面向移動健康應(yīng)用的UWB 室內(nèi)定位方法

王 鵬，方 震，夏 攀，陳賢祥，杜利東，趙榮建

（1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

0 引言

移動健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在醫(yī)院或養(yǎng)老院等場景中具有很廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。在醫(yī)院中，有些病人的病情需要被長期監(jiān)測，傳統(tǒng)的方法是醫(yī)療監(jiān)護(hù)人員依靠病房內(nèi)固定的醫(yī)療設(shè)備定時監(jiān)測，這種方法對病人的行動能力有一定限制。在養(yǎng)老院中，也有同樣的問題，隨著年齡的增長，大多數(shù)老年人都有一些典型的老年病，其中有一些慢性病需要被長期監(jiān)測[1]。但是在一些特殊的環(huán)境中，如需要對患有視力障礙病人的病情進(jìn)行監(jiān)護(hù)而不想限制其行動能力時，不僅需要對其身體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，也需要進(jìn)行實時輔助定位與導(dǎo)航[4]?；蜥槍σ恍┐笮徒ㄖ?、倉庫、大型艦艇內(nèi)部的突發(fā)情況，如火災(zāi)、地震等，消防員進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行救援，其身體狀況和具體位置也需要被實時監(jiān)測，以便更好地保障消防員安全，指揮救援工作[5]。

很多研究機(jī)構(gòu)對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究：文獻(xiàn)[6-7]在2004 年，設(shè)計并實現(xiàn)了“CodeBlue”無線健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對用戶的心電圖（electrocardiogram, ECG）、心率、血氧的遠(yuǎn)程監(jiān)測；文獻(xiàn)[8]在2006 年，針對家庭環(huán)境設(shè)計了基于成熟 MICAz 傳感器網(wǎng)絡(luò)的“ALARM-NET”系統(tǒng)，用以監(jiān)測居住環(huán)境中人員的身體狀況；文獻(xiàn)[9]于2010 年設(shè)計了1 種無線臨床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并進(jìn)行了長期臨床測試，結(jié)果表明無線傳感網(wǎng)絡(luò)對于病人病情的持續(xù)監(jiān)測具有可行性；文獻(xiàn)[10]于2012 年針對老年人健康問題，提出了“ViCare”系統(tǒng)，用以持續(xù)監(jiān)測老年人的生理參數(shù)及活動狀況；文獻(xiàn)[11]于 2015 年，提出了1 種基于輕量級路由算法的無線健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，支持移動狀態(tài)下生理參數(shù)測量。

以上健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)都可以覆蓋大面積建筑物，但是都沒有提及室內(nèi)定位功能；然而針對一些具體應(yīng)用場景，如大型倉庫或艦艇中的突發(fā)事故、養(yǎng)老院中老人的緊急護(hù)理等，需要及時獲知受困人員或病人的位置及身體狀況。文獻(xiàn)[2]通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)定位系統(tǒng)在上述場景中的應(yīng)用仍是1 個未被完全探索的領(lǐng)域；但隨著可穿戴健康技術(shù)及室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，這一問題有望得到解決。室內(nèi)定位應(yīng)用到上述場景中時，也需要達(dá)到一些具體的限制條件，文獻(xiàn)[1]通過調(diào)研，提出了定位精度、覆蓋面積和更新頻率等具體要求。有很多無線技術(shù)可用于室內(nèi)定位，如無線保真(wireless fidelity, WiFi）、藍(lán)牙(blue tooth, BT)、紫蜂（zigbee, ZB）等；而超寬帶(ultra wide band,UWB）技術(shù)，由于其高頻段寬帶寬的優(yōu)異特性，對室內(nèi)多徑干擾具有很好的抑制能力，故被很多研究者用于室內(nèi)定位場景中[12-14]。然而這些系統(tǒng)進(jìn)行實驗的場景都比較有限，通常是在1 個小空間內(nèi)進(jìn)行實驗的，并不具有實用意義[15-16]，而且將UWB 定位技術(shù)應(yīng)用到健康監(jiān)護(hù)應(yīng)用場景的研究也很少。

