一種新型室內(nèi)自適應(yīng)復(fù)合定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周軍華，任堅(jiān)，吳文生，徐榮，張曉明，唐永

江南大學(xué)附屬醫(yī)院（無錫市第四人民醫(yī)院）醫(yī)療器械科，江蘇 無錫214062

一種新型室內(nèi)自適應(yīng)復(fù)合定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周軍華，任堅(jiān)，吳文生，徐榮，張曉明，唐永

江南大學(xué)附屬醫(yī)院（無錫市第四人民醫(yī)院）醫(yī)療器械科，江蘇 無錫214062

目的 開發(fā)一種新型室內(nèi)自適應(yīng)復(fù)合定位系統(tǒng)，用于跟蹤、定位可移動(dòng)式醫(yī)療設(shè)備的位置，統(tǒng)計(jì)其使用狀況，以提高設(shè)備使用效率。方法 利用可移動(dòng)式醫(yī)療設(shè)備所需要市電工作的特點(diǎn)，將電力線載波通信技術(shù)用于室內(nèi)定位，同時(shí)輔助以主流的無線WIFI定位手段實(shí)現(xiàn)。結(jié)果 系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取醫(yī)療儀器的工作位置，定位精度可滿足需求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。結(jié)論 本文提出的方法可以有效解決醫(yī)院室內(nèi)儀器定位問題。

移動(dòng)式醫(yī)療儀器；電力線載波通信；Wi-Fi；室內(nèi)定位系統(tǒng)

0 前言

醫(yī)療儀器設(shè)備管理的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程化是當(dāng)前醫(yī)院綜合管理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，我們可以采用常規(guī)的無線網(wǎng)絡(luò)來收集醫(yī)療儀器設(shè)備的運(yùn)行信息用于醫(yī)院綜合管理。但是，醫(yī)院的設(shè)備管理者常常需要了解當(dāng)前工作儀器設(shè)備的位置信息。位置信息必須精確到某個(gè)特定區(qū)域（如樓層、科室、病區(qū)等）。目前主流的室內(nèi)定位手段是依靠無線方式，如Wireless-Fidelity（Wi-Fi）信號(hào)[1-2]，以此發(fā)展出多點(diǎn)定位法和更復(fù)雜的指紋定位法等一系列方法[3-5]。但基于傳統(tǒng)的WIFI的定位精度不高，難以精準(zhǔn)定位到具體樓層，需要加以其他輔助手段來提高其定位精度，而射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)[6-7]也有其局限性，除非耗資大量的布站，否則也難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

為解決這一難題，筆者提出一種以有線定位為主，WIFI定位為輔的室內(nèi)復(fù)合定位方案。該方案可有效地解決室內(nèi)定位垂直誤差大的問題，對(duì)可移動(dòng)式儀器設(shè)備的實(shí)時(shí)定位具有很高的實(shí)用性、可靠性，同時(shí)降低成本，減少后期維護(hù)，可以很好解決醫(yī)療儀器設(shè)備室內(nèi)定位的難題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 我院通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析

現(xiàn)有的醫(yī)院辦公區(qū)域一般都是每個(gè)樓層有獨(dú)立的供電設(shè)備和保護(hù)措施，每層樓的市電電源相對(duì)獨(dú)立，可以通過電力線傳輸定位信息。在醫(yī)院的病房等辦公區(qū)域部署多個(gè)定位錨標(biāo)，定位錨標(biāo)集成WIFI接口和電力線載波通信接口。每個(gè)定位錨標(biāo)會(huì)根據(jù)服務(wù)器命令（通過WIFI下達(dá)）在電力線上廣播發(fā)送特定序列號(hào)，廣播發(fā)送的范圍會(huì)被服務(wù)器嚴(yán)格控制，使其局限在特定范圍內(nèi)。

附著在醫(yī)療儀器設(shè)備上的監(jiān)控終端采用電源線形式，所以當(dāng)醫(yī)療儀器工作時(shí)，監(jiān)控終端必然會(huì)接入電力線網(wǎng)絡(luò)中，那么監(jiān)控終端同樣從電力線上收到某個(gè)特定的定位錨標(biāo)發(fā)送的序列號(hào)，然后將該序列號(hào)通過WIFI發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器收到后就可以確定該設(shè)備是在哪層樓的哪個(gè)區(qū)域，不會(huì)出現(xiàn)樓層誤差。服務(wù)器在結(jié)合監(jiān)控終端的服務(wù)集標(biāo)識(shí)（Service Set Identifier，SSID）列表，通過多點(diǎn)定位法可以非常準(zhǔn)確地給出這臺(tái)醫(yī)療儀器設(shè)備的位置。

復(fù)合定位系統(tǒng)，通過醫(yī)院已有的WIFI網(wǎng)絡(luò)的無線接口將運(yùn)行信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器記錄并統(tǒng)計(jì)各個(gè)醫(yī)療儀器的狀態(tài)信息，提供實(shí)時(shí)監(jiān)控的窗口顯示。

