面向醫(yī)療衛(wèi)生的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)的研究進展

李洪鳳，魏德健，張俊忠，曹慧

山東中醫(yī)藥大學 a.理工學院；b.第一臨床學院，山東 濟南 250355

面向醫(yī)療衛(wèi)生的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)的研究進展

李洪鳳a，魏德健a，張俊忠b，曹慧a

山東中醫(yī)藥大學 a.理工學院；b.第一臨床學院，山東 濟南 250355

在醫(yī)療衛(wèi)生中使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)可以在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)對人員和醫(yī)療物資的定位。然而，在節(jié)點定位過程中測量誤差、能耗等問題嚴重降低了定位的精確度。本文介紹了基于三邊測量法的定位法、基于雙曲線法的定位算法、基于三角測量法的定位法、基于三維空間的質(zhì)心算法和基于球殼交集的傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位算法，分別針對二維平面和三維空間內(nèi)的節(jié)點定位技術(shù)進行了分析比較，指出其中的不足，并總結(jié)了改進的方法。

無線傳感器；節(jié)點定位；二維平面；三維空間

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)可應(yīng)用在多種領(lǐng)域。在醫(yī)療方面，將節(jié)點定位技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)護人員定位、醫(yī)療設(shè)備定位、藥品物資監(jiān)管、患者識別、母嬰管理、特殊患者管理等方面，尤其是在重大災(zāi)害發(fā)生后，使用定位技術(shù)在較短時間內(nèi)完成對人員及物資的準確定位，不僅能提高治愈率，還能有效緩解醫(yī)務(wù)人員的壓力及緊張的情緒。

我國相較于其他國家在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方面的研究起步較晚[1]。根據(jù)是否測距可以將節(jié)點定位分為基于測距（Range-based）技術(shù)的定位和無須測距（Range-free）技術(shù)的定位[2]。無線傳感器中的節(jié)點包括未知節(jié)點、信標節(jié)點。其中未知節(jié)點是位置信息不知道的節(jié)點；信標節(jié)點也稱錨節(jié)點或參考節(jié)點，是自身位置信息已確定的節(jié)點，可用來確定未知節(jié)點。信標節(jié)點的定位通常依賴人工部署或全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）定位[3]，人工部署消耗人力大，花費時間久；GPS定位系統(tǒng)消耗大，成本高，只適用于室外，因此在實際應(yīng)用中信標節(jié)點遠少于未知節(jié)點。

1 基于測距技術(shù)的定位法

基于測距技術(shù)的定位使用信號強度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）、信號傳輸?shù)竭_時間（Time of Arrival，TOA）、信號傳輸時間差（Time Difference ofArrival，TDOA）和信號傳輸角度（Angle of Arrival，AOA）等蜂窩網(wǎng)無線定位測距技術(shù)測量距離和角度，使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計法[4]得到節(jié)點坐標。以對醫(yī)護人員的定位為例，根據(jù)醫(yī)護人員所佩戴的節(jié)點（以下統(tǒng)稱為醫(yī)護人員），即未知節(jié)點，與多個基站（Base Station，BS）之間信號傳輸參數(shù)計算出醫(yī)護人員的位置坐標。

1.1 基于三邊測量法的定位法

三邊測量法[5]是通過RSSI或TOA測距技術(shù)得到3個信標節(jié)點分別與未知節(jié)點的距離，再通過三邊測量法得到未知節(jié)點的位置信息。

1.1.1 測距技術(shù)

（1）RSSI測距技術(shù)：節(jié)點之間信號傳輸時，信號強度隨距離的增大有規(guī)律地衰減[6]，據(jù)此，由已知的發(fā)射信號時的信號強度和接收信號時的信號強度可計算信號強度的損耗，繼而使用信號傳輸模型將損耗轉(zhuǎn)化為距離。由于信號傳輸還受到其他因素如障礙物的影響，實際使用中，較常使用由損耗模型和對數(shù)正態(tài)分布模型組成的Shadowing模型[7-9]。

