國立臺北護理健康大學資訊管理研究所碩士論文

國立臺北護理健康大學資訊管理研究所碩士論文 National Taipei University of Nursing and Health Sciences Graduate Institute of Information Management. 指導教授：洪論評 教授 Advisor: Lun-Ping Hung Ph.D.. 以 xBeacon 建構智慧老人居家物件位置感知系統 Building a Smart Home Location Awareness System for Elderly People Based on xBeacon Sensors. 研究生：潘子安 撰 Name: Tzu-An Pan. 中華民國一○四年七月一日 July 1, 2015.

I.

誌謝 首先要感謝我的指導教授洪論評博士的關懷與栽培，在老師悉心的指導下，讓我能夠得 以窺就資訊管理領域的深奧，讓我從中學到做研究的步驟與態度，給予了對於研究的正確方 向。在研究有缺失或未完善的部分時，總是能夠給予充分的空間與機會，並提點出適當的思 考方向，在我迷惑時能夠為我解惑，在學習的路上不時的鼓勵與關心，讓我在學術與生活上 都留下了許多精彩又豐富的回憶、成長。老師對於自我的要求與研究上的嚴謹態度更是值得 我去學習的典範，能夠成為您的學生是一件十分榮幸的事情，也從您的一言一行上看到一個 值得模仿的典範。 在研究所期間，同窗同學也給予了許多的幫助，有困難時一起處理、有快樂時一起分享、 有問題時一起思考，時常在我感到低潮時能在旁邊傾聽我的牢騷與心情，有你們這些朋友讓 我在學習的路程上又鮮豔了不少，這兩年的路程中，大家一起寫下共同的記憶，未來希望你 們都能展現所學的成果。以及同樣在求學上給予幫助的學長姐們，端廷學長、宇菁學姊和怡 潔學姊在我剛進入研究所時給予的很多的幫助與指導，讓我能夠快速的適應忙碌的研究所生 活，感謝端廷學長給予我研究領域的建議與實作上的指導，使我在做研究的路上少走了許多 的彎路，增添了許多啟發。 最後，感謝一直以來拉拔著、教導著我長大的雙親，給予我在求學上與生活上的無限支 持，謝謝你們願意支持著我考碩士的想法，無時無刻一直給予我關心、包容、鼓勵，使我能 夠堅持到論文完成的這一刻，在此致上我最大的感激，謝謝你們。. 潘子安 謹致 中國民國一○四年七月 國立臺北護理健康大學資訊管理所. I.

以 xBeacon 建構智慧老人居家物件位置感知系統 研究所組別：資訊管理研究所 指導教授：洪論評 教授 研究生：潘子安 時間：民國 104 年 7 月 1 日. 論文摘要 近年來全球人口平均壽命增加，人口結構開始趨於老化，如何提供一個良好的老人照護 環境是一個非常重要的研究議題。一般而言，高齡者容易因記憶力衰退，遺忘重要物品的放 置位置，導致生活不便;另一方面，由於獨居或僅與配偶同住的比率攀升，在沒有子女伴隨 身旁的情況下，如突然遭遇身體不適，且無法即時找到治療藥物時，嚴重者甚至危及生命。 有鑑於運用資訊科技，可以有效提升老人居家照護服務的深度和廣度，因此本研究擬提出一 個混合式的訊號強弱度切割應用，以xBeacon建構老人居家物件感知機制。其中包況xBeacon 布建、接收訊號強度指示法與視覺化介面呈現。在模擬老人居家環境下，讀取器根據不同位 置會接收到感測器的不同強度值之方法，利用節點訊號強弱度切割與感測器之間的區域劃分， 依照每個移動點的強度值，對物件的可能範圍進行切割以推測放置的位置，針對重要物品進 行追蹤，達到即時性感知的功效，協助老人維持獨立與健康生活之能力。. 關鍵字: Information and Communication、xBeacon、接收訊號強度指示法、老人居家、室內 定位。. I.

英文摘要. ABSTRACT In recent years, the average life expectancy of the global population has increased, meaning that the population structure is ageing. Hence, how to provide a good care environment for the elderly is a topical subject. In general, the elderly suffers from memory decline, thus often forgetting where they place their important items, and leading to life inconvenience. Moreover, more and more elderly live alone or live with their spouse, without their children at side. In case of emergency or illness, they are unable to find their drugs in time, which may result in life threatening situation. As the Information and Communication technology can effectively improve the homecare service for the elderly, this study proposes a hybrid signal strength cutting application and uses xBeacon to construct the home-based object sensing mechanism for the elderly. The proposed mechanism includes xBeacon configuration, received signal strength indicator, and visualized interface display. In the simulation of an elderly' home environment, the reader receives different strength values from the sensors at different positions, and the possible range of the object is cut according to the strength value of each mobile node by cutting node signal strength and zoning among the sensors, thereby deducing the position where the items are placed and the important items are tracked. The proposed mechanism can achieve the real-time sensing function and maintain independent and healthy life for the elderly.. Keywords: Information and Communication, xBeacon, received signal strength indicator, elderly homecare, indoor location。. II.

目. 錄. 論文摘要 ................................................................................................................................................... I 英文摘要 .................................................................................................................................................. II 目. 錄 ............................................................................................................................................. III. 圖. 目. 錄 .............................................................................................................................................. V. 表. 目. 錄 ............................................................................................................................................ VII. 第一章. 緒論......................................................................................................................................... 1. 第一節. 研究背景......................................................................................................................... 1. 第二節. 研究動機與目的 ............................................................................................................. 2. 第三節. 研究流程......................................................................................................................... 3. 第二章. 文獻探討 ................................................................................................................................. 5. 第一節. 老年人自主生活能力與友善環境................................................................................... 5. 第二節. 老人居家智能照護應用 .................................................................................................. 8. 壹. 居家長照 .......................................................................................................................... 8. 貳. 資訊介入的影響............................................................................................................... 9. 第三節. 室內定位裝置 ................................................................................................................. 9. 壹. 移動定位服務 .................................................................................................................. 9. 貳. 藍芽感測器 .................................................................................................................... 13. 參. 室內無線網路定位模式 ................................................................................................. 16. 肆. 定位感測模式 ................................................................................................................ 17. 第四節. RSSI 室內定位方式....................................................................................................... 18. 第三章. 研究方法 ............................................................................................................................... 22. 第一節. 系統環境與架構設計.................................................................................................... 22. 壹. 前端傳感器 .................................................................................................................... 23. 貳. 中端傳輸端 .................................................................................................................... 24. 參. 中端管理端 .................................................................................................................... 24. 肆. 後端應用端 .................................................................................................................... 25. 第二節. 老人居家物品追蹤情境流程 ........................................................................................ 27. 第三節. 混合式定位方法 ........................................................................................................... 29. 壹. 老人移動節點定位......................................................................................................... 30. 貳. 節點訊號強弱度切割法 ................................................................................................. 33. 參. 讀取器間訊號強弱度切割 ............................................................................................. 34. 第四節. 環境布建....................................................................................................................... 35. 第四章. 系統實作說明 ....................................................................................................................... 39. 第一節. 研究對象與設備 ........................................................................................................... 39. 第二節. xBeacon 配置實驗 ........................................................................................................ 41. III.

第三節. 系統程式....................................................................................................................... 46. 第四節. 實測結果....................................................................................................................... 50. 第五章. 結論與未來展望.................................................................................................................... 54. 第一節. 結論 .............................................................................................................................. 54. 第二節. 未來展望....................................................................................................................... 55. 參考文獻 ................................................................................................................................................ 55. IV.

