室内定位技术及其在医院的应用研究

喻志才，蒋元林，蒋俊成，朱闽湘

室内定位技术及其在医院的应用研究

喻志才，蒋元林，蒋俊成，朱闽湘

介绍了室内定位的概念、原理和常用室内定位技术的方式方法，重点阐述了室内定位技术的几个关键参数和优缺点以及在医院环境下室内定位的技术要求，指出了室内定位技术是当前医院，特别是大型综合型医院信息化、智能化发展的趋势。

室内定位技术；可见光通信；智能化

0 引言

导航与定位系统中，大家最熟悉的是全球定位系统（global positioning system，GPS）。但随着手机和通信网络的高速发展，出现了一种网络辅助全球卫星定位系统（assisted global positioning system，AGPS），它利用手机基地站配合GPS卫星进行导航与定位，减少了对GPS卫星的依赖，使定位的速度更快，但需要耗费网络流量。在这些应用中，定位卫星起到关键作用。由于室内基本接收不到卫星信号，一旦在室内需要进行定位和导航，卫星定位功能就无法发挥作用。因此，室内定位和导航一直是国际和国内各个行业研究的课题。近年来，室内定位技术[1]越来越成熟，开始在各个行业应用并快速发展，特别是在大型综合商场、飞机场、医院等领域。

1 室内定位系统技术介绍

1.1 无线定位原理和方法

无线定位[2]原理就是利用信标节点间信号的到达时间、到达时间差、到达信号的角度或到达信号的强度等信息确定位置坐标。

1.2 室内定位系统常用的定位技术

根据发射信号方式不同，室内定位系统常用的定位技术主要包括以下几种：

（1）基于超声波的定位技术。超声波定位主要通过三角反射式测距法确定物体的位置，由应答器和主测距器组成。主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离，当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器作出回应时，就能计算出被测物体所在的位置。

超声波定位整体定位精度较高、结构简单，但超声波在空气中传播时衰减大，一般只能适用于短距离传输。在医院系统中，B超手术定位导航是应用比较成功的例子，但原理上有所区别。

（2）基于红外线的定位技术。红外线室内定位技术定位的原理为：红外线标志发射调制的红外射线，通过光学传感器接收进行定位。由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。当接收器被其他物体遮挡时就不能正常工作了，需要在每个房间、走廊安装足够多的接收器才能达到定位的目的，这使得造价较高。因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的打火机、手电筒等光线所干扰。

（3）基于超宽带（ultra wideband，UWB）的定位技术。超宽带技术是具有千兆赫兹的容量和最高空间容量的无线信道技术，它是通过发送、接收纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据。由于超宽带信号的时域脉冲极窄，能分辨纳秒级以下的到达时间或时间差，因此可用于室内精确定位。

（4）射频识别（radio frequency detification，RFID）定位技术。系统通常是将阅读器安装在室内固定的位置上（其位置信息是已知的），如安装在室内的天花板或者走廊墙壁上，利用这些已知位置的阅读器来定位处在运动状态的电子标签。阅读器通过检测其周围的电子标签相对自己的位置进行定位计算，并将位置信号传输给控制显示计算机系统。

射频识别技术利用射频方式进行的读写器与电子标签之间非接触的双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术相互作用距离短，一般十几或几十米，但它可以得到厘米级定位精度的信息。其优点是标志体可以很轻巧，造价成本低，但是作用距离短且不具有通信能力，基本不能独立进行定位，通常需要与通信网络相结合。Wi-Fi和RFID技术[3]在老年公寓人员定位系统的应用中就有体现。

（5）Wi-Fi技术。它使用802.11b/g/n标准，在不需要增加额外硬件设备的情况下（如读卡器、天线等），就可以利用现有Wi-Fi实现定位[4]与导航。原理为：每一个无线访问接入点（access point，AP）都有一个全球唯一的MAC（media access control）地址，并且这些无线AP在一段时间内是固定的，只要设备在开启Wi-Fi的情况下，即可扫描并收集周围的AP信号，获取AP广播出来的MAC地址，设备将这些能够标示AP的数据发送到位置服务器，服务器检索出每一个AP的地理位置，并结合每个信号的强弱程度，计算出设备的地理位置并返回到用户设备。