針對上述問題，本文提出1 種用于移動健康監(jiān)護(hù)的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計方法，該系統(tǒng)由固定在墻壁上的多個定位錨節(jié)點和佩戴在被監(jiān)護(hù)者身上的可穿戴監(jiān)護(hù)設(shè)備組成。將全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）中的幾何精度衰減因子（geometric dilution of precision,GDOP）引入室內(nèi)定位系統(tǒng)中，通過GDOP 的仿真結(jié)果，選擇定位錨節(jié)點最佳安裝位置，隨后定位錨節(jié)點自主連接組成多簇樹狀網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)兼具室內(nèi)定位和數(shù)據(jù)傳輸功能。通過分析定位過程，將傳統(tǒng)的對稱雙邊雙向測距法（symmetrical doublesided two-way-ranging method, SDS-TWR）及擴(kuò)展卡爾曼濾波法（extended Kalman filtering, EKF）簡化為雙邊雙向測距法（double-sided two-wayranging method, DS-TWR）及線性卡爾曼濾波法（Kalman filtering, KF），使其更適合集成在弱算力的嵌入式系統(tǒng)中。

1 方法

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

該系統(tǒng)結(jié)合UWB 室內(nèi)定位技術(shù)和生命體征監(jiān)測技術(shù)，為覆蓋大面積樓宇區(qū)域，整體設(shè)計如圖1 所示。

將大空間分割為多個定位簇空間，在單個定位簇空間內(nèi)，利用GDOP 仿真結(jié)果合理分布4 個定位錨節(jié)點，錨節(jié)點固定在墻壁或天花板上。該空間內(nèi)待定位的目標(biāo)節(jié)點佩戴在使用者身上，定時測量與4 個錨節(jié)點的距離信息，同時測量人體生命體征信息。通過選擇1 個位置最佳的錨節(jié)點作為路由錨節(jié)點，同時作為簇頭，與其他簇空間的簇頭相連接，所有的簇頭都通過交換機(jī)連接在協(xié)調(diào)器上，最終形成1 種多簇樹狀網(wǎng)絡(luò)，將定位信息及生理參數(shù)信息傳輸至監(jiān)控終端，以供監(jiān)護(hù)人員查看。

圖1 室內(nèi)定位與健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)示意圖

圖2 硬件系統(tǒng)

該系統(tǒng)的硬件整體設(shè)計如圖2（a）所示，包括通信與定位設(shè)備和生命體征監(jiān)測與定位設(shè)備2 部分；圖2（b）為實驗原型設(shè)備。由于通信與定位錨節(jié)點固定在建筑物的墻壁或天花板上，只需要具有通信、定位、報警功能即可，所以其結(jié)構(gòu)可簡化，而生命體征監(jiān)測與定位設(shè)備，不僅需要包含通信與定位設(shè)備的所有功能，而且需要集成各種生物傳感器，功能復(fù)雜。因此將通信與定位信標(biāo)設(shè)備設(shè)計為底座，將生命體征監(jiān)測與定位設(shè)備設(shè)計為擴(kuò)展板，通過串口與底座相連接，擴(kuò)展板采集傳感器數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給底板，底板負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和無線通信。UWB 定位錨節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點選用達(dá)卡韋弗（Dacawave）公司的DWM1000 UWB定位模塊，該模塊兼容IEEE 802.15.4-2011 標(biāo)準(zhǔn)，工作頻段覆蓋3.5～6.5 GHz，對室內(nèi)多徑干擾具有較好的抑制作用，生物傳感器選擇SHF7072 和AFE4490，可以測量人體 ECG、光電容積描記（photoplethysmography, PPG）信號，并進(jìn)一步解析出呼吸、脈率、血氧飽和度等生理參數(shù)。所設(shè)計的實驗原型設(shè)備如圖2（b）所示。

1.2 定位錨節(jié)點最優(yōu)配置

基于UWB 的室內(nèi)定位方案，須在室內(nèi)部署一定數(shù)量的固定的錨節(jié)點，定位錨節(jié)點須固定在室內(nèi)的墻壁或天花板上，錨節(jié)點的數(shù)量和分布位置對定位精度有很大影響。從GNSS 的研究結(jié)果來看，不同的衛(wèi)星分布結(jié)構(gòu)對地面用戶的定位精度影響可以用GDOP 來表示[17-18]。GDOP 與定位誤差正相關(guān)，等級劃分如表1 所示[18]。因此，將這一概念引入室內(nèi)定位場景中以確定錨節(jié)點的數(shù)量和安裝位置。

表1 GDOP 等級劃分表[18]

由于室內(nèi)環(huán)境的多徑干擾，待定位目標(biāo)節(jié)點和N個錨節(jié)點之間的距離的測量值中包含誤差，這時目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點之間的距離為

