基于CSS 及邊緣計算的移動醫療設備定位管理系統研究*

戴 麗，袁 琴*，朱頂貴，王增香，趙 俊

(1.南京大學醫學院附屬口腔醫院兒童口腔科，江蘇 南京210008；2.東南大學電子科學與工程學院，江蘇 南京210096)

醫療設備是醫院社會效益和經濟效益的重要支柱，隨著現代科學技術的迅猛發展，醫療設備品種逐步增多，呈現出高、精、尖，且價格昂貴等新特點。 然而，少數醫院存在只重設備使用，不重設備管理的現象，往往造成設備性能劣化、壽命減少、利用率低甚至丟失等問題。 因此，在醫院管理工作中運用科學的方法和手段，加強對在用儀器設備的跟蹤管理，可保障醫療、科研、教學工作的順利進行[1-2]。

隨著物聯網技術的快速發展和4G、5G 無線網絡的普及，萬物互聯的時代已經到來[3-4]。 相比物聯網而言，萬物互聯除了“物”與“物”的互聯，還增加了更高級別的“人”與“物”的互聯，其突出特點是任何“物”都將具有語境感知的功能、更強的計算能力和感知能力。 啁啾擴頻信號(CSS)具有抗干擾、抗多徑能力強的特點[5-6]，是IEEE802.15.4a 協議在2007 年3 月提出的低速無線個人局域網物理層的標準之一，與RFID、WiFi、Zigbee 等其他短距離無線通信技術相比，在短距離無線通信方面優勢明顯[7]。

基于CSS 技術構建醫療設備室內定位通信系統，可實現對靜止的或移動中的待識別物品的自動機器識別，達到對人員和設備的區域性定位及跟蹤管理功能。

此外，隨著醫院醫療設備及人員數量的迅速增加，以云計算模型為核心的集中式數據處理模式已不能高效處理邊緣設備所產生的數據，為此，以邊緣計算模型為核心的面向網絡邊緣側海量數據計算需求的邊緣數據處理模式應運而生[8-9]。 邊緣計算設備具有利用收集的實時數據進行模式識別、預測分析、智能處理等功能。 在邊緣計算模型中，網絡邊緣設備已經具有足夠的計算能力來實現源數據的本地處理，邊緣計算模型不僅可降低數據傳輸帶寬壓力，還可減小集中處理的計算、存儲壓力，較好地保護隱私數據[10-12]。 因此，邊緣計算與云計算模式相結合，可較好地解決萬物互聯時代大數據處理所存在的諸多問題[13-14]。

本文基于CSS 技術和邊緣計算技術，提出一種基于無線定位及邊緣計算的醫療設備定位管理方案，可實現覆蓋大范圍區域的移動醫療設備的智能追蹤，及時、準確地將各個區域設備的動態情況反映到中心監控平臺，使管理人員能夠隨時掌握布控區域設備的分布狀況和每個受控對象的運動軌跡，進而實現更加合理的管理。

1 移動醫療設備定位管理系統

1.1 系統架構

針對現有定位系統大多只能提供區域性定位功能，無法為人員或設備提供精準、實時的位置信息的問題，提出了基于CSS 及邊緣計算技術的醫療設備精確定位系統設計方案，如圖1 所示，包括感知層、傳送層、邊緣計算層以及應用層。 系統結合GIS 地圖及視頻攝像頭，可實現醫護人員及移動醫療設備運行軌跡和實時位置的跟蹤及現場可視化，同時構建電子圍欄，實現庫房等重點區域的越界和入侵告警功能。

圖1 基于CSS 及邊緣計算的醫療設備定位管理系統架構

感知層由各種受控對象以及能夠實時獲取對象數據的具有感知、通信、識別能力的感知設備及感知網絡組成，包括置于醫療設備和醫護人員身上的移動定位終端、無線定位基站和網關基站。 無線定位基站與移動定位終端交互定位數據，利用SDS-TWR定位算法和定位管理協議，通過信號空中傳輸時間計算出與移動定位終端的距離，并把距離數據和一些傳感控制信息發送給網關基站。 網關基站接收無線定位基站信息，可檢測出醫療設備和醫護人員的精確位置和傳感控制信息，并通過有線、無線通信接口上傳到邊緣計算智能網關。