（2）TOA測距技術(shù)：TOA測距技術(shù)通過測量信號在2個節(jié)點間傳播的時間，根據(jù)已知的信號在空中的傳播速度可估計出節(jié)點間的距離[10-11]。BS1、BS2、BS3為位置信息已知的基站，通過測量醫(yī)護人員發(fā)射的信號分別到達3個基站的時間，以及信號在空中的傳播速度，可以計算出醫(yī)護人員與3個基站的距離R1、R2、R3。

1.1.2 基于二維平面的三邊定位算法

得知距離后，使用三邊測量法計算未知節(jié)點的位置坐標。分別以基站為圓心，以R1、R2、R3為半徑可以得到3個圓，理論上3個圓相交得到的點就是待定位節(jié)點，通過幾何關(guān)系計算得到醫(yī)護人員的位置坐標（圖1）。

圖1 基于二維平面三邊定位算法模擬圖

在三邊測量法中，理想情況下3個圓會交于一點，即待定位節(jié)點。但實際情況會因測量誤差導致3圓不交于一點，產(chǎn)生一個區(qū)域，此時求得的解為以A、C為圓心的圓相交點所在直線與以B、C為圓心的圓相交點所在直線的交點[12]，內(nèi)、外交集區(qū)域求解圖，見圖2和圖3。張華[13]提出了一種借助虛擬信標節(jié)點定位算法。將處于該交集區(qū)域的由所有的圓兩兩相交得到的點稱作虛擬錨節(jié)點，未知節(jié)點處在虛擬錨節(jié)點所在的區(qū)域中，通過平面幾何關(guān)系求出虛擬錨節(jié)點的坐標，虛擬錨節(jié)點與未知坐標之間的距離差越小則越接近未知坐標的真實值，使用該標準計算未知節(jié)點坐標。該種算法提高了定位的精確度，但在計算中需要多次使用角度關(guān)系、平面關(guān)系計算多個虛擬錨節(jié)點的坐標，再計算未知節(jié)點的坐標，計算量的增大會耗費能量。

圖2 內(nèi)交集區(qū)域求解圖

圖3 外交集區(qū)域求解

三邊測量法原理簡單，計算難度小，但是易出現(xiàn)較大誤差。李俊等[14]通過誤差分析得到，若信標節(jié)點位置近似直線則誤差變大。增加信標節(jié)點的數(shù)量可以提高定位準確性，但信標節(jié)點的增多會導致成本增大及網(wǎng)絡(luò)擁塞。改進的算法在不增加信標節(jié)點的前提下，將已經(jīng)定位成功的未知節(jié)點升級為信標節(jié)點來定位其他未知節(jié)點[14]。在定位未知節(jié)點時會產(chǎn)生一定誤差，在信標節(jié)點的升級中會產(chǎn)生誤差積累，為減少誤差積累，引入權(quán)值，從而提高了定位成功率。誤差的出現(xiàn)不僅與信標節(jié)點代數(shù)有關(guān)，還涉及距離和信號強度差異等。熊志廣等[15]使用加權(quán)三邊測量定位，通信質(zhì)量越好的節(jié)點權(quán)值越大。為減少誤差積累，可以考慮基于通信質(zhì)量結(jié)合信標節(jié)點的代數(shù)引入權(quán)值，提高定位精確度。

1.1.3 基于三維空間的三邊定位算法

在三維空間中定位一個未知節(jié)點至少需要4個非共面的信標節(jié)點。分別以4個信標節(jié)點為球心，以各自與未知節(jié)點的距離為半徑作球，理想情況下，4個球相交于一點，即待定位的未知節(jié)點（圖4）。