圖 目. 錄. 圖 1 研究流程圖 ..................................................................................................................... 4 圖 圖 圖 圖 圖. 2 移動定位服務示意圖 .................................................................................................... 10 3 導入 iBeacon 技術的行動應用[資料來源:美國大聯盟網站]..................................... 11 4 飛利浦 iBeacon 隱形偵測概念[資料來源:PHILIPS 官方網站] .................................. 12 5 高通 Gimbal 概念圖[資料來源: Qualcomm 官方網站] ............................................... 13 6 智慧型藍芽規範 ............................................................................................................ 14. 圖 圖 圖 圖 圖. 7 應用在 IOS7 上的 iBeacon ........................................................................................... 15 8 本研究所使用之藍芽感測器 - xBeacon ..................................................................... 15 9 主動感測模式示意圖 .................................................................................................... 17 10 被動感測模式示意圖 .................................................................................................. 18 11 三角定位示意圖 .......................................................................................................... 19. 圖 圖 圖 圖 圖. 12 接近法定位示意圖 ...................................................................................................... 20 13 事件分析法定位示意圖 .............................................................................................. 20 14 本研究所規劃的各層使用技術 ................................................................................... 23 15 本研究所使用之前端傳感器....................................................................................... 24 16 視覺化老人居家物品定位系統示意圖 ....................................................................... 25. 圖 圖 圖 圖 圖. 17 系統架構圖.................................................................................................................. 26 18 系統流程圖.................................................................................................................. 29 19 Reference Node 規劃圖 ............................................................................................ 31 20 藍芽感測器距離判斷圖 .............................................................................................. 32 21 兩個移動節點之間的區域切割 ................................................................................... 33. 圖 圖 圖 圖 圖. 22 三個移動節點之間的切割 .......................................................................................... 33 23 感測器間訊號強弱切割示意圖 ................................................................................... 34 24 處理後的凸多邊形範圍 .............................................................................................. 35 25 布置於環境中的 xBeacon ........................................................................................... 36 26 老人室內居家環境區塊圖 .......................................................................................... 36. 圖 圖 圖 圖 圖. 27 臥室布置規劃 .............................................................................................................. 37 28 浴室布置規劃 .............................................................................................................. 37 29 餐廳布置規劃 .............................................................................................................. 38 30 客廳布置規劃 .............................................................................................................. 38 31 本研究所使用之藍芽感測器-xBeacon ....................................................................... 40. 圖 圖 圖 圖. 32 本研究所使用之行動裝置 .......................................................................................... 41 33 Tag 訊號誤差比較 ...................................................................................................... 42 34 xBeacon 各角度訊號強度量測值 ............................................................................... 43 35 xBeacon 訊號量測示意圖 .......................................................................................... 43. 圖 36 xBeacon 正常擺放之狀態 .......................................................................................... 44. V.

圖 37 xBeacon 倒放置狀態 .................................................................................................. 45 圖 38 xBeacon 立著擺放狀態 .............................................................................................. 46 圖 39 行動裝置 app ............................................................................................................... 47 圖 圖 圖 圖 圖. 40 確認行動裝置狀態 ...................................................................................................... 48 41 設定行動裝置偵測頻率 .............................................................................................. 48 42 確認環境中 xBeacon 數量 .......................................................................................... 49 43 xBeacon 資料讀取 ...................................................................................................... 49 44 xBeaon 資料匯出之格式 ............................................................................................ 50. 圖 圖 圖 圖. 45 503 居間環境室內圖 .................................................................................................. 51 46 不同移動節點之物品範圍比較 ................................................................................... 52 47 移動節點布置圖 .......................................................................................................... 53 48 xBeacon 位置結果圖 .................................................................................................. 54. VI.

表 目 表 表 表 表 表. 1 2 3 4 5. 錄. 失智症與老化比較表 ..................................................................................................... 7 65 歲以上老人之家庭組成 ............................................................................................ 7 65 歲老人認為理想的居住方式 ..................................................................................... 8 xBeacon 詳細規格表 .................................................................................................... 39 行動裝置詳細資料表 ................................................................................................... 40. 表 6 xBeacon 正常擺放之訊號值......................................................................................... 44 表 7 xBeacon 倒置擺放之訊號值......................................................................................... 45 表 8 xBeacon 直立擺放之訊號值......................................................................................... 46. VII.

第一章 第一節. 緒論. 研究背景. 隨著醫療技術的提升與醫療衛生的意識上升，國民平均壽命延長，根據內政 部在西元 2014 年公布國民生命表[1]的內容來看，男性平均壽命達到 75.96 歲， 女性平均壽命更高達 82.47 歲，其中在總人口中 65 歲以上的老年人口比例逐年 增加，人口結構逐漸趨於高齡化，老年化的情況也日益嚴重，我國老年人口比例 已於民國 82 年達到 7.1%，進入高齡化社會(Ageing Society)的標準，行政院國 家發展委員會依照近年來的人口成長趨勢分析，估計 107 年與 114 年將分別達到 14.6%與 20.1%，進入高齡化社會(Aged Society)與超高齡社會(Super-aged Society)的階段，老年人的健康照護與生活品質成為近期備受關注的議題。 老人健康在各國都有不同的評量標準，從世界衛生組織在 1989 年提出的健 康老人文獻到現在各國依照國情與地區的不同所定義的健康老人標準，隨著高齡 社會的意識崛起，健康老人也從最初生理層面的健康定義到心理層面的探討，直 至現在與社會環境因素結合所形成全方位健康老人的標準。而針對健康老人與失 能老人的應用服務也相繼推陳出新，越來越多廠商與研究機構結合當地的一些環 境狀況、國家風情，提供在地化的健康老人服務。根據衛生福利部國民健康署所 公布的「老人健康促進計畫」[2]，我國也以八大指標來作為健康老人的評量標 準，藉由改善老人生活型態來達到老人健康生活，有效的延緩老化狀況與增加老 人健康餘命的目標[3]。而為了改善老人生活環境，給予老人一個友善的生活空 間，台灣各縣市政府參照世界衛生組織(WHO)所提出的「高齡友善城市指南」[4]， 依照八大面向做為目標，透過營造無歧視友善的環境，打造室內舒適的老人生活 環境，來輔助老人生活自理情形[5]，這些計畫與評量皆是為了改善老人的生活 機能，減緩因老化而產生的不適。 對目前台灣老人居住方面的趨勢來說，老人長期照護為目前重要的議題之一， 社會對於老人長期照護意識逐漸抬頭。傳統老人長期照護的方式通常是固定時間. 1.

做固定的量測，再以手打方式記錄於電腦中，導致人力的投入上需要花比較多的 時間與心力。現在加入了資訊科技的力量，許多以往使用人力的部分可依靠資訊 力量的輔助來分擔護理人員不足的現象，生理數據透過感測器量測後將數值即時 上傳雲端，老人追蹤也以感測器的方式取代需要人員長時間的觀看[6]。智慧型 手機大廠 Apple 與電子大廠高通分別推出用於室內定位的 iBeacon 與 Gimbal， 透過簡單的架設，結合智慧型裝置服務，提供室內移動定位應用。這些室內定位 應用服務陸續開始實際運用於百貨賣場與相關銷售通路，定位裝置的技術也逐漸 成熟，與一般的居家產品結合並創造出新概念之居家應用方式，改善老人的生活 機能，支持生活上的正常自理能力。. 第二節. 研究動機與目的. 根據統計目前台灣 65 歲以上老年人口家庭組成方面，獨居和僅與配偶同住 的比率逐年上升[7]，許多老人需要自己照顧自己，但隨著年齡的增長，身體機 能開始下降，自我生活能力也逐漸退化，開始出現記憶力衰退之狀況。在無法將 物品擺放在固定位置下，常會將一些重要物品(如:藥盒、假牙、眼鏡盒)遺失在 室內。傳統尋找方式常要花大量時間將每間房間都依序找尋一遍，在短時間內或 有緊急需求時，老人找不到遺失的物品會造成生活上的不便與產生負面的情緒， 嚴重可能會造成健康上的損害。移動資訊時代的來臨讓即時性尋找物品成為可以 完成的夢想，加上現在位置資訊動態更新機制架構的發展已逐漸成熟，相關行動 應用成為熱門話題。 為了有效的幫助老人在居家環境中能即時、無縫隙找尋重要的物品，並且能 讓系統長時間的在空間中進行運作。本研究將針對老人居家室內環境做建置，並 開發老人長照物件感知居家定位系統，透過導入高科技的智慧化定位設備與機制， 能即時定位如藥盒、眼鏡盒、假牙盒等等老人經常使用的重要物品以及在室內居 家使用系統的找尋記錄和物品找尋的狀況，管理者可以藉由移動軌跡與物品位置. 2.

的紀錄判斷老人最常放置物品的地點，老人可以即時得知物品放置的位置，以輔 助其快速的找到重要物品，藉由資訊科技與居家環境的鏈結，可以使老人居家環 境更為完善與智慧化，並以提供更為完善的老人居家空間服務為持續目標，有鑑 於此，智慧行動裝置更能達到對使用者的即時需求支援。綜合以上所述，本研究 目的分別敘述如下 (一)幫助老人即時尋找放置於室內的重要物品，減少意外狀況發生。 (二)結合 RSSI、距離估算方式與訊號值切割方式，提出一個使用 xBeacon 感測 器的新式定位架構。 (三)協助管理人員分析老人重要物品經常放置之位置、使用系統時間紀錄，藉由 感知技術了解老人經常放置物品的慣性與遺忘的地點，分析與建議出適當的健康 的老人行為模式。. 第三節. 研究流程. 為達到居家室內節能定位之效果，本研究之研究步驟如下圖 1 所示:. 3.

圖 1 研究流程圖. (1) 根據本研究之研究背景與研究動機，確定研究的目的、範圍、限制之形成。 (2) 透過文獻探討了解老人居家智能照護應用與自主生活能力，室內定位的裝置、 居家定位的模式。 (3) 針對所研究之文獻與研究目的設計研究方法，定義系統架構、追蹤流程、環. 4.

