一種新型室內自適應復合定位系統的設計與應用

周軍華，任堅，吳文生，徐榮，張曉明，唐永

江南大學附屬醫院（無錫市第四人民醫院）醫療器械科，江蘇 無錫214062

一種新型室內自適應復合定位系統的設計與應用

周軍華，任堅，吳文生，徐榮，張曉明，唐永

江南大學附屬醫院（無錫市第四人民醫院）醫療器械科，江蘇 無錫214062

目的 開發一種新型室內自適應復合定位系統，用于跟蹤、定位可移動式醫療設備的位置，統計其使用狀況，以提高設備使用效率。方法 利用可移動式醫療設備所需要市電工作的特點，將電力線載波通信技術用于室內定位，同時輔助以主流的無線WIFI定位手段實現。結果 系統可以實時獲取醫療儀器的工作位置，定位精度可滿足需求，系統工作穩定。結論 本文提出的方法可以有效解決醫院室內儀器定位問題。

移動式醫療儀器；電力線載波通信；Wi-Fi；室內定位系統

0 前言

醫療儀器設備管理的自動化和遠程化是當前醫院綜合管理系統的重要環節，我們可以采用常規的無線網絡來收集醫療儀器設備的運行信息用于醫院綜合管理。但是，醫院的設備管理者常常需要了解當前工作儀器設備的位置信息。位置信息必須精確到某個特定區域（如樓層、科室、病區等）。目前主流的室內定位手段是依靠無線方式，如Wireless-Fidelity（Wi-Fi）信號[1-2]，以此發展出多點定位法和更復雜的指紋定位法等一系列方法[3-5]。但基于傳統的WIFI的定位精度不高，難以精準定位到具體樓層，需要加以其他輔助手段來提高其定位精度，而射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術[6-7]也有其局限性，除非耗資大量的布站，否則也難以實現實時監控。

為解決這一難題，筆者提出一種以有線定位為主，WIFI定位為輔的室內復合定位方案。該方案可有效地解決室內定位垂直誤差大的問題，對可移動式儀器設備的實時定位具有很高的實用性、可靠性，同時降低成本，減少后期維護，可以很好解決醫療儀器設備室內定位的難題。

1 系統設計方案

1.1 我院通信網絡現狀分析

現有的醫院辦公區域一般都是每個樓層有獨立的供電設備和保護措施，每層樓的市電電源相對獨立，可以通過電力線傳輸定位信息。在醫院的病房等辦公區域部署多個定位錨標，定位錨標集成WIFI接口和電力線載波通信接口。每個定位錨標會根據服務器命令（通過WIFI下達）在電力線上廣播發送特定序列號，廣播發送的范圍會被服務器嚴格控制，使其局限在特定范圍內。

附著在醫療儀器設備上的監控終端采用電源線形式，所以當醫療儀器工作時，監控終端必然會接入電力線網絡中，那么監控終端同樣從電力線上收到某個特定的定位錨標發送的序列號，然后將該序列號通過WIFI發送給服務器。服務器收到后就可以確定該設備是在哪層樓的哪個區域，不會出現樓層誤差。服務器在結合監控終端的服務集標識（Service Set Identifier，SSID）列表，通過多點定位法可以非常準確地給出這臺醫療儀器設備的位置。

復合定位系統，通過醫院已有的WIFI網絡的無線接口將運行信息發送給服務器，服務器記錄并統計各個醫療儀器的狀態信息，提供實時監控的窗口顯示。

常規的電力線載波通信技術也有其自身的局限：數據帶寬低、干擾大；此外，還存在依賴信號功率強弱的問題：極易受干擾，長期可靠性差。為此，本系統設計只發送序列號，系統數據通信通道為WIFI，所以數據帶寬低會不構成系統缺陷。針對干擾和長期可靠性差的問題，本系統設計采用自適應算法和布站方法，可以有效解決這一問題，這在下文中有詳細敘述。

1.2 系統架構設計

系統整體架構，見圖1。

圖1 系統架構框圖

（1）監控終端：監控醫療設備的運行狀態，提供WIFI無線接口和電力線載波通信功能。

（2）定位錨標：提供定位信息，監控其他定位錨標的發送功率。同時，通過WIFI接收服務器命令和上報狀態信息。

（3）服務器：主要是軟件部分，記錄各個醫療設備的運行狀態，提供操作手冊和運行記錄，輸出各種格式內容的報表。除此之外，還負責其他硬件模塊的管理和配置。

（4）云計算網絡服務器：匯總所有單體服務器，提供云端的數據庫和訪問接口，支持遠程訪問，可以部署在各個獨立的服務器上。

2 系統實現的關鍵技術

基于電力線載波通信[8]的有線定位手段是本方案的重點和難點。在實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；低壓電力網是一個開放性網絡，在本系統中又是采用廣播發送，如何保證信號的有效覆蓋和抑制相互干擾是本方案的關鍵技術。