圖4 基于三維空間三邊測量法模擬圖

在基于RSSI技術(shù)的定位中，由于存在測量誤差，4個球很有可能不交于一點。采用RSSI技術(shù)測距時，若未知節(jié)點接收到的信號少且距離遠就會產(chǎn)生較大誤差。為了減少誤差，杜巧玲[16]采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行處理。最小二乘法，簡單的說就是一種數(shù)學優(yōu)化技術(shù)，能使求得的數(shù)據(jù)誤差達到最小。朱曉娟等[17]提出3DL-RD算法，先將信標節(jié)點投影到與未知節(jié)點同一高度的水平面，使用RSSI測距，利用三邊測量法在二維平面上定位，根據(jù)高度實現(xiàn)三維定位。此方法根據(jù)礦井環(huán)境設(shè)計，信號易受環(huán)境影響，RSSI測距時易產(chǎn)生誤差。Zhang等[18]提出Landscape-3D空間定位算法。采用位置助手（Location-assistant，LA）裝置周期性廣播自身位置信息，未知節(jié)點通過接受這些信息并通過RSSI測量自身與LA之間的距離來確定位置信息。定位過程對LA裝置的要求較高，并需要大量計算，但節(jié)點間無需通訊，且耗能少。

1.2 基于雙曲線法的定位算法

基于雙曲線法的定位算法采用TDOA測距技術(shù)。TDOA是指醫(yī)護人員節(jié)點同時發(fā)送2種不同信號，根據(jù)基站接收信號的時間差和信號傳輸速度估計出距離差。

若基站BS1、BS2與醫(yī)護人員的距離差為R21，則可以推斷醫(yī)護人員位于以BS1、BS2為焦點，與2個焦點的距離差為R21（R21=R2-R1）的雙曲線上，同樣的道理又可得到以BS1、BS3為焦點，與2個焦點的距離差為R31的雙曲線，雙曲線的交點即為醫(yī)護人員的位置。通過計算會得到2個解，再根據(jù)時間差t21的極性可以得到正解[19]（圖5）。TDOA是在TOA基礎(chǔ)上改進的，無需考慮時間是否同步，定位精度較高。

圖5 基于雙曲線法的定位算法模擬圖

1.3 基于三角測量法的定位法

使用AOA技術(shù)測量信號到達入射角（利用陣列天線或多個超聲波接收器[20]得到未知節(jié)點發(fā)射到基站的信號入射角θ1、θ2），再通過已知的基站的位置信息，使用三角測量法利用平面幾何關(guān)系求得醫(yī)護人員的位置信息（圖6）。

圖6 基于三角測量法模擬圖

丁少文等[21]應(yīng)用三角測量法實現(xiàn)對移動機器人的定位。使用基于擴展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter，EKF）的方法完成對機器人移動過程中相對角的動態(tài)估計。傳感器P由縱向速度方向逆時針掃描，遇到信標節(jié)點（L1、L2、L3）就記錄，得到3個相對角。以（θ1、θ2、θ3）作為狀態(tài)向量，推導出角度的變化規(guī)律，經(jīng)過估計階段和校正（更新）階段實現(xiàn)動態(tài)估計（圖7）。該方案在定位的開始階段誤差較大，需要一定時間收斂，對于精度要求較高的定位實驗可行性不高。

圖7 機器人定位模擬圖

2 基于非測距技術(shù)的定位算法

2.1 基于三維空間的質(zhì)心算法

信標節(jié)點每隔一段時間就向鄰居節(jié)點廣播一個信號，當未知節(jié)點接收到不同的信標節(jié)點發(fā)來的信號且數(shù)量達到一定值時，未知節(jié)點就可以確定自身位置處在這些未知節(jié)點組成的多邊形的質(zhì)心[22]。該方法耗能少，易實現(xiàn)，但容易產(chǎn)生較大誤差，未知節(jié)點的鄰居節(jié)點密度越大，則精確度越高。