境與 xBeacon 布置、追蹤與系統流程。 (4) 根據所提出之研究方法進行系統的設計，內容包括程式語言選擇、系統核心 架構設計、資料庫的建立、xBeacon 的發送、行動裝置的接收設計、演算法 設計與 xBeacon 放置數量和擺放位置。 (5) 依照系統設計的部分進行系統開發。 (6) 根據實驗結果進行系統功能測試、裝置測試、環境定位相關測試。 (7) 確認系統狀況後，根據系統實際量測的結果撰寫系統貢獻、系統效益等等研 究結果。 (8) 提出本研究最後之結論與未來的發展方向。. 第二章 第一節. 文獻探討. 老年人自主生活能力與友善環境. 世界衛生組織在 1989 年發表一篇關於健康老人(Health of the elderly) 的研究[8]，其中在關於健康老人的標準上提出了五個方面:精神健康、軀體健康、 日常生活能力、社會健康、經濟狀況。精神健康是指要具有良好的心理，心態上 要正向、平和、寬容，用樂觀的態度都過每一天，軀體健康是指沒有重大疾病， 保持一個健康的身體，日常生活能力是指一般生活上的自理狀況，能照顧自己並 維持家庭生活，社會健康則是指與社會的互動狀況，包括參加社區活動、與其他 人的人際關係、與子女的互動都是，經濟狀況是指經濟上有退休金或子女的贍養 費做支柱，在金錢上面獨立不需要擔心，這五個層面是世界衛生組織對健康老人 的標準。而中國醫學會則結合了國外健康概念與中國老人情況進行修定，制定出 「中國健康老年人標準(2013 版)」[9]，文中對健康老人標準進行 5 大項目的定 義:大病沒有小病穩定、智力正常、心態健康、生活能自理與生活方式良好。WHO 也在 2007 年提出了「高齡友善城市指南」[4]，全球 35 個城市共同參與，政府 官員、非政府組織、學者研究人員對於高齡人口的統計分析與現狀討論，以高齡. 5.

友善城市為目標最後提出八個綜合性面向改善老人生活環境，八大面向: 無障礙 與安全的公共空間、交通運輸、住宅、社會參與、敬老與社會融入、工作與志願 服務、通訊與資訊、社區及健康服務，改善環境軟硬體的構面，創造適合老人生 活之環境。目前台灣各地方縣市政府也以這八大面向作為老人環境改善之發展目 標，做為持續推廣高齡友善之政策，衛生福利部國民健康署每年舉辦台灣健康城 市暨高齡友善城市評選，藉由選拔方式來宣導關於健康城市、高齡友善城市的議 題，推動台灣地區高齡友善城市的成果。這些標準與指南中其中都為了達到一個 很重要的目標，就是要凝造一個無歧視的友善環境，維繫老人尊嚴與生活自理能 力。 隨著歲月流逝，老人日常生活功能將日漸衰退，在生活自理方面也會不如以 往，記憶力衰退的狀況也會開始產生，在老化的研究上有多方文獻提到關於老人 記憶衰退的狀況，老年時的記憶能力遠不如年輕時的記憶能力，這被稱之為老年 性良性健忘（Benign senescent forgetfulness）。與失智症不同的是老年性良 性健忘是一種自然的變化，並不是種疾病，為了將老年性良性健忘與失智症患者 區分開來，醫療協會與研究機構皆定義了分別方式，像是「年齡相關性記憶缺損」 （Age-Associated Memory Impairment; AAMI）、「年齡相關性知能減退」（Age Related Cognitive Decline； ARCD. DSM IV; American Psychiatric Association）或「年齡相關性知能缺損」 （Age-Associated Cognitive Decline; AACD. International Psychogeriatric Association）。其主要概念皆強調的是 自然的衰老變化，這類型良性健忘的老人有自我認知能力，很少會出現語言和環 境認知的障礙，儘管記憶力下降，但對於重要的事情認知能力基本上不會遺忘 [10]，占老人族群的大宗，兩者的差異如表 1[11]，而友善的居家生活環境與科 技的輔助能夠幫助老人維持獨立並改善其生活自理能力[12]。. 6.

表 1 失智症與老化比較表 失智症與老化比較 老化. 1.可能會突然忘記某件事，但事後會想起來 2.若做記憶測試，可能會無法完全記住測試中的物品. 失智. 1.對自己說過的話，做過的事完全忘記 2.無法記住記憶測試中的物品，甚至完全忘記自己做過測試. 根據衛生福利部在 103 年 12 月提出的 102 年老人狀況調查報告[7]，表 1 為 65 歲以上老人之家庭組成，65 歲以上獨居老人從 98 年 6 月的 9.2%上升至 102 年 6 月的 11.1%，僅與配偶同住的比率也從 98 年 6 月的 18.8%上升至 102 年 6 月的 20.6%，這也代表與子女同住的老人比率逐年下降，越來越多老人需要自行 打理自己的生活起居。在 65 歲老人認為理想的居住方式項目中，獨居比率從 98 年 6 月的 6.9%上升至 102 年 6 月的 9.2%，僅與配偶同住的想法也從 98 年 6 月的 15.6%小幅度上升到 102 年 6 月的 16%，從表 2 上的數據來看，雖然目前在傳統 觀念的影響下，與子女同住還是占所有比例上最高，但不論是目前的居住方式或 理想的居住方式，與子女同住的比率呈現持續下降的趨勢，在目前居住方式項目 比起五年前下降了 4.2%，在老人認為理想的居住方式項目中，比較五年前的數 據也下降了 2.8%，這也表示雖然大多數的老人還是希望能與子女同住，但相較 於之前的數據，部分老人開始認為不必與子女同住一起，獨居也能是種理想的居 家生活。. 表 2 65 歲以上老人之家庭組成 單位:% 項目別. 總計. 僅與配偶 同住. 獨居. 與家庭同住. 住在機構 或其他. 98 年 6 月. 100. 9.2. 18.8. 69.3. 2.8. 102 年 6 月. 100. 11.1. 20.6. 64.9. 3.4. 7.

表 3 65 歲老人認為理想的居住方式 單位:%. 項目別. 總計. 與子女 同住. 僅與 配偶 同住. 獨居. 與親戚 朋友同 住. 可以和 其他需 要安養 機構的 老人同. 其他. 很難說 或拒答. 住 98 年 6 月 100. 68.5. 15.6. 6.9. 1.3. 2.6. 0.2. 5.1. 102 年 6 月. 65.7. 16.0. 9.2. 1.3. 1.4. 3.0. 3.3. 100. 雙薪家庭的比例現在也逐年增加，許多家庭開始無法全天候照顧老人生活起 居，在日益龐大的社會壓力下，許多老人開始注重自我的獨立性與自主性，學習 如何自行參與社會活動，並能在日常生活情況下自行照顧自己，此種趨勢將為目 前發展與未來生活的發展趨勢。. 第二節 壹. 老人居家智能照護應用. 居家長照 台灣即將邁入高齡化社會，在這樣高齡化社會中，對於獨居老人與需要長期. 照護的老人來說，如何鼓勵老年人參與社會性活動與進行正常的居家生活是目前 最重要的問題。在此背景下，有學者[13]將老人居家的照護服務與資訊科技進行 結合，開發以老人物理與心理的支持觀點上的應用服務，社交輔助機器人 (Socially assistive robots) [14]Paro 海豹機器人以心理治癒的角度出發[15]， 在老人的生活中扮演並兼具功能性與情感性的角色，加以給予老人正面的健康影 響，減少壓力與孤獨感改善老人情緒與增加與人溝通的能力，在透過影像方面追 蹤老人的部分[16]，Hossain 等人提出一個虛擬保母(ViCare)的概念[17]，系統 會去拍攝老人日常生活活動環境，並根據狀況決定提供的相關應用服務，由傳感. 8.

器去感測老人的行為模式，系統會判斷是否需要提醒照護者進行確認。Junnila 等人提出一個居家健康監測平台[18]，透過智慧計步器、生理感測器、紅外線感 測器與電容式觸發感測器偵測老人運動模式與生理相關素質，在不影響正常生活 作息的情況下進行監測。也有學者提出以智慧型手機追蹤居家的生活[19, 20]， 系統會追蹤老人的移動狀況並上傳到雲端，雲端資料庫會判斷目前的活動狀態並 記錄，而透過 RFID 追蹤老人的移動模式與移動軌跡的方式[21]也是其中之一， 許多老人居家追蹤的文獻與研究都是以追蹤老人活動狀態為主，這些應用服務大 多作用於護理人員或家屬為服務目標，鮮少有對老人本身直接提供追蹤模式的服 務，本研究除了會記錄老人的移動軌跡外，還會針對老人遺失的物品進行追蹤定 位，協助其快速的找尋到物品。. 貳. 資訊介入的影響 對於資訊科技進入到居家健康照護領域中，各方學者與專家都有不同的看法，. 反對方認為資訊科技的介入反而過度限制老人的活動，即時的監測生理資訊與移 動路徑會有侵犯老人隱私的問題，居家布置感測器也會讓老人感受到壓力，也可 能造成法律上的問題。贊成方認為資訊科技的加入能夠更加即時的給予老人全方 面的幫助，在生理狀況若有不適也能即時得知並做後續處理，老人居家追蹤也能 藉由記錄行動路徑判斷老人生活習慣，在資訊科技逐漸的進入居家後，家庭對於 資訊科技的加入也比以往還要容易接受，在隱私問題方面，各家廠商為了提高消 費者的接受程度，都逐漸朝向偵測無形服務有形的方向前進，讓資訊科技結合日 常用品來減少老人使用上的壓力，依照不同的接受程度提供不同類型的功能，以 不限制行動的模式來提供服務[22, 23]，這也改善了對於資訊科技的傳統概念。. 第三節 壹. 室內定位裝置. 移動定位服務. 9.

