面向醫(yī)療衛(wèi)生的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究進(jìn)展

李洪鳳，魏德健，張俊忠，曹慧

山東中醫(yī)藥大學(xué) a.理工學(xué)院；b.第一臨床學(xué)院，山東 濟(jì)南 250355

面向醫(yī)療衛(wèi)生的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究進(jìn)展

李洪鳳a，魏德健a，張俊忠b，曹慧a

山東中醫(yī)藥大學(xué) a.理工學(xué)院；b.第一臨床學(xué)院，山東 濟(jì)南 250355

在醫(yī)療衛(wèi)生中使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)人員和醫(yī)療物資的定位。然而，在節(jié)點(diǎn)定位過(guò)程中測(cè)量誤差、能耗等問題嚴(yán)重降低了定位的精確度。本文介紹了基于三邊測(cè)量法的定位法、基于雙曲線法的定位算法、基于三角測(cè)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(duì)二維平面和三維空間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行了分析比較，指出其中的不足，并總結(jié)了改進(jìn)的方法。

無(wú)線傳感器；節(jié)點(diǎn)定位；二維平面；三維空間

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)定位技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)護(hù)人員定位、醫(yī)療設(shè)備定位、藥品物資監(jiān)管、患者識(shí)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(shí)間內(nèi)完成對(duì)人員及物資的準(zhǔn)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(guó)相較于其他國(guó)家在無(wú)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(cè)距可以將節(jié)點(diǎn)定位分為基于測(cè)距（Range-based）技術(shù)的定位和無(wú)須測(cè)距（Range-free）技術(shù)的定位[2]。無(wú)線傳感器中的節(jié)點(diǎn)包括未知節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。其中未知節(jié)點(diǎn)是位置信息不知道的節(jié)點(diǎn)；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)也稱錨節(jié)點(diǎn)或參考節(jié)點(diǎn)，是自身位置信息已確定的節(jié)點(diǎn)，可用來(lái)確定未知節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(fèi)時(shí)間久；GPS定位系統(tǒng)消耗大，成本高，只適用于室外，因此在實(shí)際應(yīng)用中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)少于未知節(jié)點(diǎn)。

1 基于測(cè)距技術(shù)的定位法

基于測(cè)距技術(shù)的定位使用信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）、信號(hào)傳輸?shù)竭_(dá)時(shí)間（Time of Arrival，TOA）、信號(hào)傳輸時(shí)間差（Time Difference ofArrival，TDOA）和信號(hào)傳輸角度（Angle of Arrival，AOA）等蜂窩網(wǎng)無(wú)線定位測(cè)距技術(shù)測(cè)量距離和角度，使用三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法或最大似然估計(jì)法[4]得到節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。以對(duì)醫(yī)護(hù)人員的定位為例，根據(jù)醫(yī)護(hù)人員所佩戴的節(jié)點(diǎn)（以下統(tǒng)稱為醫(yī)護(hù)人員），即未知節(jié)點(diǎn)，與多個(gè)基站（Base Station，BS）之間信號(hào)傳輸參數(shù)計(jì)算出醫(yī)護(hù)人員的位置坐標(biāo)。

1.1 基于三邊測(cè)量法的定位法

三邊測(cè)量法[5]是通過(guò)RSSI或TOA測(cè)距技術(shù)得到3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別與未知節(jié)點(diǎn)的距離，再通過(guò)三邊測(cè)量法得到未知節(jié)點(diǎn)的位置信息。

1.1.1 測(cè)距技術(shù)

（1）RSSI測(cè)距技術(shù)：節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)傳輸時(shí)，信號(hào)強(qiáng)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(hào)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度和接收信號(hào)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度可計(jì)算信號(hào)強(qiáng)度的損耗，繼而使用信號(hào)傳輸模型將損耗轉(zhuǎn)化為距離。由于信號(hào)傳輸還受到其他因素如障礙物的影響，實(shí)際使用中，較常使用由損耗模型和對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型組成的Shadowing模型[7-9]。