李娟等[23]提出改進的質(zhì)心算法，根據(jù)接收到的信號確定一個包含未知節(jié)點在內(nèi)的立方體，并計算質(zhì)心坐標。占宏等[24]提出三維加權(quán)質(zhì)心算法，距離未知節(jié)點越近，信標節(jié)點的加權(quán)因子越大，以此提高定位精確度。在第二節(jié)中已經(jīng)提到三邊測量法中存在無解的情況，高雷等[12]提出了基于三邊測量法和質(zhì)心算法的節(jié)點定位算法。3個圓相交產(chǎn)生一個區(qū)域，計算所圍區(qū)域的質(zhì)心，估算出未知節(jié)點的坐標，該定位算法較三邊測量法準確度更高。三邊質(zhì)心算法需要節(jié)點分布均勻，信標節(jié)點需位于未知節(jié)點的外側(cè)且多于3個，在較為復(fù)雜的環(huán)境中，尤其是在山區(qū)或者重大災(zāi)害現(xiàn)場，保證節(jié)點分布均勻不太容易實現(xiàn)。

2.2 基于球殼交集的傳感器網(wǎng)絡(luò)三維定位算法

呂良彬等[25]提出基于球殼交集的三維定位算法（Approximate Point In Sphere，APIS）。將一個信標節(jié)點作為球心，將其與其他信標節(jié)點的距離為半徑作球體，得到多個同心球體，待定位的節(jié)點采用RSSI技術(shù)通過監(jiān)聽信號強度判斷自身是否在某個球體區(qū)域中，最終找到包含未知節(jié)點在內(nèi)的最薄的一層球殼。以不同的信標節(jié)點為球心得到多個同心球,找到一系列這樣的球殼，將所有最薄球殼相交得到一個區(qū)域，取該區(qū)域的重心坐標作為未知節(jié)點位置坐標（圖8）。該算法只需信標節(jié)點廣播2次信息，其余節(jié)點無需廣播，節(jié)省消耗，但是如果信標節(jié)點本身距離較遠，那么最后得到的所謂“小區(qū)域”有可能會比較大，會降低準確率。

圖8 基于球殼交集的三維定位算法模擬圖

3 總結(jié)

大多數(shù)基于測距的三維定位算法是在二維平面定位算法的基礎(chǔ)上推廣出來的，為了在三維空間中能更好地實現(xiàn)定位，采用了引入新的參考變量、算法加權(quán)等措施減少誤差，通過簡化算法或者升級信標節(jié)點等方式減少能耗，借助硬件設(shè)備、結(jié)合多種算法提高定位精確度。尤其是加權(quán)的使用，可以綜合考慮對誤差影響的程度，結(jié)合多種因素加權(quán)值[26]。在重大災(zāi)害后或偏遠地區(qū)對人員和醫(yī)療物資的定位不僅需要快速準確，還需實現(xiàn)動態(tài)定位。對節(jié)點的動態(tài)定位可采取每隔一段時間定位一次，使用優(yōu)化算法得到運動規(guī)律，估算運動軌跡進而定位。

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Research Progress of the Health-oriented Node Localization Technology with Wireless Sensor Network

LI Hong-fenga, WEI De-jiana, ZHANG Jun-zhongb, CAO Huia
a.Institude of Science and Technology; b.First Clinical College, Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan Shandong 250355

Application of the node localization technology with wireless sensor network (WSN) in health care can realize the localization of medical personnel and supplies in a short time. However, problems such as measurement error, energy consumption and other issues involved the process of localization severely decrease the accuracy of positioning. This paper introduced the location method based on threesided measurement, hyperbole method, and triangulation method. The node localization technology used in two-dimensions and three-dimensions are analyzed respectively and compared. Then some deficiencies are pointed out. Method for improvement was summarized.

wireless sensor; node localization; two-dimensional plane; three-dimensional space

TN929.5；TP212.9

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.03.019

1674-1633(2016)03-0080-04

2015-05-28

2015-08-03

國家自然基金項目（No.81473708；No.81373661）；山東省高校科研發(fā)展計劃項目（No.J15LN21）。

曹慧，碩士生導師。

通訊作者郵箱：caohui63@163.com