圖 2 移動定位服務示意圖 移動定位服務，最早用於軍事用途，利用衛星定位技術做為導航與定位，移 動定位服務，是指將 GIS 技術、定位技術與網路通訊技術做一個整合，能在行動 裝置上提供線上定位服務，行動式裝置會透過內嵌的感應裝置或定位裝置(GNSS) 取得本地的空間位置數據或感測數值，收到的數據會定時上傳到線上的資料伺服 器上，伺服器會根據接收的資料進行數據運算、分析、決策，最後再將結果顯示 在電腦與移動裝置上。早期 LBS 的應用大多是用在戶外的 GPS 移動定位服務，如 圖 2 所示，LBS 是由行動裝置領域、網際網路領域與 GIS 領域所構成，LBS 結合 智慧型行動裝置透過網際網路連結 GIS 資訊並提供服務，相較於行動網際網路、 網路 GIS 與行動 GIS，LBS 能更能提供全面性的應用服務。 近年來智慧型移動裝置使用率快速上升，根據國外研究機構 eMarketer 指出， 2013 年擁有智慧型手機的人數已有 14 億人口，估計 2014 年年底可望突破 17.6 億人使用智慧型手機。台灣資策會也對 2014 年上半年進行調查，台灣持有智慧 型手機或平板之人口已高達 1300 萬人，普及率也從 51.4%上升到 58.7%。因為使 用智慧型手機人口逐年上升，3G 使用逐漸普及化，各大廠商開始重視 LBS 在各 種領域的應用與服務，未來 LBS 的型態趨勢將從以室外廣域定位為主的服務逐漸 轉變為室內型定位服務模式為主，由於室內定位最需要突破各種訊號在環境中所. 10.

受到的干擾，各大廠商開始將智慧型動裝置結合感測器，用以輔助室內定位上的 精準度。 室內的 LBS 定位不同於以往傳統，LBS 室外定位使用 GNSS、GPS 進行定位， 室內定位可以從各種射頻系統(藍芽、Wi-Fi)與感測器(三軸、加速計等)中蒐集 及時資訊，進行更為精準的定位，而結合多種感測器的攜帶裝置也成為廠商研發 之重點。像高通提出以情境感知功能，使用 Bluetooth Smart 藍牙定位技術的 Gimbal，Gimbal 可依照蒐集用戶的位置、時間、移動軌跡、興趣等資訊，透過 系統的決策，讓店家自動推送折扣或活動消息。而 Apple 也提出以 Wi-Fi、GPS、 陀螺儀、加速計、磁力計等多種感測器進行定位的 WiFiSLAM，使用藍芽 4.0BLE 協議進行定位的 iBeacon。上述皆是近期各家廠商整合多種感測裝置所提出的行 動裝置，透過結合網際網路與 GIS，形成以服務為導向的室內移動定位服務。美 國大聯盟(MLB)使用了 iBeacon 技術推出一款棒球專用的 APP「At the Ballpark」 [http://mlb.mlb.com/mobile/ballpark/]，如圖 3 所示，透過接收 iBeacon 的 定位資訊，讓使用者在球場的各個區域都可以有不同的行動體驗，商品優惠、球 場影音歷史、電子門票、位置引導，依照使用者所在區域不同，其所提供的行動 應用程式畫面上所顯示的內容就會自動更新為不同的資訊，以提供給使用者即時 的資訊。. 圖 3 導入 iBeacon 技術的行動應用[資料來源:美國大聯盟網站]. 11.

圖 4 飛利浦 iBeacon 隱形偵測概念[資料來源:PHILIPS 官方網站] 而燈泡大廠飛利浦(Philips)為了讓 iBeacon 更為貼近居家生活上的應用， 提出了一個新的解決方案[http://www.newscenter.philips.com/]，如圖 4，飛 利浦將 iBeacon 與燈泡結合，將 iBeacon 放入燈泡裡面除了不會破壞室內原先裝 潢的狀況外，也能串連照明設備的電量供應，更可以達到隱形偵測、有感服務的 概念，圖 5 為高通 Gimbal 的概念圖[https://www.qualcomm.com/]，手機可以接 收附近 Gimbal 的訊號來提供各種不同的服務，包含商品資訊接收、使用電子優 惠券、即時室內定位等等功能，目前高通與國外連鎖電子產品銷售商 GameStop 合作，將 Gimbal 裝置在 GameStop 的實體銷售店面中，當客人一進入店面，就會 收到目前的優惠產品訊息與產品介紹、其他客戶評價、介紹影片等等資訊，建立 以客戶為導向的系統，讓客戶在實體店面選購時也能同步有一個線上資訊系統進 行引導與進行各項服務。由上述可了解，現在室內定位若能結合移動式智慧型裝 置將有助於實際應用上的推動，操作越方便的服務越能受到使用者的青睞，在無 感偵測的環境下能減緩使用者對於感測裝置的壓力並提供更加完善的服務。. 12.

圖 5 高通 Gimbal 概念圖[資料來源: Qualcomm 官方網站]. 貳. 藍芽感測器 許多實用的定位應用需要對位於室內的用戶進行長期性與高精準的位置追. 蹤，這些應用包括室內緊急事件定位，身障(視障)者的尋路系統，室內老人追蹤 等，想要提高定位精準度，除了室內追蹤系統與基礎定位設施外，透過布置在環 境中的感測器也能輔助進行定位，在應用上可將定位分為兩種追蹤模式，一種類 型是應用系統不需要高發送頻率和數據通訊頻率[24]，但需要長時間進行追蹤， 如路徑引導系統，一種應用則是在短時間內系統需要密集的蒐集資訊[25]，如緊 急追蹤系統，無論是上述哪一種應用，在實際環境中，感測器都需具備長時間運 作之能力，為了達成上述之需求，藍芽技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group)在 2010 年 7 月 7 日提出了藍芽 4.0 的規範[26]，其最重要的特性就是低 功耗的省電模式，藍芽 4.0 的規範讓藍芽通訊更能長時間的進行通訊，隨後在 2013 年藍芽技術聯盟以藍芽 4.0 為基礎推出了藍芽 4.1 的規範，藍芽 4.1 支持 多裝置的連線，讓接收端可以接收來自各個藍芽連接之資訊，原先的硬體裝置只 要特過軟體的更新即可使用藍芽 4.1 規範，為了推廣藍芽在智慧裝置上的應用， 藍芽技術聯盟後續推出了 Bluetooth SMART 與 Bluetooth SMART READY 兩款標. 13.

籤，如圖 6 所示，Bluetooth SMART 設備主要是用在低功耗藍牙 4.0 版本的無線 標準上，用於收集一些特定的資訊，如室內環境狀態、身體個性指數等等，常被 用於智能手錶、計步器、血壓血糖儀、環境感測器等相關儀器，而平板電腦、手 機、個人電腦、電視，甚至機上盒，這些都可以使用 Bluetooth SMART READY 的規範，Bluetooth SMART READY 設備是負責連接並接收藍芽設備發送的資訊並 傳送至應用程序，兩種規範讓藍芽更適用於日常生活中的輔助。. 圖 6 智慧型藍芽規範. 在低功耗的藍芽規範被提出後，陸續開始有廠商推出以藍芽 4.0 規範的感測 裝置，iBeacon 為 Apple 公司提出的一種室內定位裝置技術[27]，如圖 7 所示， iBeacon 使用低功耗藍芽(BLE)技術，低功耗藍芽技術是由部分藍芽 v4.0 的核心 規範所組成，具有可調整的低工作形成(low duty cycle)、彈性的訊息長度 (message length)與上下層分工的重新安排的特性，這也讓低功耗藍芽能有極低 的耗能與低成本的製作。而當行動裝置在傳感器感應範圍內時，可以使用智慧型 手機或具有與藍芽通訊功能的裝置執行相對應的命令，每一個感測器都會有一個 固定的 ID 用來識別各個 iBeacon，相較於傳統感測器，一枚鈕扣型電池即可提 供裝置運行 1-3 個月，在耗電上有大幅度的改善，更具有方便建置與適合用於各 領域的優點[28]。本研究使用同樣已藍芽 4.0 規範為技術的 xBeacon，以支援各. 14.