式中：ri為目標(biāo)節(jié)點與第i 個錨節(jié)點之間的真實距離；Di為測量距離；C 為電磁波在空氣中傳播的速度；?為時間誤差；（xi,yi）,i =1,2,…,N為第 i 個錨節(jié)點坐標(biāo)；目標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)設(shè)為（x,y）。2 維空間內(nèi)的定位誤差設(shè)為Δri，可以分解為2 個坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)誤差（Δx,Δy），將式（1）進(jìn)行泰勒展開，只保留1 階項可得

將式（2）表示為矩陣形式，即

求解定位坐標(biāo)誤差δ，由最小二乘法得

設(shè)

則由文獻(xiàn)[18]中GDOP 的概念得

基于以上室內(nèi)環(huán)境下GDOP 公式的推導(dǎo)，利用軟件分別仿真不同形狀的室內(nèi)環(huán)境下，不同錨節(jié)點布局方案的GDOP 值，比較不同的方案，為實際布局提供理論基礎(chǔ)。考慮實際定位環(huán)境及設(shè)備成本，分別在10 m×10 m 正方形區(qū)域和10 m×5 m 長方形區(qū)域內(nèi)，仿真3 錨節(jié)點對角安裝、4 錨節(jié)點對角安裝、4 錨節(jié)點對面安裝方案，仿真結(jié)果如圖3、圖4 所示。由仿真結(jié)果可知，4 錨節(jié)點對角安裝方案的平均GDOP 值在2 種定位區(qū)域中都是最小的，因此在實際實驗時選擇此方案布局錨節(jié)點。

圖3 10 m×10 m 正方形區(qū)域仿真結(jié)果

圖4 10 m×5 m 長方形區(qū)域仿真結(jié)果

1.3 DS-TWR 測距法

錨節(jié)點部署完成后，目標(biāo)節(jié)點進(jìn)行室內(nèi)定位時，首先需測量與各個錨節(jié)點之間的距離。傳統(tǒng)的測距方法為基于到達(dá)時間（time of arrival, TOA）法的對稱雙邊雙向測距法（SDS-TWR）[19-20]，如圖5所示。目標(biāo)節(jié)點發(fā)起測距請求后，轉(zhuǎn)換為接收狀態(tài)，處于接收狀態(tài)的錨節(jié)點接收請求并返回應(yīng)答，隨后向目標(biāo)節(jié)點發(fā)送新的測距請求，目標(biāo)節(jié)點接收到請求后返回應(yīng)答。整個過程在2 個節(jié)點之間共發(fā)送5 次數(shù)據(jù)包，共進(jìn)行了4 次測距，產(chǎn)生4 個時間間隔即T1、T2、T3及T4，測距結(jié)果表示為

式中D 為目標(biāo)節(jié)點與錨節(jié)點之間的距離。采用平均測距結(jié)果，可以減小由于某次測距誤差過大對實際測量結(jié)果造成的影響。本系統(tǒng)中對SDS-TWR方法進(jìn)行改進(jìn)，將錨節(jié)點的返回應(yīng)答和測距請求信息合并為同一組信息，將整個測距過程發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量減少為4 次，改進(jìn)后的DS-TWR 測距方法如圖6 所示。這樣處理的好處在于可以縮短1 次測距的時間，增加單位時間內(nèi)的測距頻次，同時節(jié)省錨節(jié)點的能量，滿足低復(fù)雜度要求。

圖5 對稱雙邊雙向測距法（SDS-TWR）

圖6 雙邊雙向測距法(DS-TWR)

在視距環(huán)境下的UWB 測距，其測距精度主要受限于UWB 芯片所使用的晶振精度。因此引入時間測量誤差，假設(shè)目標(biāo)節(jié)點和錨節(jié)點的時鐘偏移量分別為eA和eB，時鐘漂移量為1×10-6，同時將式（8）經(jīng)過變換后可表示為

則測距誤差可表示為

由式(10)可知，測距誤差與設(shè)備的時鐘偏移量有關(guān)。假設(shè)設(shè)備使用的晶振的時鐘偏移為20×10-6，目標(biāo)節(jié)點與錨節(jié)點相距100 m，則到達(dá)時間約為333 ns，到達(dá)時間誤差約為6.7 ps，產(chǎn)生的測距誤差約為2.2 mm，誤差達(dá)到毫米級。因此通過選擇精度高的晶振，可使得DS-TWR 具有很小的視距測距誤差。本文使用的實驗設(shè)備所采用的晶振的時鐘偏移為20×10-6。