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體（ST）公司提供（型號ST7540），是目前最適合國內開發應用的芯片之一，可廣泛應用于家庭和工業領域電力線通信。一般來說ST7540的最大有效通信距離為1000 m，發送功率可調，能滿足本系統要求。電路采用公版設計，并無特殊要求。

監控終端的電力線載波通信模塊永遠處于接收狀態，當收到某個定位錨標的序列號就將該序列號通過WIFI網絡上報服務器。

定位錨標具有既發送又接收功能。定位錨標必須接收到服務器的發送命令才會發送特定定位序列號，發送功率也由服務器控制。每次發送完成就自動轉為接收狀態，一旦收到其他定位錨標定位序列號就通過WIFI網絡上報，供服務器裁決。

2.2 自適應有線定位布站

布置定位錨標的主要目的是為了提供監控終端的樓層定位信息，同時定位錨標也可以作為WIFI的無線訪問接入點（Access Point，AP）來使用，可以滿足輕度負載要求，補足WIFI覆蓋。

定位錨標的布站可根據實際的具體需要隨時改動。一般來說，醫院每層樓需要布置1～3個定位錨標，如需更精確的定位或是復雜的室內電源布線，可以增加定位錨標的數量。定位錨標布置，見圖2。

圖2 定位錨標布置圖

以圖2為例，說明一下有線定位的具體思路。假設該層樓的電源入口和保護開關在紅色箭頭位置，那么，在靠近入口位置布置1個定位錨標A（監控錨標，只接收不發送），用于監控本層的定位信號有沒有覆蓋全，有沒有其他樓層的定位信號發送到本樓層來。若收到其他樓層的定位信號，則減少其發送功率直至其影響不了他人。需要強調的是，定位錨標只是按照服務器的命令行事，而服務器的設定則可根據具體情況作動態調整。

定位錨標B和C則用于發送覆蓋整層的定位信號。B和C同時也可監控對方的發送信號的強度，服務器可以錯開B和C的發送，避免互相的干擾。監控終端將收到的B和C序列碼發送給服務器，同時上報自身的層樓信息。

2.3 有線多點定位系統

有線多點定位系統原理與無線多點定位系統相仿，同樣存在上文描述的問題，這里不再贅述。有線定位系統主要為了定位樓層和大范圍的區域，在圖2中藍色和黃色區域的中間布置定位錨標D（監控錨標，只接收不發送），可以監控定位錨標B和C的發送強度使其局限在自身區域內，這樣監控終端就可以知道自身在哪個樓層的哪個區域（科室或病區）。

2.4 WIFI多點定位

WIFI多點定位作為輔助定位手段，在有線定位的基礎上通過簡單的多點定位算法得到相對精確的水平位置信息。

若同一樓層有多個區域，需要精確定位，則考慮部署有線多點定位系統輔助WIFI無線定位。因為邊界處已有一個定位錨標D，也可以得到WIFI信號，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，減輕系統負載。

3 結束語

室內自適應復合定位系統很好地解決了可移動的醫療儀器設備的室內定位難題。系統布線簡單、成本低、維護容易。采用自適應架構，有效地解決了系統長期可靠性問題，極大地降低了后期維護成本[9]，并在實際布網測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別算法的W iFi定位比較[J]．移動通信,2010,（10）：72-76．

[2]魏菲,李允俊,金華．使用位置指紋算法的W iFi定位系統設計[J]．單片機與嵌入式系統應用,2014,（5）：29-31．

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

[4]蔡朝暉,夏溪,胡波,等．室內信號強度指紋定位算法改進[J]．計算機科學,2014,41（11）：178-181．

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

[6]羅春彬,彭龑,易彬．RFID技術發展與應用綜述[J]．通信技術,2009,42（12）：112-114．

[7]霍炎,盧雨萌,程偉,等．基于RFID技術的安全跟車系統[J]．北京交通大學學報,2014,38（5）：54-59．

[8]肖勇,張捷,三磊,等．智能計量設備電力線載波通信測試系統的設計[J]．電測與儀表,2014,51（13）：14-21．

[9]林志剛．醫院信息集成平臺構建與應用[J]．中國醫療設備,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

無錫市醫院管理中心智慧醫療科研項目（YGZXZ1304）。

本文作者：周軍華，碩士，工程師，主要從事醫療設備維修及質控管理及研究工作。

作者郵箱：439069554@qq．com