家廠商開發各式各樣創意的應用為主，經過實際測試後可以在方圓 20 公尺內接 收與發送信號，在正常使用的狀態下採用的鈕扣電池可以支援超過一年的電力， 感測器只有硬幣的大小，適用於各個室內環境，因為 xBeacon 的運作時間更為持 久，在 Android 系統上較為容易使用，所以本研究使用 xBeacon 作為物件感知系 統的感測器，如圖 8 所示。. 圖 7 應用在 IOS7 上的 iBeacon. 圖 8 本研究所使用之藍芽感測器 - xBeacon 為了有效的幫助老人在居家環境中能即時無縫隙找尋重要的物品，本文透過 導入新一代低功耗藍芽裝置、節點訊號強弱度切割與感測器之間的區域劃分技術， 能即時定位如藥盒、眼鏡盒、假牙盒等等老人經常使用的重要物品及在室內居家 使用系統的找尋記錄和物品找尋的狀況，老人可以即時觀看系統的引導功能，輔 助其快速的找到重要物品，藉由資訊科技與居家環境的鏈結，可以使老人居家環. 15.

境更為完善與智慧化，並以提供更為完善的老人居家空間服務為持續目標。. 參. 室內無線網路定位模式 隨著科技的迅速進步，移動定位服務存在的龐大市場商機越受廠商的重視，. 連帶著室內定位系統（Indoor Position System）領域在產業的應用也越發廣泛， 在學界上室內定位領域持續受到關注，推陳出新的技術與演算法也不斷被提出和 修正，Real Time Location Systems (RTLS)為一種即時定位方式，透過接收的 資訊即時對目標進行定位追蹤，在無線網路環境下，即時定位系統的模式可分為 以下四種定位方式，收訊時間(Time of Arrival, TOA)、收訊時間差(Time Difference of Arrival, TDOA)、收訊角度法(Angle of Arrival, AOA)與訊號 強度法(Received Signal Strength index, RSSI)。[29, 30]收訊時定位(TOA) 與訊號強度法的定位方式十分相像，最大差異在於 TOA 決定的參數並不是訊號強 度，而是透過將訊號傳播時間乘以傳播速度，藉此算出主動式標籤與讀取器所間 隔之距離，但因為 TOA 的傳輸速度十分快(一般以光速計算)，對於時間上的敏感 度過高，只要有些微誤差都有可能造成上百公尺的誤差距離，因不適宜用於一般 應用層面。收訊時間差(TDOA)利用接收標籤傳送到環境中各個讀取器的時間差後 結合演算法推算所在位置，但 TDOA 與 TOA 一樣容易因為些微的時間差導致誤差 值過大，較不符合實際應用。收訊角度法(AOA)是利用讀取器接收具有方向性的 天線訊號來源判斷標籤所在之方位，在兩個以上的讀取器上畫出讀取器與收到訊 號方向的直線，交錯的部分就可能是標籤所在之位置，然而，AOA 可能因為訊號 碰到物體產生折射，讀取器讀取到折射訊號，造成多路徑傳播導致定位判斷上會 有干擾。強度衰減法(RSSI)是透過標籤與讀取器在傳播時會因為距離的增加和訊 號值衰減成正比的情形，接收衰減後的訊號值進行定位，只要有三個讀取器接收 訊號就可進行定位，相較其他的定位方法，RSSI 定位不需要特殊型號的設備， 一般基礎訊號設備就可達到定位效果，因此大多學術與產業界都選擇此種定位方 式，以此為基礎發展出更多的定位方法，在應用層面上此種定位方法也是應用最. 16.

為廣泛的類型。. 肆. 定位感測模式 文獻提到目前無線網路的定位感測模式可以分為兩種，主動感測與被動感測。. 在主動感測模式空間下，空間會放置許多主動或被動式標籤(參考標籤)，參考標 籤座標會被先記錄於資料庫上，目標上會攜帶一個讀取器，讀取器會讀取範圍內 放置的參考標籤資訊，再結合參考標籤的資訊、座標位置與演算法，計算出目標 所在位置，此種模式需要布置大量的參考標籤，讀取器收到的參考標籤資訊越多， 定位就能越精準，然而，若目標遠離參考標籤或參考標籤數量不夠形成一個包圍 的模式，誤差就會顯著的增加，主動感測模式適合貴重物品的精確定位，定位的 計算通常都是在目標攜帶的行動裝置進行的，可減少計算與處理所花費的時間， 如圖 9 所示。. 圖 9 主動感測模式示意圖 在被動感測模式空間下，目標會攜帶一個主動式標籤，主動式標籤會定時發 送訊號給讀取器做接收，空間內可以選擇布置參考標籤或虛擬參考標籤，以虛擬 參考標籤為例，讀取器會讀取目前的資訊，再透過事先記錄於資料庫中的參考標 籤資訊與座標，演算出目標所在位置，此種模式至少需要三個讀取器才能進行定 位，讀取器可以接受多個目標的資訊，比起主動感測模式，位置識別的時間所需 較長，在布置 Reader 的成本上所需較高，如圖 10。. 17.

圖 10 被動感測模式示意圖. 第四節. RSSI 室內定位方式. RSSI 定位因不需特殊設備即可進行定位，在產業與學術界都有廣泛的開發 與研究，其中就有學者回顧近年來的各種研究文獻，並歸類出了 RSSI 用於室內 的三種定位模式[31]，如圖 11 所示，第一種方式為三角量測法(Triangulation)， 是三種定位方式中最基本的定位方法，標籤和讀取器會因為相差距離的長短，收 到的訊號強度值也會不同，透過在環境中架構的三台讀取器，標籤的訊號強度值 分別會有三台讀取器所接收到的訊號，使用者可利用訊號依照距離遞減的模式計 算出位置，然而，一般環境下往往都會擺放各項物品，這些不同材質的物體會造 成訊號的一些折射、散射，導致訊號在傳遞期間出現多重路徑狀況，造成三角定 位法失效，誤差值增加，故近年來此定位方式已漸漸不被使用，大多學者開始使 用其他定位方式或結合其他感測元件增加定位精準度。. 18.

圖 11 三角定位示意圖 第二種方式為接近法(Proximity)，接近法會將環境分為多個區塊，每一個 區塊都會放置一個主動式標籤作為參考標籤(Reference Tag)，參考標籤會持續 發送訊號值讓讀取器接收，讀取器會將接收到的訊號值配對為該區域的訊號值， 當目標配戴標籤進入環境後，讀取器接收目標標籤訊號與參考標籤訊號，並將目 標的標籤訊號與參考標籤的訊號比對，找出與目標最為接近的參考值，進而判斷 目標所在之區域，此定位方式需要在環境中布置大量參考標籤，隨著應用環境的 增加，布置環境的參考標籤就會增多，建構成本也會增加，故接近法較適合建構 在小規模環境中，建構環境時區分區域越精細，定位出來的位置也會越準確，布 建方式請參考圖 12。. 19.

圖 12 接近法定位示意圖 第三種方式為事件分析法(Scene analysis)，事件分析法要預先對每個參考 標籤進行事先調查，環境的布置與接近法十分相似，最大差異就是事件分析法不 會持續布置參考標籤，將環境中參考標籤的訊號值預先紀錄至資料庫，在蒐集到 一定的訊號值後就會移除參考標籤，當目標攜帶主動式標籤在環境中移動時，讀 取器會去讀取標籤的訊號值，並且比對資料庫中的虛擬參考標籤值，以找出距離 目標最近的參考標籤來判斷目標位置，此方法因為不需要布置標籤在環境中，可 以大量節省布置裝置成本，然而，參考標籤的訊號值是儲存於資料庫中，並不會 因為環境改變而跟著修正，若環境有所更變，則必須重新記錄參考標籤的訊號值， 才能避免造成定位上的誤差，如圖 13。. 圖 13 事件分析法定位示意圖. 20.

以上三種方式皆是透過 Reader 讀取環境中 Tag 之強度值進行目標的定位， 而為了節省布置在環境中的感測器數量，藉以達到實際的環境應用，Yuanchao Shu 等人提出了在 WRSN 環境架構中，透過充電器對環境中 Tag 充電的時間差進 行定位的 TOC(Time of charge)技術[32]，該方法利用一個充電用讀取器在移動 時對環境中的 Tag 進行充電，並依照每個 Tag 不同距離的充電時間，將每一個移 動端點進行時間差的比對，即可定位目標所在之位置範圍，但因需求特殊的設備 才可進行 TOC 技術之定位，充電用讀取器裝置也過於龐大，難以實現在實際環境 中使用。 本研究需要在老人居家環境進行布建，老人會在環境中走動，被追蹤的物品 也會隨著老人的拿取而移動，所以在環境中無法隨時保持 Reader 與 Tag 的直線 訊號傳輸狀態，故三角定位不適合運用在環境中，而接近法因為要在環境中布置 大量的 Tag 做為參考點，在實際建置上十分消耗成本，可行度不高。考量到布建 成本與實際布建的可行性，本研究參考了 RSSI 定位與 TOC 技術中數值的比對分 割，使用以藍芽技術的 xBeacon 作為布置於環境中的感測器，透過智慧型行動裝 置接收 xBeacon 發出之 RSSI 值，再將各移動點的 RSSI 值進行比對分割來定位目 標所在之位置，透過日常都會攜帶的裝置與能長時間運作之感測器來達到實際布 建之可行性。. 21.