1.4 定位坐標(biāo)解算方法

將單個簇空間內(nèi)的室內(nèi)定位系統(tǒng)簡化為如圖7 所示的數(shù)學(xué)模型，設(shè)4 個錨節(jié)點的坐標(biāo)分別為（x1,y1）、 （x2,y2）、 （x3,y3）、 （x4,y4），為方便表示，統(tǒng)一表示為（xi,yi）,i =1,2,3,4。目標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)未知，設(shè)為（x,y）。這樣，標(biāo)簽節(jié)點到第i 個錨節(jié)點的距離可以表示為

為解算出目標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)，通常采用最小二乘法[19-21]。最小二乘法以最小化誤差平方和為原則進(jìn)行方程求解，但最小二乘法只能解決線性問題，所以需將式（11）線性化。線性化之后得到

式中：

利用最小二乘法解算得到目標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)為

圖7 定位系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.5 線性卡爾曼濾波應(yīng)用

UWB 定位數(shù)據(jù)會受到室內(nèi)環(huán)境的影響，比如多徑干擾、人員走動干擾、門窗關(guān)閉干擾等，因此需要對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理?？柭鼮V波（Kalman filtering, KF）算法是在最小均方誤差的準(zhǔn)則下，將估計值與測量值進(jìn)行最佳擬合，是1 種最優(yōu)線性狀態(tài)估計方法。傳統(tǒng)的室內(nèi)定位方法中，處理定位數(shù)據(jù)均采用擴(kuò)展卡爾曼濾波[22-23]法，原因是將觀測方程作為非線性方程處理；但是本文在處理過程中發(fā)現(xiàn)，觀測方程可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q，變?yōu)榫€性方程，因此本文仍采用線性卡爾曼濾波法處理定位數(shù)據(jù)。

UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和觀測方程為：

將式（16）表示為

通過對比式（14）和式（17），可以得到：

在1.4 節(jié)中將式（11）進(jìn)行變換，可以得出線性的觀測方程式（12），觀測矩陣H表示為

接下來利用線性卡爾曼濾波處理視距環(huán)境下的定位數(shù)據(jù)，避免了使用擴(kuò)展卡爾曼濾波需要計算狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和觀測方程的雅可比矩陣的復(fù)雜問題，滿足低復(fù)雜度需求。

2 實驗與結(jié)果分析

2.1 定位及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

由于室內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，而且面積較大，布置少量的錨節(jié)點并不能很有效地進(jìn)行室內(nèi)定位，某些區(qū)域不能測量到錨節(jié)點的信號，因此需要根據(jù)室內(nèi)環(huán)境布置較多的錨節(jié)點，并且盡量布置在視距范圍內(nèi)，以最大限度地覆蓋整個室內(nèi)區(qū)域。如圖8 所示，本文提出1 種樹狀分簇網(wǎng)絡(luò)，將1 個較大的室內(nèi)環(huán)境分割為眾多小區(qū)域，每1 個小區(qū)域作為1 個基本簇單元，包含4 個錨節(jié)點（其中1 個是兼具路由功能的錨節(jié)點）和若干個待定位節(jié)點。4 個錨節(jié)點中選擇位置最佳的1 個（通?？拷T口）作為路由錨節(jié)點，負(fù)責(zé)下發(fā)測距命令，上傳數(shù)據(jù)到計算機(jī)，并廣播消息，為待定位節(jié)點分配時隙，同時作為基本簇單元的簇頭，剩余3 個錨節(jié)點作為1 級簇成員，接收路由錨節(jié)點的命令，對待定位節(jié)點發(fā)起測距請求。待定位節(jié)點作為2 級簇成員，應(yīng)答普通錨節(jié)點的測距請求，并監(jiān)測佩戴者的生理參數(shù)，向主錨節(jié)點傳輸位置信息和生理參數(shù)信息。整體無線定位網(wǎng)絡(luò)由若干基本簇單元組成，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可覆蓋大面積樓宇區(qū)域。

圖8 樹狀分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為使運動過程中整個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)不丟失數(shù)據(jù)，本文設(shè)計了“Poll-Ack 消息應(yīng)答機(jī)制”。1 次測距過程完成之后，待定位節(jié)點將定位數(shù)據(jù)和生理參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給路由錨節(jié)點，路由錨節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到消息之后，將消息傳輸給上位機(jī)，同時返回應(yīng)答信號給路由錨節(jié)點，路由錨節(jié)點再將應(yīng)答信號返回給目標(biāo)節(jié)點，完成消息發(fā)送過程。如果目標(biāo)節(jié)點超過一定時間沒有接收到應(yīng)答信號，則重新發(fā)送本次數(shù)據(jù)，直到發(fā)送完成。這樣可以保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，減少丟包率。經(jīng)測試，1 次測距完成需5 ms，發(fā)送完成1 次“測距數(shù)據(jù)”需8 ms，1 次定位過程包含4 次測距過程，因此，定位頻率約為35 次/s，滿足實時性需求。

