器不接收WIFI标签返回的发送，但能更精确地触发标签传输一个瞬间信息。这个标签信息包含被它触发的触发器的ID和时间信息。任何WIFI接入点(AP)都可以接收这个标签信息，因此知道哪个标签经过了触发器,结合着其他环境位置信息，定位计算引擎可以立即给出一个精确的位置信息。三段二层AP部署7个AP。三段三层AP部署7个AP。三段四层AP部署7个AP。（5）三段五层AP部署7个AP。（6）一段三层AP部署5个AP。上面是我方通过实地考察设计的北大六院病区AP部署方案无线AP主要用于接收定位标签广播出来的数据，并将数据传给POE交换机。AP可以部署在任何需要进行无线覆盖的区域，空旷区域内AP与标签的最大通讯距离是100-200米左右，室内环境中，由于格局等各种因素的影响，一般距离在30-50米左右。对于定位系统的AP部署时，要求标签在任何区域均至少要有3颗AP可以与标签进行通讯。与这3颗AP的信号强度不低于-75dbi，最好在-70dbi以上，为将来在无线网络上扩展其他应用奠定基础。根据北大六院的平面图，并根据以往无线AP的部署经验，部署39颗AP即可完全满足无线定位的需要。所有定位标签无需IP地址，使用网络底层协议与无线AP进行通讯，占用无线AP资源极少。标签发送的定位数据包仅为400Bit左右，1Mbps的带宽仅需要0.4ms即可完成定位数据包发送。每个AP可以带150个标签计算，20个AP可带3000个标签。每个标签的数据仅为400bit左右，每个AP最大可带标签数量为255个。虽然理论上信号强度越高，网络质量越好，但对于基于场强定位技术来说，未必是件好事情，信号强度越高，标签所处不同位置时的场强变化也就越小，反而造成定位精度减小。4.2定位系统设计在北大六院的业务需求分析基础上，除了对人员(病人)的实时定位监控功能以外，我们还可以实现对人员的出入管理以及人员的安全保护报警功能。医院无线定位系统可设计为如下若干个子系统和功能：系统基础数据管理子系统。人员实时定位监控子系统。电子地图子系统。出入管理与通道管理子系统。报表数据统计与分析。基于医院管理需求，可以系统分为医院整体总控功能界面，病区的分控功能界面，以及出入授权管理界面等部分。4.2.1系统基础数据管理子系统系统基础数据管理子系统是指为了实现监控功能所必须的系统基础配置管理功能，包括如下基础数据管理功能：1）系统用户管理。2）部门管理。3）人员管理。4)标签设备管理用户管理通过对使用无线定位系统用户的功能分析，系统用户可分为监控人员以及一般操作人员。不同类别的人员拥有不同的功能模块使用权限。可以增加新用户，编辑用户，设置用户密码，以及分配用户的使用权限。部门管理依据医院的行政部门划分，例如内科，外科等等，对医院的部门以及病区信息进行编辑管理。在系统实施时，部门的基本数据信息可以从其他系统例如医疗管理信息系统中导入。人员管理在医院里可分为两类人员，包括病患，医护人员。在人员管理模块可以实现对人员的增加，编辑修改等操作，以及对人员和标签腕带设备的关联设置操作，在系统实施时，病患及医护人员基础数据需要从其他系统例如医疗管理信息系统导入。标签设备管理基于医院的人员类别，标签腕带相应分为病患的标签，医护人员标签，不同的标签用不同颜色的区分。通过标签设备管理功能实现对标签的状态，以及电池电量的监控。4.2.2实时定位监控子系统实时定位监控子系统主要通过在医院的电子地图上对人员的实时区域地理定位，以及对重点区域的监控，尤其是当报警发生时，对报警事件的处理等等。功能包括：实施监控一览图监控区域管理报警事件管理实时监控一览图可选择显示被监控对象病患，被监控人群以及监控区域。系统提供定义被监控对象群组的功能，当需要监控一群人的时候，可以选择若干个被监控的人为一个群组，当在电子地图上选择该群组，即可在电子地图里定位显示该群组包括的人。实施监控一览图功能有：1.显示被监控对象病患在电子地图上的地理区域分布状况，当前位置信息。2.查看被监控对象病患的详细资料信息。3.查询和人员绑定的标签信息。4.可查看病患的历史移动轨迹。5.实时跟踪监控重点病患的行踪和路线。如下图显示：监控区域管理在电子地图上定义重点监控的区域，例如休息区，出入口等等，并在电子地图上可分层选择显示，实现对重点区域的监控。出入口监控是对医院的大门，楼层出入口等重要进出口进行监控，并且和监控视频系统进行联动，对进出人员摄像。进出人员首先要取得进出的许可后，在规定的时间，地点，并经过检查人员的身份核实通过后，才可合法通行出入口；否则系统报警。报警事件管理与处理除了提供医院特定的报警事件功能以外，还提供自定义的事件编辑机制，可以对特定被监控对象例如重症病人规定某一报警事件及其报警事件处理。