（2）TOA測(cè)距技術(shù)：TOA測(cè)距技術(shù)通過(guò)測(cè)量信號(hào)在2個(gè)節(jié)點(diǎn)間傳播的時(shí)間，根據(jù)已知的信號(hào)在空中的傳播速度可估計(jì)出節(jié)點(diǎn)間的距離[10-11]。BS1、BS2、BS3為位置信息已知的基站，通過(guò)測(cè)量醫(yī)護(hù)人員發(fā)射的信號(hào)分別到達(dá)3個(gè)基站的時(shí)間，以及信號(hào)在空中的傳播速度，可以計(jì)算出醫(yī)護(hù)人員與3個(gè)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(cè)量法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。分別以基站為圓心，以R1、R2、R3為半徑可以得到3個(gè)圓，理論上3個(gè)圓相交得到的點(diǎn)就是待定位節(jié)點(diǎn)，通過(guò)幾何關(guān)系計(jì)算得到醫(yī)護(hù)人員的位置坐標(biāo)（圖1）。

圖1 基于二維平面三邊定位算法模擬圖

在三邊測(cè)量法中，理想情況下3個(gè)圓會(huì)交于一點(diǎn)，即待定位節(jié)點(diǎn)。但實(shí)際情況會(huì)因測(cè)量誤差導(dǎo)致3圓不交于一點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)區(qū)域，此時(shí)求得的解為以A、C為圓心的圓相交點(diǎn)所在直線與以B、C為圓心的圓相交點(diǎn)所在直線的交點(diǎn)[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(biāo)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)稱作虛擬錨節(jié)點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)處在虛擬錨節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域中，通過(guò)平面幾何關(guān)系求出虛擬錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，虛擬錨節(jié)點(diǎn)與未知坐標(biāo)之間的距離差越小則越接近未知坐標(biāo)的真實(shí)值，使用該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。該種算法提高了定位的精確度，但在計(jì)算中需要多次使用角度關(guān)系、平面關(guān)系計(jì)算多個(gè)虛擬錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，再計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算量的增大會(huì)耗費(fèi)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(cè)量法原理簡(jiǎn)單，計(jì)算難度小，但是易出現(xiàn)較大誤差。李俊等[14]通過(guò)誤差分析得到，若信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置近似直線則誤差變大。增加信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以提高定位準(zhǔn)確性，但信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的增多會(huì)導(dǎo)致成本增大及網(wǎng)絡(luò)擁塞。改進(jìn)的算法在不增加信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的前提下，將已經(jīng)定位成功的未知節(jié)點(diǎn)升級(jí)為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來(lái)定位其他未知節(jié)點(diǎn)[14]。在定位未知節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定誤差，在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的升級(jí)中會(huì)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(biāo)節(jié)點(diǎn)代數(shù)有關(guān)，還涉及距離和信號(hào)強(qiáng)度差異等。熊志廣等[15]使用加權(quán)三邊測(cè)量定位，通信質(zhì)量越好的節(jié)點(diǎn)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(biāo)節(jié)點(diǎn)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(gè)未知節(jié)點(diǎn)至少需要4個(gè)非共面的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。分別以4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為球心，以各自與未知節(jié)點(diǎn)的距離為半徑作球，理想情況下，4個(gè)球相交于一點(diǎn)，即待定位的未知節(jié)點(diǎn)（圖4）。

圖4 基于三維空間三邊測(cè)量法模擬圖

在基于RSSI技術(shù)的定位中，由于存在測(cè)量誤差，4個(gè)球很有可能不交于一點(diǎn)。采用RSSI技術(shù)測(cè)距時(shí)，若未知節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)少且距離遠(yuǎn)就會(huì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最小二乘法，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，能使求得的數(shù)據(jù)誤差達(dá)到最小。朱曉娟等[17]提出3DL-RD算法，先將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)投影到與未知節(jié)點(diǎn)同一高度的水平面，使用RSSI測(cè)距，利用三邊測(cè)量法在二維平面上定位，根據(jù)高度實(shí)現(xiàn)三維定位。此方法根據(jù)礦井環(huán)境設(shè)計(jì)，信號(hào)易受環(huán)境影響，RSSI測(cè)距時(shí)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(diǎn)通過(guò)接受這些信息并通過(guò)RSSI測(cè)量自身與LA之間的距離來(lái)確定位置信息。定位過(guò)程對(duì)LA裝置的要求較高，并需要大量計(jì)算，但節(jié)點(diǎn)間無(wú)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(cè)距技術(shù)。TDOA是指醫(yī)護(hù)人員節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送2種不同信號(hào)，根據(jù)基站接收信號(hào)的時(shí)間差和信號(hào)傳輸速度估計(jì)出距離差。