2.2 實驗環(huán)境

本系統(tǒng)在科電大廈11 層進(jìn)行實際部署，部署方案如圖9 所示，在實驗室內(nèi)及樓道采用GDOP值最小的“4 錨節(jié)點對角安裝”方案部署8 個錨節(jié)點。分別完成2 個實驗：實驗①，實驗人員佩戴“生命體征監(jiān)測與定位節(jié)點”，在區(qū)域1 內(nèi)進(jìn)行靜止?fàn)顟B(tài)下的定位誤差實驗，分別選擇72 個待定位點進(jìn)行測試，每2 個待定位點間距0.8 m；實驗②，實驗人員在區(qū)域1 及區(qū)域2 內(nèi)，按照設(shè)定路徑以正常速度走動，測試定位系統(tǒng)在運動狀態(tài)下的定位誤差。實驗中對錨節(jié)點的坐標(biāo)進(jìn)行手動量取與設(shè)定，采用激光測距儀進(jìn)行測量，其測距量程為120 m，精度為0.001 m，設(shè)定的錨節(jié)點坐標(biāo)如表2 所示。

圖9 實驗環(huán)境部署

表2 錨節(jié)點坐標(biāo)

參考軌跡也利用此設(shè)備進(jìn)行測量，根據(jù)實際實驗環(huán)境設(shè)定路徑的關(guān)鍵點，測量其坐標(biāo)，再將關(guān)鍵點依次連接形成參考軌跡，并在地面的參考路徑上粘貼黑色膠帶，實驗者按照此路徑行走進(jìn)行動態(tài)定位實驗。

2.3 結(jié)果與討論

靜止?fàn)顟B(tài)定位實驗在圖9 中的區(qū)域1 中進(jìn)行，結(jié)果如圖10（a）所示，定位誤差如圖10（b）所示。UWB 定位系統(tǒng)在人員靜止?fàn)顟B(tài)下定位誤差最大為0.32 m，平均定位誤差為0.16 m。靜止?fàn)顟B(tài)定位誤差累積分布如圖12（a）所示。從圖12（a）可以看出，其90%的定位誤差為0.2 m。實驗環(huán)境中心誤差小、邊緣誤差大，這是因為邊緣更易受墻壁等影響，其結(jié)果與GDOP 仿真結(jié)果一致。運動狀態(tài)下人員行走軌跡如圖11 所示，其定位誤差累積分布函數(shù)（cumulative distribution function, CDF）如圖12 所示，從圖12 可以看出，采用原始UWB數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，誤差較大，其最大誤差為1.2 m。將原始數(shù)據(jù)經(jīng)過卡爾曼濾波后，可以消除一些誤差比較大的定位點，在區(qū)域2 中的效果更加明顯，定位軌跡更接近原始軌跡，定位誤差也減小到0.6 m，已經(jīng)可以滿足移動健康監(jiān)護(hù)對于室內(nèi)定位系統(tǒng)的精度要求。

圖10 靜止?fàn)顟B(tài)定位誤差實驗

圖11 運動軌跡

圖12 定位誤差累積分布

3 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)移動健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)缺少室內(nèi)定位的問題，提出1 種用于移動健康監(jiān)護(hù)的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計方法，在實際環(huán)境中，依據(jù)GDOP的仿真結(jié)果部署并測試了本系統(tǒng)。在理論推導(dǎo)過程中，對傳統(tǒng)的SDS-TWR 測距方法進(jìn)行簡化，提出DS-TWR 測距方法，減少了測距過程中消息發(fā)送的次數(shù)，提高了定位頻率，同時也減小了由于系統(tǒng)硬件造成的測距誤差，提高了測距精度。采用線性卡爾曼濾波器處理UWB 原始數(shù)據(jù)，可以有效地減小定位誤差。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以實時檢測實驗者在室內(nèi)的位置，定位頻率可達(dá)35 次/s；在室內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)下定位誤差最大為0.32 m，行走狀態(tài)下的UWB 數(shù)據(jù)經(jīng)過卡爾曼濾波器后，運動軌跡更接近真實軌跡；動態(tài)定位誤差最大為0.6 m，相比于原始UWB 數(shù)據(jù)誤差減小50%。在實際樓宇環(huán)境中的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)較大空間的室內(nèi)定位功能，可為需要進(jìn)行室內(nèi)定位的場景提供參考。