1.预定义的报警：1.1)腕带破坏报警腕带戴到病患手上，病患就无法自行脱下来，只有剪断，为防止病患剪断腕带，可以在系统中启动指定标签的防腕带剪断报警功能，如果病患将腕带弄断，该标签将会不断地向系统发出剪断报警信息。当然，如果是腕带由于某种原因，必须剪断时，可以先在系统中将指定标签的防腕带剪断报警功能关掉，然后再剪断腕带，这样系统就不再接受该标签的腕带剪断报警信息；1.2)消失报警标签消失有多种因素（如标签超出信号覆盖区域等），可以设置指定接收标签信号的超时时限，当超过时限无信号接收，将会触发相应的报警；1.3)越界(边界)报警：某些区域属于禁区，未经允许的标签进入将发出报警信息，或某些病患不能离开某个区域，一旦离开将发出报警信息；1.4)超出人数容积报警当某一区域的人数大于规定的人数的上限时，在区域内聚集的人的密度太大，系统发出警告，说明有可能发生打架斗殴或其他事件。应引起重视。1.5)病患自动报警事件睡觉时病患活动或从床上坠落后系统自动报警1.6)病患跌倒报警事件1.7）标签电池电量低事件电池低电报警：可以在系统中设置电量最低界限，一旦标签电量低于这个界限将会发出报警信息；1.8）出入关口报警事件出入关口报警：在出入某些关口时，可事先设定好哪些标签可以通过，当不符合要求的标签出入关口时将发出报警信息；2.报警事件处理紧急高级别报警，在画面上弹出红色显示，红色或闪烁显示触发报警事件的人员位置，点击人员的标签icon，显示该人员的位置和属性信息。由监控人员通过对讲机通知事件响应相关人员。对高级别报警应实时处理，对中低级背报警事件可事后进行批处理，对单个未处理的报警事件可进行报警事件编辑处理。可对未处理事件或对高级事件点击处理按钮显示报警事件处理编辑页面，让监控人员在备注里可填写处理内容，处理部门，和责任人，处理方式。处理时间等。对多个事件应有批处理功能，统一设置处理状态（已处理，未处理）。每次操作系统记录监控人员的用户身份，和操作时间。4.2.3电子地图子系统1.电子地图的总平面图和各区域平面图之间切换。2.电子地图的放大，缩小，漫游.3.电子地图的区域图层显示功能4.在电子地图上选择要定位的人员，通过查询模式用于人员的定位；人员定位包括病患位置定位功能。4.2.4统计报表与分析统计报表可以按照时间维日，周，月，年为周期进行数据统计，也可按照输入的地某一时间段统计。并提供打印输出功能。可分组按群体查询。按地理区域，人员，事件，标签四个维度进行组合统计，报表提供excel,pdf输出方式。病人出入报表（日报表、周，月，年报表）病人报警违规报表（日报表、周，月，年报表）出入记录报表医护人员值岗报表（日报表、周，月报表）医护人员查房报表（日报表、周，月报表）医护人员在岗分析报表对报警事件进行多维分析5设备选型5.1电子腕带T2s标签性能不需要绑定IP地址，系统自动读取MAC地址室外涵盖距离：最远200米室内涵盖距离：最远80米支持断带报警外壳采用高强度材料,防摔，防水;外观为手表样式，外形美观尺寸：62毫米x40毫米x17毫米重量：35克802.11兼容(2.4GHz)低频接收器用于检查点检测(125kHz)传输功率：最高+19dBm(~81mW)专利的清晰频道感应，避免干扰无线网络传输间隔可配置，范围为128毫秒-3.5小时频道可编程无线标签编程温度：-30°C至+75°C湿度：0到100%，冷凝IP65级：外科采用高强度材料3.6伏½AA锂电池（可更换）电池寿命：最长4年（取决于使用情况和其他因素）3.75年（每5分钟传输一次）3年（每分钟传输一次）2.33年（每30秒传输一次）5.2精确触发器 标签触发器性能EX3210：涵盖距离可调，范围为25厘米到3米130毫米x65毫米x25毫米重量：135克连接器：RS232(RJ-45)串口，输入和输出网络接口和设置EX3210/-X1/-X3和EX3200：RJ-45EX3210-BW：Wi-Fi802.11a/b/g，128位WPA2算法EX3210/-BW/-X1/-X3：48伏直流电，PoE(802.3af)最大功耗：10瓦EX3210：输入电压为12伏直流电，PoE(802.3af)最大功耗：6瓦管理LF频道；125kHz，ASK调制EX3210/-X1/-X3EX3210-BW：温度：-20°C至+50°C5.3定位引擎软件Engine支持2.4GHZWI-FI无线网络，支持IEEE802.11b/g协议，定位工作方式支持RSSI方式，TDOA方式；最大标签管理数为10000个以上；最大同时处理标签数为250