常規(guī)的電力線載波通信技術(shù)也有其自身的局限：數(shù)據(jù)帶寬低、干擾大；此外，還存在依賴信號(hào)功率強(qiáng)弱的問題：極易受干擾，長(zhǎng)期可靠性差。為此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)只發(fā)送序列號(hào)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信通道為WIFI，所以數(shù)據(jù)帶寬低會(huì)不構(gòu)成系統(tǒng)缺陷。針對(duì)干擾和長(zhǎng)期可靠性差的問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用自適應(yīng)算法和布站方法，可以有效解決這一問題，這在下文中有詳細(xì)敘述。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體架構(gòu)，見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

（1）監(jiān)控終端：監(jiān)控醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提供WIFI無線接口和電力線載波通信功能。

（2）定位錨標(biāo)：提供定位信息，監(jiān)控其他定位錨標(biāo)的發(fā)送功率。同時(shí)，通過WIFI接收服務(wù)器命令和上報(bào)狀態(tài)信息。

（3）服務(wù)器：主要是軟件部分，記錄各個(gè)醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提供操作手冊(cè)和運(yùn)行記錄，輸出各種格式內(nèi)容的報(bào)表。除此之外，還負(fù)責(zé)其他硬件模塊的管理和配置。

（4）云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：匯總所有單體服務(wù)器，提供云端的數(shù)據(jù)庫(kù)和訪問接口，支持遠(yuǎn)程訪問，可以部署在各個(gè)獨(dú)立的服務(wù)器上。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

基于電力線載波通信[8]的有線定位手段是本方案的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在實(shí)施過程中如何解決其可靠性，提高抗干擾能力是必須解決的難題；低壓電力網(wǎng)是一個(gè)開放性網(wǎng)絡(luò)，在本系統(tǒng)中又是采用廣播發(fā)送，如何保證信號(hào)的有效覆蓋和抑制相互干擾是本方案的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 電力線載波通信

電力線載波通信Modem芯片采用由意法半導(dǎo)體（ST）公司提供（型號(hào)ST7540），是目前最適合國(guó)內(nèi)開發(fā)應(yīng)用的芯片之一，可廣泛應(yīng)用于家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線通信。一般來說ST7540的最大有效通信距離為1000 m，發(fā)送功率可調(diào)，能滿足本系統(tǒng)要求。電路采用公版設(shè)計(jì)，并無特殊要求。

監(jiān)控終端的電力線載波通信模塊永遠(yuǎn)處于接收狀態(tài)，當(dāng)收到某個(gè)定位錨標(biāo)的序列號(hào)就將該序列號(hào)通過WIFI網(wǎng)絡(luò)上報(bào)服務(wù)器。

定位錨標(biāo)具有既發(fā)送又接收功能。定位錨標(biāo)必須接收到服務(wù)器的發(fā)送命令才會(huì)發(fā)送特定定位序列號(hào)，發(fā)送功率也由服務(wù)器控制。每次發(fā)送完成就自動(dòng)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，一旦收到其他定位錨標(biāo)定位序列號(hào)就通過WIFI網(wǎng)絡(luò)上報(bào)，供服務(wù)器裁決。

2.2 自適應(yīng)有線定位布站

布置定位錨標(biāo)的主要目的是為了提供監(jiān)控終端的樓層定位信息，同時(shí)定位錨標(biāo)也可以作為WIFI的無線訪問接入點(diǎn)（Access Point，AP）來使用，可以滿足輕度負(fù)載要求，補(bǔ)足WIFI覆蓋。

定位錨標(biāo)的布站可根據(jù)實(shí)際的具體需要隨時(shí)改動(dòng)。一般來說，醫(yī)院每層樓需要布置1～3個(gè)定位錨標(biāo)，如需更精確的定位或是復(fù)雜的室內(nèi)電源布線，可以增加定位錨標(biāo)的數(shù)量。定位錨標(biāo)布置，見圖2。

圖2 定位錨標(biāo)布置圖

以圖2為例，說明一下有線定位的具體思路。假設(shè)該層樓的電源入口和保護(hù)開關(guān)在紅色箭頭位置，那么，在靠近入口位置布置1個(gè)定位錨標(biāo)A（監(jiān)控錨標(biāo)，只接收不發(fā)送），用于監(jiān)控本層的定位信號(hào)有沒有覆蓋全，有沒有其他樓層的定位信號(hào)發(fā)送到本樓層來。若收到其他樓層的定位信號(hào)，則減少其發(fā)送功率直至其影響不了他人。需要強(qiáng)調(diào)的是，定位錨標(biāo)只是按照服務(wù)器的命令行事，而服務(wù)器的設(shè)定則可根據(jù)具體情況作動(dòng)態(tài)調(diào)整。

定位錨標(biāo)B和C則用于發(fā)送覆蓋整層的定位信號(hào)。B和C同時(shí)也可監(jiān)控對(duì)方的發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度，服務(wù)器可以錯(cuò)開B和C的發(fā)送，避免互相的干擾。監(jiān)控終端將收到的B和C序列碼發(fā)送給服務(wù)器，同時(shí)上報(bào)自身的層樓信息。