第三章. 研究方法. 本研究預計建構一個能讓老人無縫尋找重要物品之系統，系統架構上將會分 為前端感測器端、中端傳輸端與後端的數據端和應用端作為探討，如圖 14 所示， 感知層會進行環境的感應與資訊的蒐集，傳輸層會進行資料的傳輸與資訊的發送， 將資訊以無線傳輸模式進行傳送，數據層會將接收的資訊進行轉換與儲存，定位 演算系統會讀取資料庫的資訊作演算後再回存與資料庫，應用層負責提供給不同 使用者觀看不同的畫面，居家定位系統會依照不同的權限呈現不同的畫面，四個 層面將在下面章節依序介紹。. 第一節. 系統環境與架構設計. 22.

圖 14 本研究所規劃的各層使用技術. 壹. 前端傳感器 本研究使用前端傳感設備為以藍芽傳輸技術的 xBeacon 感測器與負責接收. 訊號的 Android 智慧型行動裝置，如圖 15 所見，xBeacon 會向四周發射訊號， Android 移動裝置接收範圍內之訊號，我們預計使用 xBeacon 與 Android 智慧型 行動裝置來打造一個居家老人長照環境的感測區塊，依照不同環境格式在建置上 也會有所差異，前端建置將會在下述第四節進行模擬與探討。. 23.

圖 15 本研究所使用之前端傳感器. 貳. 中端傳輸端 傳輸端將分別依照不同區塊進行介紹，第一的部分為 xBeacon 與智慧型行動. 裝置，xBeacon 會以藍芽的傳輸方式將訊號發送，在由智慧型行動裝置進行接收， 此區塊因傳送方式為無線傳輸，較易受到環境因素的干擾，近年有許多學者提出 各種輔助方法來穩定其傳輸狀況，xBeacon 在近距離範圍時具有穩定的傳輸數值， 適合用於室內房間之定位，第二部分為智慧型行動裝置與 Server 端的傳輸，行 動裝置端會透過 Wi-Fi 將收到的 xBeacon 資訊傳送至 Server 端上，此傳送方式 穩定，目前測試皆無任何封包漏接之狀況，第三部分則是由智慧型行動裝置讀取 Server 端資料，手機端會透過 Wi-Fi 或行動網路方式連接到指定 Server 端位置 讀取資訊，本研究會以 xBeacon 傳送資訊至行動裝置端作為傳輸端探討主軸，環 境因素對於傳輸端的影響與傳輸端的相關布置將會在下述第四節詳細介紹。. 參. 中端管理端 本研究將控制端分為 xBeacon 中繼軟體、資料庫、RSSI 定位演算系統與行. 動式 UI 系統，xBeacon 中繼軟體負責設定接收資訊的項目，並監控環境中的. 24.

xBeacon 是否有正常進行運作，除此之外，中繼軟體還會接收 xBeacon 發送之 Tag ID、RSSI 值、接收時間與距離估算，並將這些資訊轉換為資料庫可進行讀取之 格式，以利於資料庫之存取，資料庫內欄位存有建置環境使用之 Tag 資訊、尋找 之物品資訊與各房間資訊，當資訊庫接收中繼軟體傳送之資訊後，則會依照中繼 軟體所轉換的格式依序將各資訊項目儲存於資料庫欄位上，RSSI 定位演算系統 會讀取資料庫資料，進行定位演算與計算物品所在區域，演算結束後定位演算系 統會將資料再回存於資料庫中，而為了要即時尋找遺失物品，並達到將連接各區 塊之目的，在控制端的部分本研究打造了一個以智慧型手機為主的行動式 UI 系 統，如圖 16 所示，行動 UI 系統會去讀取資料庫各物品 ID、x,y 位置、房間資訊 與老人所在位置，以視覺化方式顯示老人所在之位置與物品所在之房間位置，藉 此引導老人尋找到需求的物品。. 圖 16 視覺化老人居家物品定位系統示意圖 除了對於老人與物品的追蹤定位，在定位的同時，系統也會記錄老人於環境 中移動之軌跡與物品放置之位置，藉由長時間的紀錄，形成老人居家環境活動紀 錄的 BigData 資料。. 肆. 後端應用端 室內定位目前已開始用於各大領域，在長期照護領域上，大多文獻與實作部. 分多以養護機構為定位建置環境，而在居家環境多為以感測器追蹤老人行為狀態. 25.

為主，本研究以健康老人的居家重要物品定位為研究主軸，透過尋找老人重要之 物品來打造一個老人居家定位系統，系統會依照各個移動端點所量測到的數值去 定位老人重要物品(如:藥盒、眼鏡盒、假牙)，並以即時顯示物品位置來輔助老 人尋找物品，本研究應用端的設計概念如下面的圖 17 所示。. 圖 17 系統架構圖 如圖 17 所示，老人居家物件感知定位系統分成三個部分:發送資訊的 xBeacon 感測器端、進行資訊運算與處理的核心程式端與圖像化結果顯示的行動 應用端。老年人攜帶的行動應用裝置會去接收範圍內 xBeacon 感測器的訊號資訊， 環境中使用的感測器分成兩種類型，一種是放置在環境中的固定位置，用於輔助 定位老人所在之位置，第二種是裝設在老人重要物品上，用於找尋老人重要物品 的擺放位置，行動裝置會接收區域內 xBeacon 的訊號強度與相關的編號，這些區 域包含了臥室、廚房、客廳、浴室、餐廳等室內老人居家環境。. 26.

核心程式端則分為接收資訊的中繼軟體、儲存資訊的資料庫與將資訊進行演 算的定位程式，中繼軟體會透過 Wi-Fi 接收行動裝置傳來的感測器資訊，依照感 測器不同的用途進行資料的分類與訊號強度的資料轉換，轉換成資料庫可以儲存 的格式，在資料處理完畢後會將資料寫入於資料庫中。資料庫存有各個 xBeacon 的 ID 編號、訊號強度與對應各個重要物品的資訊。中繼軟體會將接收到的各個 資訊寫入到資料庫，定位演算系統會讀取資料庫的資訊進行定位的判斷，依照不 同移動節點接收到的感測器強度值去劃分並切割感測器可能所在之位置範圍，在 定位完成後，定位演算系統會將結果儲存到資料庫中。行動應用端會接收到演算 完畢後感測器所在之範圍，並以視覺化的顯示方式呈現至行動裝置的畫面上，透 過畫面上室內地圖來標註物品之位置。. 第二節. 老人居家物品追蹤情境流程. 為了建構以健康老人居家為核心的資訊系統，如何在老人健康照護的環境下 打造一個即時無縫隙的偵測端點，讓老人能感知遺失的物品，是本節所要介紹的 重點，為了達到上述的目的，本研究規劃了對於老人長照物品追蹤系統的流程圖， 如圖 18 所示，行動裝置會攜帶於老人身上，xBeacon 則裝置在重要物品與室內 環境中，行動裝置每分鐘讀取一次環境中與物品上 xBeacon 的資訊後，會將資訊 傳送至 Server 上的中繼系統，送到中繼系統的資訊會依照不同類別轉換成資料 庫的各項欄位資訊，轉換完成後中繼系統會分別將資訊儲存於物品資料庫與房間 定位資料庫中，定位演算系統會去讀取資料庫中的訊號強度值，並相行動裝置收 到的訊號強度值先進行移動端點的演算，之後定位系統會在與各個移動端點收到 的訊號強度去演算物品所在範圍，並在將結果存回資料庫，當老人物品遺失需要 尋找物品所在地點時，打開智慧型手機上的行動 App，顯示系統會連接到 Server， 依照登入的使用者權限給予讀取不同的資料，資料庫的資訊會顯示在手機系統上， 老人可以透過 App 上所顯示的圖像來找到遺失的物品，家庭醫生可以登入系統並. 27.

