基于ＺｉｇＢｅｅ心電監護網絡定位方法的研究
2009-01-01 00:00:00鄭凱趙宏偉張孝臨
計算機應用研究 2009年5期
（吉林大學 計算機科學與技術學院 長春 130025）
摘 要：提出了一種利用TDOA技術和bounding box算法相結合的節點定位方法。通過對ZigBee心電監護網絡模型的分析，利用超聲波測距方法實現了心電監護網絡內未知終端節點與路由器節點的有效距離測量，并利用bounding box算法計算出終端節點的坐標值。給出了定位方法實現過程的具體描述并進行了系統測試實驗。結果表明該方法定位精度較高，可以滿足心電監護網絡定位要求，有較好的推廣價值。
關鍵詞：定位技術; ZigBee; 定位算法
中圖分類號：TP393.17文獻標志碼：A
文章編號：1001-3695(2009)05-1816-03
Research on localization method based onZigBee monitor network of electrocardiograph
ZHENG Kai，ZHAO Hongwei，ZHANG Xiaolin
(College of Computer Science Technology Jilin University Changchun 130025 China)
Abstract:This paper designed a kind of node localization method by making use of TDOA technology and bounding box algorithm. Based on the analysis of ZigBee electrocardiograph telemonitoring network model，realized effective distance measurement between terminal and router by using ultrasonicradio ranging method. And calculated terminal coordinate by bounding box algorithm. There was detailed description and system testing of location method. The result indicates that the localization method has high precise and good practical significance and this method can greatly meet the location requirements of the telemonitoring network.
Key words:localization technology; ZigBee; localization algorithm
隨著心血管疾病的發病率不斷提高，心臟病預防和救治已受到人們的高度關注。因此，人們先后研制出多種實時心電監護系統，有的甚至構建了適用于心電監護的無線傳感器網絡（WSN），其目的都是為了對心臟病進行早期發現和及時救治?；赯igBee的心電監護網絡是一種移動式的WSN，它是由具有低功耗、低成本、低復雜度的ZigBee技術構建而成。在整個網絡內不但可以實現心電信號的實時監護與在線診斷，而且還能對所采集的心電數據進行集中管理與數據分析。整個監護網絡還具有很強的可移動性，使得病人在網絡內可以隨意走動。但心臟病具有突發性強等特點，往往在病發時需要醫護人員及時救治，因此在監護網絡內對病人位置信息的定位至關重要，在網絡內可通過無線定位的方法實時跟蹤病人行動方位，及時獲得病人的有效心電數據，一旦突發事件發生時，醫護人員便能第一時間趕到現場進行救治。
目前節點無線定位已經成為WSN領域的研究熱點[1，2]。在WSN中，利用全球衛星定位系統GPS獲取節點位置信息是最為直接的方法。但由于監護網絡內節點眾多，為所有節點安裝GPS接收器是不現實的，會受到體積、成本、功耗等方面的眾多限制。解決此類問題的一般做法就是在網絡中設置少量錨節點，通過相關的節點定位算法來獲取節點的位置信息。定位算法主要分為兩大類，即基于測距的定位算法和基于節點間鄰近關系與連通性的定位算法。前者主要是利用測量節點間點到點距離或角度信息實現節點定位，其定位精度較高，如TDOA、AOA、RSSI和TOA算法等；后者主要利用節點間的鄰近關系和連通關系實現節點定位，其定位精度較低，如DVhop[3]、GPSless LCO算法等。根據監護網絡定位精度要求，選用具有短距離測量、低功耗、高精度等顯著特點的時差到達（TDOA）技術[4]來實現未知節點定位。由于TDOA技術同AOA、RSSI和TOA技術相比在定位精度、系統功耗、開發成本以及測距誤差等方面都具有明顯的優勢，完全符合心電監護網絡對定位精度的要求。本文提出了將TDOA技術和美國加州大學伯克利分校的Semic提出的bounding box算法相結合的一種節點定位方法，該方法計算量小、定位精度高，能夠降低監護網絡的系統功耗。