2.3 有線多點(diǎn)定位系統(tǒng)

有線多點(diǎn)定位系統(tǒng)原理與無線多點(diǎn)定位系統(tǒng)相仿，同樣存在上文描述的問題，這里不再贅述。有線定位系統(tǒng)主要為了定位樓層和大范圍的區(qū)域，在圖2中藍(lán)色和黃色區(qū)域的中間布置定位錨標(biāo)D（監(jiān)控錨標(biāo)，只接收不發(fā)送），可以監(jiān)控定位錨標(biāo)B和C的發(fā)送強(qiáng)度使其局限在自身區(qū)域內(nèi)，這樣監(jiān)控終端就可以知道自身在哪個(gè)樓層的哪個(gè)區(qū)域（科室或病區(qū)）。

2.4 WIFI多點(diǎn)定位

WIFI多點(diǎn)定位作為輔助定位手段，在有線定位的基礎(chǔ)上通過簡(jiǎn)單的多點(diǎn)定位算法得到相對(duì)精確的水平位置信息。

若同一樓層有多個(gè)區(qū)域，需要精確定位，則考慮部署有線多點(diǎn)定位系統(tǒng)輔助WIFI無線定位。因?yàn)檫吔缣幰延幸粋€(gè)定位錨標(biāo)D，也可以得到WIFI信號(hào)，這可為WIFI的指紋算法提供借鑒，在邊界處局部采用WIFI指紋定位方法，可提高局部定位精度，減輕系統(tǒng)負(fù)載。

3 結(jié)束語

室內(nèi)自適應(yīng)復(fù)合定位系統(tǒng)很好地解決了可移動(dòng)的醫(yī)療儀器設(shè)備的室內(nèi)定位難題。系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)容易。采用自適應(yīng)架構(gòu)，有效地解決了系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性問題，極大地降低了后期維護(hù)成本[9]，并在實(shí)際布網(wǎng)測(cè)試中取得了較好的效果。

[1]盧恒惠,劉興川,張超,等．基于三角形與位置指紋識(shí)別算法的W iFi定位比較[J]．移動(dòng)通信,2010,（10）：72-76．

[2]魏菲,李允俊,金華．使用位置指紋算法的W iFi定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2014,（5）：29-31．

[3]陳慶國(guó)．多點(diǎn)定位算法研究[J]．山東交通科技,2011,（5）：5-6．

[4]蔡朝暉,夏溪,胡波,等．室內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度指紋定位算法改進(jìn)[J]．計(jì)算機(jī)科學(xué),2014,41（11）：178-181．

[5]李福堅(jiān),吳黎明．一種改進(jìn)的支持向量機(jī)的室內(nèi)指紋定位技術(shù)[J]．自動(dòng)化與信息工程,2014,35（4）：29-33．

[6]羅春彬,彭龑,易彬．RFID技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用綜述[J]．通信技術(shù),2009,42（12）：112-114．

[7]霍炎,盧雨萌,程偉,等．基于RFID技術(shù)的安全跟車系統(tǒng)[J]．北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,38（5）：54-59．

[8]肖勇,張捷,三磊,等．智能計(jì)量設(shè)備電力線載波通信測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．電測(cè)與儀表,2014,51（13）：14-21．

[9]林志剛．醫(yī)院信息集成平臺(tái)構(gòu)建與應(yīng)用[J]．中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2013, 28（9）：39-41,11．

Design and App lication of A New-Type Indoor Adaptive Com posite Positioning System

ZHOU Jun-hua, REN Jian,
WU W en-sheng, XU Rong, ZHANG Xiao-m ing, TANG Yong Department of Medical Equipment, the A ffi liated Hospital of Jiangnan University（Wuxi Fourth People's Hospital）, Wuxi Jiangsu 214062, China

Objective To develop a new-type indoor adaptive composite positioning system for tracking and locating the position of the mobile medical equipment as well as the calculation of the use of the equipment so as to improve its use efficiency. Methods In combination w ith the electricity requirement of mobile medical equipment, the power line communication technique was introduced for indoor positioning. Meanwhile, the mainstream w ireless location technique was used for auxiliary location. Resu lts The proposed method had a good performance in its stability and real-time acquisition of the location of medical equipment, and could effectively enhance the accuracy of indoor positioning. Conclusion The proposed method could effectively solve the problem of medical equipment indoor positioning in the hospital.

mobile medical equipment；power line communication；Wi-Fi；indoor positioning system

TP277

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.11.025

1674-1633（2015）11-0081-03

2015-04-17

2015-05-07

無錫市醫(yī)院管理中心智慧醫(yī)療科研項(xiàng)目（YGZXZ1304）。

本文作者：周軍華，碩士，工程師，主要從事醫(yī)療設(shè)備維修及質(zhì)控管理及研究工作。

作者郵箱：439069554@qq．com