（6）ZigBee[5]技术。ZigBee是一种全新的短距离、低功率、低成本、双向无线网络通信技术。它使用802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，便可通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此效率非常高。ZigBee最显著的技术特点是低功耗和低成本，在室内定位系统[6]的设计以及在医院应用较为广泛。目前应用该技术可以了解患者位置和体征参数，且结合北斗导航[7]可实现海上伤员的定位。

（7）基于发光二极管（light emitting diocle，LED）可见光通信[8]的定位技术。可见光通信定位[9]技术是将配备信号控制装置的专用LED灯发出的光的明暗变化作为ID信号发送，接收到ID信号的便携终端将其转换成位置信息。该技术定位精度高约为1m，数据传输速度为9.6 Kbit/s。日本三重县长岛温泉乐园的游乐项目“口袋妖怪探险营”中就部分采用了可见光通信室内定位技术，但在医院应用方面目前还少有报道。可见光通信原理如图1所示。

图1 可见光通信原理

2 室内定位技术的各参数、性能等比较

室内定位技术的各参数、性能等比较见表1。

表1 各技术应用的关键参数

3 室内定位在医院的应用

各种定位技术在医院的应用一直处于试验和试用层面，近年来才开始逐渐被采纳，但由于各种定位都有其自身的优缺点，只有选择合适性价比的方案并相互综合应用，才能取得更有效的精确定位点，提高实用性。室内定位技术在医院的应用主要包括：（1）实时查找到急需的医疗抢救设备（呼吸机、麻醉机等）；（2）对精神病医院的重点精神患者的实时监护；（3）实现医院住床的导航；（4）实现医院出入院患者的流量等信息的统计分析；（5）对新生婴儿实现实时监控；（6）对医院毒、麻等重点药物实时监控；（7）患者可以随时随地呼叫；（8）随时随地了解医生、护士和患者的动向；（9）手术部位的定位导航。

4 室内定位在医院系统中的应用

室内定位在医院系统中的应用，必须综合考虑以下几个方面的因素。

4.1 精度

不同场所的应用有着不同的定位精度要求。有的定位精度高但成本也高，有的成本低但不能满足所需要的定位精度，这就要求在性价比之间做出优化选择。医院内环境比较复杂，特别是相对而言的独立单元——比如病房的病床和患者单元、护理站、急救设备等，一般要求定位的精度比较高，这样才能够满足应用需要。通常定位的精度可以通过在硬件不变的基础上综合应用多种软件算法或者通过某种软件算法综合运用多种硬件设施，比如三轴陀螺仪和加速度传感器等辅助设备来提高。

4.2 导航

导航是定位系统中最常见的应用，特别是在人员和环境复杂的条件下，导航定位功能就显得尤为突出。在医院系统中导航的应用主要在于实时及时地查找到急需的医疗抢救设备（呼吸机、麻醉机），可以为医护人员的诊断和抢救赢得宝贵时间，还可以为病患的检查路径及患者家属的探访做出指引等。

4.3 自动识别能力

定位系统要求具备一定的自动识别能力。这种识别能力一般可以通过把身份识别系统和室内定位系统集成起来，如患者腕带或条码识别[10]。这些无线腕带或条码信息不仅发送或接收定位无线信号，而且包括患者的基础信息（姓名、年龄、病床号等），当定位系统定位某个单元的时候，这些基础信息便被同时自动显示。