1 網絡模型結構
ZigBee是為低速率控制網絡設計的標準無線網絡協議[5~8]。它依據IEEE 802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量就能以接力的方式通過無線電波將數據從一個節點傳到另一個節點，從而實現在全球2.4 GHz頻帶范圍內的高效、低速率（250 kbps）的通信功能。它的網絡結構主要包括協調器、路由器和終端設備。協調器作為一種特殊的全功能設備（FFD），可以完成ZigBee協議設置的大量服務；而終端設備既可以是FFD，也可以是精簡功能設備（RFD）。RFD是一個簡單的ZigBee協議節點，僅可與FFD通信，實現ZigBee協議提供服務的最小部分。網絡拓撲結構如圖1所示。
整個監護網絡是根據Mesh網狀網絡拓撲結構設計而成，具有自動建立和維護的功能，無須人工干預。由于在Mesh網中，協調器和路由器必須是FFD，而終端設備可以是FFD或RFD；在監護網絡內為每個病人配備一個終端設備(RFD），在醫院主要路段設立路由器（FFD），而在監護室內設立一個主站設備（FFD）。這樣病人的心電數據和定位信息就可從終端經路由器轉發到主站上，從而實現對病人的遠程監護和定位跟蹤。監護網絡模型結構如圖2所示。
2 定位方法原理
節點定位技術中存在兩類節點，即需要定位的未知節點和協助未知節點定位的錨節點，所以在心電監護網絡中，終端設備將作為未知節點來使用，而路由器則作為錨節點協助終端設備進行定位。整個節點定位工作主要由兩個環節組成：由超聲波測距方法測量節點間距離信息；利用bounding box算法計算節點坐標。本文在終端設備和路由器上各安裝一組超聲波收發器和射頻收發器，將兩種信號從發射端同時發出，依據聲波和電磁波在空氣中傳播速度的不同，在獲得節點間距離之后，再利用bounding box定位法計算出節點的具體坐標，并將該坐標和信號傳遞的路徑信息通過路由器轉發到系統主站上。在主站端便可利用定位分析軟件來監控病人的位置信息，從而達到及時、準確的定位目標。圖3給出了節點定位原理圖。
2.1 超聲波測距方法
當終端節點需要發出定位請求時，可在同一時刻通過超聲波發射器和無線發射器對外發射定位信號。由于超聲波的傳輸速度遠遠低于電磁波傳輸速度，無線定位信號率先到達路由器端，各個路由器節點在收到無線定位信號時立即啟動定時器，并在隨后收到超聲波定位信號時關閉定時器，這樣就測得超聲波信號從終端設備到達各路由器的時間差。由該時間差值和超聲波傳播速度可計算出終端設備與路由器之間的距離，并將該距離從路由器端發送回終端設備。但由于受到傳輸距離和障礙物的影響，每個路由器都具有一定的覆蓋范圍，在該范圍以外的終端設備無法獲得與該路由器間的距離，只有在路由器覆蓋區域內的測距才是有效的。
由于超聲波測距的原理是根據聲波在空氣中傳播速度作為已知條件，通過測量它在發射后遇障礙物反射回來的時間，并根據發射和接收的時間差計算發射端到障礙物的實際距離。測距的公式可表示為L=C×(T1-T2)。其中：L為測量的實際距離，C為聲波傳播速度，T1為聲波接收時間，T2為聲波發射時間?？梢钥闯?，測距誤差主要由超聲波傳播速度誤差和時間誤差引起。為此，本文對時間誤差和傳播速度誤差進行了分析，并提出了減少誤差的具體方法。
1）時間誤差影響
如果要求測距誤差小于1 mm時，忽略超聲波速度的傳播誤差影響。已知當前聲波速度為344 m/s，則測距的時間誤差大約為2.9 ms。因此在保證超聲波傳播速度準確的前提下，聲波傳播時間差的精度如果達到了微秒級，那么測量距離誤差將小于1 mm。本文使用了32 bit精確定時器，使其能夠達到微秒級計數要求，從而保證測距誤差在1 mm之內。
2)傳播速度誤差影響
超聲波的傳播速度容易受到空氣密度的影響。當空氣密度過高時，聲波傳播的速度將要變快，而空氣密度又與環境溫度有著緊密的關系，為此對于超聲波測距精度要求達到1 mm之內時，就應當把超聲波傳播的環境溫度也考慮進去。超聲波速度V與環境溫度T的關系如下：
V=331.4(T+273.16)/273.16(m/s)