觀看老人尋找的物品、物品位置與尋找時間等相關歷史紀錄，來判斷老人目前的 記憶狀況、老人最容易忘記之物品與放置地方。 一般來說老人居家中很重要與常態性使用的物品有藥盒、假牙、老花眼鏡、 錢包與鑰匙，其中最為重要的為藥盒，大多數的老人都會有慢性疾病的問題，程 度雖然不嚴重，但大多需要定期服藥來控制疾病狀況，對於需服藥的老人而言， 藥盒是生活中每日都必須使用到的物品，各家廠商也結合資訊技術改良傳統藥盒 功能，依照早中晚服藥的時間規律，藥盒可能會存放於老人臥室、餐廳與客廳， 老人因年齡因素生理狀況會逐年下降，假牙可以輔助老人在吃飯時的咀嚼，一般 時間假牙會放於假牙盒中，飲食與清洗假牙時才會將假牙拿出，假牙大多放置於 餐廳與浴室，老花眼鏡、錢包與鑰匙大多放置於方便拿取之地點，有些老人會放 置於隨身包包中或隨身攜帶，這幾項也是老人最常使用的物品，本研究以上述老 人長態性使用物品做為追蹤目標，為了達成房間之間無縫的偵測並尋找到物品， 為了取得老人所在的位置，本研究預訂在老人居家的臥室、浴室、餐廳與客廳進 行 xBeacon 布建，布建方式會在下述章節探討。. 28.

圖 18 系統流程圖. 第三節. 混合式定位方法. 本研究首先提出以 beacon 為基礎的混合式老人移動節點定位方法計算老人 所在之室內位置，確認移動位置後再進行節點訊號強弱度的切割與感測器間的訊 號強弱度切割方式，以 RSSI 為基礎進行節點與感測器間的比較並切割，此定位 方法不需要布置大量的讀取器，因為採取的是行動裝置與感測器間相對訊號強度. 29.

值的定位方式，在遇到環境干擾時，如放置於櫃子內或被其他物體蓋住等，定位 結果較不容易受到影響，此定位技術在本系統占有非常重要的角色，這個章節中 將會詳細的做介紹。. 壹. 老人移動節點定位 本研究使用地區特徵指紋比對法(location fingerprinting)建置訊號紋地. 圖資料庫，在建置此資料庫的流程中，首先需要在居家環境中布置數個固定式的 xBeacon，每個 xBeacon 所布置的位置不同，行動裝置在對所有 xBeacon 收集到 的訊號值也會有所不同。 布置好固定式 xBeacon 後將居家環境劃分出數個區域，並依序將行動裝置放 置於各個區域位置收集訊號值，這些固定於環境中的 xBeacon 稱作 Fixed Tag(FT)，被劃分的各個區域稱作 Reference Node(RN)，行動裝置稱作 mobile phone(PH)，依照空間的大小形狀與使用者需求決定 FT 與 RN 的數量、劃分方式 與布置位置，這將會影響後續定位的精準程度。 劃分出的每個 RN 區域的座標與 PH 訊號會儲存至資料庫中，儲存的格式會根 據後續處理與使用的方法而有所不同，本研究會儲存每一個 RN 的訊號值與座標 編號，儲存格式如𝑅𝑁𝑛 (𝑋, 𝑌)[𝐹𝑇1 , 𝐹𝑇2 , 𝐹𝑇3 , 𝐹𝑇4 … 𝐹𝑇𝑛 ]，𝑅𝑁𝑛 代表環境中的每個區 域座標編號，(𝑋, 𝑌)代表該編號所在之橫軸與縱軸座標，𝐹𝑇𝑛 代表著環境中收集 xBeacon 的訊號值，後方的 n 為 xBeacon 的編號，訊號值的資訊數量會依照環境 中 FT 的數量而增減，將每個 RN 區域收到的 FT 訊號值儲存至資料庫後便可建立 一個完整的訓練資料庫，劃分方式如圖 19 所示。. 30.

圖 19 Reference Node 規劃圖 藍芽 Beacon 與行動裝置的距離計算是透過 Beacon 與行動裝置之間訊號值的 衰減程度來估算兩者相差的距離，推出 iBeacon 的 apple 公司擁有自行研發的行 動裝置 iPhone，而 iPhone 使用的系統為公司獨佔的 ios 系統，ios 具有一個完 整的 Beacon 資料庫，讓 iPhone 在接收到 xBeacon 的 RSSI 值後可直接計算行動 裝置與 xBeacon 之間的距離，並依照可偵測到的距離將範圍分為 Immediate、Near、 Far 與 UnKnown 四種狀態來判斷兩者之間的遠近(如圖 20)，並提供視覺化的方式 進行呈現，而 Android 系統雖然可以支援藍芽感測器，但不像 ios 一樣有一個完 整的資料庫，本節參考了 David G. Young 所編寫的 android-beacon-library 資料庫，利用藍芽的發送功率會隨著距離而逐漸衰退的概念，列出了計算 Android 行動裝置與感測器之間距離的計算式，並結合訓練資料庫定位行動裝置 所在位置。 在環境中的 xBeacon 共分為兩種，一為布置於室內環境中用於定位老人與行 動裝置所在位置的環境 xBeacon，稱為 sTag，sTag 為事先已經布置在房間內的 xBeacon，布置的位置已記錄於資料庫中，另一種為裝置在老人物品上的物品 xBeacon，稱為 iTag，iTag 的位置為非固定式，會隨著物品擺放的地點不同而改 變，在研究中行動裝置會先收集 sTag 的訊號強度資訊定位行動裝置所在之位置，. 31.

而 sTag 與行動裝置之間的距離定位由下面演算法進行介紹。. 圖 20 藍芽感測器距離判斷圖. 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 = (1.0). 𝑠𝑇𝑎𝑔(𝑅𝑆𝑆𝐼) 𝑡𝑥𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟. accracy = 0.89976(𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜)7.7095 + 0.111. (1) (2). 在 eq1 中為了要計算出感測器與行動裝置的距離，首先要取得藍芽訊號強度 值比率，ratio 代表目前的訊號強度值比率，sTag(RSSI)為目前環境量測到的訊 號強度值，txPower 為行動裝置與 xBeacon 一公尺時的訊號強度值，感測器在出 廠設定時會做訊號強度的校準，txPower 依照出場設定時設定的一個固定數值， 將 RSSI 值除 txPower 求得 ratio 的比率，再將 ratio 值帶入 eq2 得估計的距離， 即可求得目前 PH 與 FT 的距離。. 32.

貳. 節點訊號強弱度切割法. 圖 21 兩個移動節點之間的區域切割 假設感測器 W 都隨機分布在面積𝑅 的區域，本節定義𝑅𝑛 為每個感測器的可能 所在區域，而感測器都會在自己𝑅𝑛 的範圍內，當還沒有任何移動節點時，每個 感測器的可能所在範圍會是整個𝑅 區域。實驗中利用不同移動節點間的垂直平分 線Ln 來縮小感測器可能的位置範圍，藉由縮小範圍來獲得更加準確的定位結果。 為了找到感測器的所在位置，移動節點唯讀取器停止之地點，當讀取器在環 境區域中停下時，讀取器會收集範圍內感測器的資訊，並將原地收到的感測器強 度值進行平均，作為每個移動節點的比較數據，而移動節點𝑁1 收到感測器 A 的資 訊與𝑁2 收到感測器 A 的資訊因距離不同，所儲存的比較數據也會有所差異。. . 圖 22 三個移動節點之間的切割. 33.

如圖 21，感測器 A 放置於區域範圍內，標記為英文編號的黃色菱形，讀取 器隨機停止在兩個不同的位置上，標記為數字編號的圓形，在停止期間分別接收 感測器 A 的訊號強度值，兩點間的垂直平分線𝐿1 會將面積𝑅 切割成𝑅𝑎 與𝑅𝑏 兩塊， 在移動節點𝑁1 和移動節點𝑁2 中，由於感測器 A 更接近𝑁2 ，所以這也代表著𝑁2 的 強度值會比𝑁1 還要強，因此我們可以知道感測器 A 所在的位置會在𝑁1 與𝑁2 兩個 移動節點畫出垂直平分線𝐿1 左側𝑅𝑎 的區域內。如圖 22，假設讀取器又進行移動， 並停止在範圍內的另一位置時，由N1 、N2 與N3 三個點中可以得到三條垂直平分 線L1 , L2 , L3，三條線分別將區域範圍進行切割，更能進一步的縮小感測器 A 可能 的位置範圍。 假設r(A, N)為感測器 A 到 N 點的訊號強度值，當讀取器停在移動節點 N 時， d(Ni , Nj )為Ni 到Nj 兩點之間的距離，透過上述的說明可以歸納以下的定理，假設 空間內有一感測器與移動節點𝑁1 和𝑁2 ，如果r(A, 𝑁𝑖 ) ≤ r(A, 𝑁2 )，則d(A, 𝑁𝑖 ) ≤ d(A, N2 )，由此可得知，透過移動節點的分割，所有感測器可能的範圍會為凸多 邊形，依照移動節點 N 的不同，可列出有. N(N−1) 2. 條垂直平分線，而越來越多的移. 動節點將會成倍的增加垂直平分線的數量，並有效的縮小感測器的可能範圍。. 參. 讀取器間訊號強弱度切割. 圖 23 感測器間訊號強弱切割示意圖 這一節將介紹如何透過讀取器間訊號強弱度切割來進一步縮小可能的範. 34.