4.4 系统自身的干扰和抗干扰

医院内应用的无线室内定位系统要求不对医疗电子设备产生大的干扰，同时自身不因外界环境改变而受到影响。由于室内环境的变化，比如增加大型设备、改装屏蔽房、病房的增加或减少等都要求医院室内定位技术具备较高的稳定性。从目前的技术来看，室内定位系统的抗干扰能力、稳定性都有待提高。

5 医院室内定位系统发射接收的方式选择

对于医院室内定位系统的方式选择，从表1可以看出，超宽带定位和射频定位以及可见光通信定位技术比较符合精度、性价比、导航和稳定性这几项要求。这些也是近年来发展比较快也比较成熟的技术，如大家比较熟悉的Wi-Fi技术等。但从长远来看，可见光通信定位技术则更具发展潜力和前景，这是因为它不仅容易布局、价格低廉（它只需要普通的LED加以改装作为发射源）、性能稳定、传输速率高、便于维护，还不产生且不受到无线电磁的干扰，更适合医院使用。

6 结语

不管是GPS定位技术还是利用无线网络或其他定位手段进行的定位都有其局限性。未来室内定位技术的趋势是多技术和多种算法相结合，发挥各自的优点，既可以提供较好的精度和通信速度，又可以覆盖较广的范围，且能达到较高的性价比和系统稳定性。由于医院近年来大力加强信息化、智能化建设，相信不久之后，室内定位技术会像室外GPS定位技术一样深入医疗的各个角落，为医院的医疗工作发挥更加积极的作用。

[1]刘林.无线定位基本概念与原理[J].学术动态，2007（4）：11-13.

[2]汪苑，林锦国.几种常用室内定位技术的探讨[J].中国仪器仪表，2011，7（2）：54-57.

[3]张许，梁龙学.基于WiFi和RFID技术的老年公寓人员定位系统[J].电子科技，2013，26（10）：64-66.

[4]胡秋明.Wi-Fi环境下的无线定位技术研究[J].计算机光盘软件与应用，2013（23）：298-300.

[5]刘媛，李纯，赵岩，等.基于Zigbee技术的医院患者监控系统研究[J].医疗卫生装备，2007，28（11）：9-10.

[6]金广于.基于ZigBee网络的室内定位系统的设计及在医院的应用[D].上海：上海交通大学软件学院，2012.

[7]沙琨.基于北斗和ZigBee的海上伤员定位系统研究[J].医疗卫生装备，2013，34（10）：40-41.

[8]Mohammad S R，Mejbaul H，Ki-Doo Kim，et al.Indoor positioning by LEDvisible light communication and image sensors[J].International Journal of Electrical and Computer Engineering，2011，1（2）：161-170.

[9]徐子轩，梁海莲，钟镇，等.基于VLC的无线导览系统的设计和实现[J].光通信技术，2012（3）：56，59.

[10]Ann J H，Son J S，Won E T，et al.System and method for navigation usingvisiblelightcommunications：USA，2009/0171571 A1[P].2009-07-02.

（收稿：2014-05-22 修回：2014-09-17）

Indoor positioning technology and its application in hospital

YU Zhi-cai,JIANG Yuan-lin,JIANG Jun-cheng,ZHU Min-xiang
(Department of Medical engineering,the 117th Hospital of the PLA,Hangzhou 310013,China)

Indoor positioning technology (IPT)was introduced from aspects of the concept,principles and general methods.The focuses were put on IPT's key parameters,advantages and disadvantages,and technical requirements in the hospital.IPT tends to play an important role in informatized and intelligent large-scale comprehensive hospital.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：124-126]

inndoor positioning technology;visible light communications；intelligentification

R318；R197.324

A

1003-8868（2015）06-0124-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.124

喻志才（1978—），男，工程师，主要从事医疗设备维修、计量质控及仪器档案管理方面的研究工作，E-mail:yuzhicai2002@163.com。

310013杭州，解放军117医院医学工程科（喻志才，蒋元林，蒋俊成，朱闽湘）

朱闽湘，E-mail:hzlyylkzyg@163.com