溫度每當變化1℃時，聲波速度就變化0.6 m/s。例如在溫度0℃時超聲波速度是332 m/s，在30℃時將達到350 m/s。如果超聲波在30℃下采用0℃的速度進行測量，則誤差將達到5 mm。在節點定位過程中，需要將聲速作為一個標準量來使用，因此需要采用溫度補償等措施來保證聲波速度的準確性。本文在路由器和終端設備上都加裝了溫度傳感器，并將采集信號送給控制器進行溫度補償。
2.2 Bounding box算法
終端設備在收到鄰近路由器發送的距離信息后，便可利用bounding box算法來計算該節點坐標。通常在二維空間中，已知一個點到鄰近的三個或三個以上點的距離，就可以利用求解三個已知半徑和坐標圓心的圓的交點的三邊測量法來計算節點坐標。由于測距中存在實際誤差，使得各圓無法相交于一點。綜合考慮各種因素對定位精度的影響，本文選用bounding box算法計算坐標值。該算法主要是根據錨節點的實際位置以及它與未知節點之間距離的估計值確定一個矩形區域，矩形區域的質心點就是待求的未知節點坐標。假設未知節點的坐標為（x，y），N個錨節點的坐標為(xi，yi)，其中N≥3，i=1，2，…，N；未知節點與各錨節點間距離為di(i=1，2，…，N)。將未知節點坐標(x，y)分別加、減距離估計值di，得到該節點所構建矩形區域表示為
x-diy-di×x+diy+di
其中i=1，2，…，N。而矩形重疊區域表示為
max(x-di)max(y-di)×min(x+di)min(y+di)
其中i=1，2，…，N。該算法實質上是將求解多元線性方程組問題轉換為求解一次性方程問題，不但減少了計算開銷，而且還提高了計算準確度。其算法原理如圖4所示。
3 定位方法實現
在心電監護網絡內，實現節點定位的主要功能模塊就是路由器和終端設備。路由器主要負責心電數據從終端到主站的中轉工作，并且配合終端設備來實現節點定位。它將所測得的超聲波從終端設備到達路由器節點的時間差值回傳給終端設備，以便終端設備進行坐標定位。而終端設備作為未知節點，不但要采集病人的心電數據，還要利用已獲得的距離信息完成繁重的定位計算任務。病人攜帶終端設備在監護網絡內移動時，可通過觸發喚醒程序向主站發出定位請求，再由定位計算程序計算出該終端的坐標，由路由器轉發到主站上進行分析。本文給出了路由器和終端設備工作流程的具體描述。
路由器工作流程描述如下：
a)系統進入監聽等待狀態，并判斷是否收到來自某一個終端設備的無線定位信號。若收到定位信號，則進入b)；否則繼續監聽等待返回a)。
b)啟動32 bit定時器，并判斷是否收到超聲波定位信號。若收到定位信號，則進入c)；否則判斷定時器是否定時超時，若定時超時，返回a)；否則返回b)。
c)關閉32 bit定時器，將定時器的時間差值與超聲波速度相乘計算得出終端設備與路由器的實際距離，并將該距離發送給終端設備。發送完畢后返回a)繼續監聽等待，直到下一次定位請求發生。
終端設備工作流程描述如下：
a)系統進入監聽等待狀態，判斷是否有定位請求發生。若檢測到定位請求，則進入b)；否則返回a)繼續監聽等待。
b)同時發射無線定位信號和超聲波定位信號，進入c)。
c)判斷是否收到路由器回傳數據，若收到則進入d)；否則返回c)繼續循環判斷。
d)判斷收到的數據是否有效，若數據有效，則進入e)；否則返回d)繼續循環判斷。
e)利用bounding box算法計算終端設備坐標值，將該坐標值發送給路由器并轉發到主站上。坐標值發送完畢后返回a)繼續監聽等待，直到下一次定位請求發生。
4 實驗結果
本文在10 m×6 m的區域內分別設置三個路由器（A，B，C），利用該定位方法對未知終端設備節點K進行定位，如圖5所示。圖5是在不同測距誤差下，利用該定位方法計算得出的未知終端設備的實際坐標值。利用四元組來表示每種測距誤差下計算得出的各節點的定位坐標，即（A1，B1，C1，K1）、（A2，B2，C2，K2）和 （A3，B3，C3，K3）。從圖中不難看出，隨著測距誤差的加大（標記值越大誤差越大），使得定位精度受到很大影響，通過定位計算而得出的坐標值與實際節點位置偏差較大。因此通過減小測距誤差、提高測距精度便可極大提高節點定位的準確性。此外，盡管bounding box算法在計算中也會存在計算誤差，不過這種計算誤差給定位系統帶來的影響同測距誤差相比是可以忽略不計的。只要提高測量路由器與終端設備距離的準確性，就能很好地保證定位系統的精確性。
5 結束語
本文依據超聲波測距原理并結合bounding box算法解決了心電監護網絡內未知終端設備的節點定位問題。在對減少超聲波測距誤差的系統分析和節點定位方法實現的具體描述基礎上進行了系統測試實驗，其實驗結果充分表明該方法滿足ZigBee心電監護網絡低功耗、低復雜度、高精度的定位要求。
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