若基站BS1、BS2與醫(yī)護(hù)人員的距離差為R21，則可以推斷醫(yī)護(hù)人員位于以BS1、BS2為焦點(diǎn)，與2個(gè)焦點(diǎn)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(diǎn)，與2個(gè)焦點(diǎn)的距離差為R31的雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)即為醫(yī)護(hù)人員的位置。通過(guò)計(jì)算會(huì)得到2個(gè)解，再根據(jù)時(shí)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(jìn)的，無(wú)需考慮時(shí)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(cè)量法的定位法

使用AOA技術(shù)測(cè)量信號(hào)到達(dá)入射角（利用陣列天線或多個(gè)超聲波接收器[20]得到未知節(jié)點(diǎn)發(fā)射到基站的信號(hào)入射角θ1、θ2），再通過(guò)已知的基站的位置信息，使用三角測(cè)量法利用平面幾何關(guān)系求得醫(yī)護(hù)人員的位置信息（圖6）。

圖6 基于三角測(cè)量法模擬圖

丁少文等[21]應(yīng)用三角測(cè)量法實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的定位。使用基于擴(kuò)展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter，EKF）的方法完成對(duì)機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中相對(duì)角的動(dòng)態(tài)估計(jì)。傳感器P由縱向速度方向逆時(shí)針掃描，遇到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（L1、L2、L3）就記錄，得到3個(gè)相對(duì)角。以（θ1、θ2、θ3）作為狀態(tài)向量，推導(dǎo)出角度的變化規(guī)律，經(jīng)過(guò)估計(jì)階段和校正（更新）階段實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)估計(jì)（圖7）。該方案在定位的開始階段誤差較大，需要一定時(shí)間收斂，對(duì)于精度要求較高的定位實(shí)驗(yàn)可行性不高。

圖7 機(jī)器人定位模擬圖

2 基于非測(cè)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(biāo)節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間就向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)信號(hào)，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到不同的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信號(hào)且數(shù)量達(dá)到一定值時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)就可以確定自身位置處在這些未知節(jié)點(diǎn)組成的多邊形的質(zhì)心[22]。該方法耗能少，易實(shí)現(xiàn)，但容易產(chǎn)生較大誤差，未知節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)密度越大，則精確度越高。

李娟等[23]提出改進(jìn)的質(zhì)心算法，根據(jù)接收到的信號(hào)確定一個(gè)包含未知節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的立方體，并計(jì)算質(zhì)心坐標(biāo)。占宏等[24]提出三維加權(quán)質(zhì)心算法，距離未知節(jié)點(diǎn)越近，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(cè)量法中存在無(wú)解的情況，高雷等[12]提出了基于三邊測(cè)量法和質(zhì)心算法的節(jié)點(diǎn)定位算法。3個(gè)圓相交產(chǎn)生一個(gè)區(qū)域，計(jì)算所圍區(qū)域的質(zhì)心，估算出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，該定位算法較三邊測(cè)量法準(zhǔn)確度更高。三邊質(zhì)心算法需要節(jié)點(diǎn)分布均勻，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)需位于未知節(jié)點(diǎn)的外側(cè)且多于3個(gè)，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(chǎng)，保證節(jié)點(diǎn)分布均勻不太容易實(shí)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(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為球心，將其與其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離為半徑作球體，得到多個(gè)同心球體，待定位的節(jié)點(diǎn)采用RSSI技術(shù)通過(guò)監(jiān)聽信號(hào)強(qiáng)度判斷自身是否在某個(gè)球體區(qū)域中，最終找到包含未知節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的最薄的一層球殼。以不同的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為球心得到多個(gè)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(gè)區(qū)域，取該區(qū)域的重心坐標(biāo)作為未知節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)（圖8）。該算法只需信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播2次信息，其余節(jié)點(diǎn)無(wú)需廣播，節(jié)省消耗，但是如果信標(biāo)節(jié)點(diǎn)本身距離較遠(yuǎn)，那么最后得到的所謂“小區(qū)域”有可能會(huì)比較大，會(huì)降低準(zhǔn)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(cè)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(lái)的，為了在三維空間中能更好地實(shí)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(guò)簡(jiǎn)化算法或者升級(jí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(duì)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(yuǎn)地區(qū)對(duì)人員和醫(yī)療物資的定位不僅需要快速準(zhǔn)確，還需實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)定位。對(duì)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)定位可采取每隔一段時(shí)間定位一次，使用優(yōu)化算法得到運(yùn)動(dòng)規(guī)律，估算運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)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(guó)家自然基金項(xiàng)目（No.81473708；No.81373661）；山東省高?？蒲邪l(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（No.J15LN21）。

曹慧，碩士生導(dǎo)師。

通訊作者郵箱：caohui63@163.com