圍。 如圖 23(a)部分所示，假設感測器 A 與感測器 B 都放置於環境中，兩者的位 置可能區域分別為R a 與R b，當讀取器Nn 收到 A 與 B 的訊號強度值後，如果Nn 在R a 的範圍內，A 的強度值又比 B 的還要大，即可推斷 A 的可能範圍會在以Nn 為圓心 的圓形區域內，圓形半徑為Nn 到R b 的最遠距離。如圖 3(b)的部分，如果Nn 在R b 的 範圍內，A 的強度值又比 B 的還要大，即可推斷 B 的可能範圍會在以Nn 為圓心的 圓形區域外，圓形半徑為Nn 到R b 之間的最短距離。 假設dismin (. , . )代表最小距離，如圖 23(b)，如果感測器 B 的訊號強度值小 於感測器 A 時，由上述可以得知，感測器 B 可能之區域會在以N1 為圓心，半徑 r = dismin (N1 , Nb )的圓形區域之外，因R b 的區域經過讀取器間訊號強弱度切割過 後，形狀可能不會保持凸多邊形，為了方便後續演算式的運算與分析，會將R b 的 區域透過相對應的凸包(convex hulls)，以凸多邊形的範圍代替原本的範圍(圖 24)。. 圖 24 處理後的凸多邊形範圍. 第四節. 環境布建. 為了要布建老人居家定位環境，系統在使用前需要進行環境的布置，本研究 將居家環境分為臥室、客廳、浴室、餐廳四個區域，以四個對角的方式作為布建 基礎，在依照各個環境區域的形狀、大小進行不同的調整，環境布建使用 xBeacon 並連接至行動裝置端，再經由行動裝置端上傳至 Server，定位物品使用 xBeacon，. 35.

希望在環境中定位能達到無縫隙的接軌，布置示意圖如圖 25。. 圖 25 布置於環境中的 xBeacon. 圖 26 老人室內居家環境區塊圖 圖 26 為本研究實際布建的場域，本場域依照結合適合健康老人環境的條件 所打造的健康老人居家空間，裡面備有老人休息與睡眠用的臥室，洗澡如廁用的 浴室，能進行料理、吃飯的廚房與一般看電視、休閒、做室內運動復健的客廳， 後續將會分別探討四個區域的 xBeacon 相關布置。. 36.

圖 27 臥室布置規劃 臥室為老人睡覺休息之地點，環境格局大致為一個四邊形空間，臥室內家具 擺放較為單純，比較沒有會妨礙接收訊號之物品，所以在 xBeacon 的布置上只需 要使用基礎的布置方法，在四個角落布置即可，如圖 27。. 圖 28 浴室布置規劃 浴室因為空間稍小，可以放置物品的位置不多，在 xBeacon 的環境布置上也 不必使用過多的數量進行布置，在浴室的定位上除了浴室擺放的 xBeacon 外，將 會與臥室的兩個 xBeacon 共同輔助定位，在 xBeacon 的放置上，因為浴室環境容. 37.

易產生水氣造成感測器的故障，所以必須放置於浴室天花板的部分來減少狀況發 生，如圖 28。. 圖 29 餐廳布置規劃 餐廳部分分別由烹飪區與用餐區所組成，餐廳環境都放有流理台與放東西用 的平台，本區環境預計也是使用四個 xBeacon 進行布置，雖然環境空間較大，但 物品放置時多半多會放置於靠向牆壁四周的平台、桌椅與櫥櫃，所以擺放四個 xBeacon 即可達到需求之輔助狀態，如圖 29。. 圖 30 客廳布置規劃 老年人在室內的時間除了在臥室外，最常久待的地方就是客廳，環境中有許 多地方可以擺放物品，又是最常進出的環境地點，所以客廳也是最容易造成物品 遺失的地方，在尋物上對於客廳的布置必須要求維持一定的精準程度，本環境建 構的客廳是由一個長條型空間所組成的，xBeacon 在布置於環境時除了四角要放. 38.

置外，考慮到物品放置於中間區域時可能會降低定位的精準度，所以在兩側的中 間各布置一個 xBeacon 進行輔助定位，如圖 30。. 第四章 第一節. 系統實作說明. 研究對象與設備. 本研究在參訪了台灣知名長期照護機構，並與護理相關科系進行會談後，於 老人健康居家照護示範環境進行測試，實驗人員會於環境內模擬老人居家的行動 模式，攜帶行動裝置在房間內四處移動，測試裝置接收訊號之情形與準確程度。 研究使用之藍芽感測器為 xBeacon，主要功能會向四周進行訊號的發送， xBeacon 詳細規格如表 4 所示。. 表 4 xBeacon 詳細規格表 編號. xBeacon_AA. 電源. 三號 AA 鹼性電池. 頻率. 100 毫秒 ~ 1 秒. 使用時間. 超過一年. 裝置大小. 直徑:7cm,高 2.5cm. 最大覆蓋半徑. ~15m. xBeacon 內部需要另外安裝電池，與行動裝置間的訊號傳輸為藍芽無線形式， xBeacon 外觀如圖 31，後續實驗都將以此型號進行測試。. 39.

圖 31 本研究所使用之藍芽感測器-xBeacon 為了進一步測試不同行動裝置在接收 xBeacon 發送之訊號時的差異，本研究 使用三款行動裝置讀取器進行實驗，型號分別為 Samsung GALAXY Note 10.1、 ASUS Transformer pad 與紅米 Note，設備的詳細規格如表 5 所示。. 表 5 行動裝置詳細資料表 型號. ASUS Transformer pad. Samsung GALAXY Note. 紅米 Note. 作業系統. Android 4.4.2. Android 4.4.2. Android 4.4.2. 處理器. Intel Atom Z3745. 藍芽版本. V4.0. V4.0. V4.0. RAM. 1G. 3G. 2G. 螢幕尺寸. 10.1. 10.1. 5.5. Qualcomm Snapdragon 800. MediaTek MT6592. 三款行動裝置的系統版本皆已更新到 Android 4.4.2，分別使用不同系列的 處理器，與 Server 端的傳輸方式為 Wi-Fi，樣式如圖 32 所示。. 40.

圖 32 本研究所使用之行動裝置. 第二節. xBeacon 配置實驗. 為了要在居家環境進行移動端點的定位與訊號強度的切割，本研究使用 Android 智慧型手機做為接收訊號強度裝置，將 xBeacon 布建於老人室內環境中， 在研究中會使用到多個 xBeacon，因此在測試前，需要測試每個 xBeacon 之間是 否會有誤差的狀況，實作時將 4 個不同的 xBeacon 以同擺放位置、同角度方向的 方式與 Android 智慧型手機依序從距離 1 公尺處量測至 5 公尺，並將各個 xBeacon 蒐集到的數據進行比較，測試感測器在實驗環境時所產生的誤差範圍，本次測試 使用的行動裝置為紅米 Note，結果如圖 33 所示。. 41.

圖 33 Tag 訊號誤差比較 從測試結果中可發現，各個 xBeacon 的訊號強度值都會產生些許的誤差狀況， 但誤差浮動狀況不大，對最後強弱度切割的結果影響甚小，所以對於 xBeacon 本身不需要再做額外的調整。 在確定不同的 xBeacon 不須進行額外調整後，再來要確認 xBeacon 擺放的方 向是否會影響到讀取之強度值，將 xBeacon 以立著的方式擺放，行動裝置分別放 置於四個角度方向進行訊號強度的誤差量測，從圖 34 上可以發現，行動裝置在 不同方向量測時會產生較大的誤差影響，因為 xBeacon 中的天線具有方向性，所 以當不同方向進行量測時誤差值也會較大。. 42.

圖 34 xBeacon 各角度訊號強度量測值 上述提到天線的方向會影響到訊號強度的誤差，在本研究中，訊號強弱度的 精準程度會影響到後續的強弱度切割法與移動端點的定位，為了找尋最適合 xBeacon 的擺放方式，實驗將不同型號與廠牌的 Android 智慧型行動裝置作為讀 取器，測試使用不同裝置與擺放方式時，對讀取的 RSSI 值是否會產生差異，本 研究使用紅米 note、Samsung、ASUS 三款智慧型行動裝置，分別在居家長照示範 環境與一個充滿訊號和主機的討論教室進行量測並比較其中的差異，圖 35 為 xBeacon 與行動裝置實際量測之狀況。. 圖 35 xBeacon 訊號量測示意圖 圖 36 為正常擺放之方式，從表 6 中可以發現在正常擺放的狀態下居家環境 會有一個較為穩定的訊號區間而討論教室的區間浮動較大，各行動裝置也會因為 藍芽模組放置位置與行動裝置的材質形狀略微影響到訊號強度的數值區間。. 43.