傳送層為系統中所有部件和物理上分離的功能實體提供互連，具有多樣化的數據連接及交互能力，一方面將多個分布式網關基站定位信息送至邊緣計算智能網關，另一方面，將邊緣計算智能網關的計算、分析結果送至云平臺或用戶側。

邊緣計算層由邊緣計算智能網關組成，集成計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務。 其應用程序在邊緣側發起，能產生更快的網絡服務響應，滿足行業在實時業務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。 具有多協議接口提供靈活的設備層感知數據接入能力以及設備即插即用能力，具有智能解讀數據和實時數據分析能力。 邊緣計算層收集多網關基站定位信息，進行數據比對、查詢、統計、計算，實現移動醫療設備的位置定位、運行軌跡跟蹤及使用人信息。

應用層通過云計算平臺進行信息處理，對感知層的采集數據進行計算、處理和知識挖掘，從而實現對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策，進而對整個醫院醫療設備資源進行全局性、非實時、長周期的大數據處理與分析，實現長周期維護和資源整合管理，同時可將信息發送至手持式移動終端，實現遠程可視化。

1.2 CSS 測距

本方案CSS 測距采用小孔徑雷達的Chirp 技術，實現在2.4 GHz 頻段的信號傳輸。 Chirp 信號可簡單理解成一種頻率可調的脈沖信號，如圖2 所示，信號在時域上頻率發生由低到高或者由高到低的變化(Up Chirp 或者Down Chirp)，變頻信號經過濾波器后，根據Up Chirp 或Down Chirp 頻率變化趨勢的不同而變成1-0 信號。 無線定位基站分辨出脈沖信號，識別出傳輸信號的發送時間和對應回復信號的到達時間，并記錄在寄存器中，供軟件算法計算出傳輸路徑長度。

圖2 CSS Chirp 信號工作原理

CSS 采用SDS-TWR 測量方法獲取雙向傳輸時間，計算節點距離，如圖3 所示。 假設信號單次傳輸距離為d，則整個測量過程中，產生了四次傳輸過程4 d，以及2 次回復等待時間(treplyA、treplyB)，則單次測量時間見式(1)。

圖3 CSS 基于SDS-TWR 測距原理

式中:C 為常量，troundA、troundB、treplyA、treplyB均可通過基帶時鐘測量出來，故單次信號傳輸時間、傳輸距離也能夠計算出來。 由于用了高精度時鐘電路，時間精度可達3 ns～4 ns，因此，實際測距精度可達1 m左右。

為了提高系統的定位精度和穩定性，采用卡爾曼(Kalman)濾波算法來改善系統的降噪效果。 卡爾曼濾波是一種線性系統狀態方程，通過系統輸入、輸出觀測數據對系統狀態進行最優估計。

現實的線性系統因噪聲影響是非完全平滑的:

1.3 邊緣計算網關

邊緣計算智能網關由主板、無線板及接口板組成，可提供靈活的感知層數據接入，有限的安全策略部署及計算能力支持，具備差異化易用的開發套件和庫，支持工業物聯網應用快速開發，如圖4 所示。

主板由主處理器系統和FPGA 芯片組組成，具有SATA、SD 卡和USB2.0 高速接口。 無線板實現所有無線解決方案，分為南北向兩種界面，北向具有遠程接入能力，包括LTE/WCDMA 和NB-IOT，南向實現本地傳感器連接，包括BLE4.2、6Lowpan、ZigBee和Wi-Fi(AP 模式)。 接口板實現外部傳感器的接入，可支持不同類型的串行端口:RS232、RS485、RS422 和模擬采樣接口。

邊緣計算智能網關軟件架構如圖5 所示，基于開源Linux 操作系統實現內核空間和用戶空間之間的行為交互，IOT 庫和開發套件支持安全、視頻分析、深度學習、科學計算、區塊鏈等物聯網應用和服務能力。

圖5 邊緣計算網關IOT 庫和開發套件

為實現醫療設備的精準定位，減少誤報，邊緣計算智能網關支持視頻信息的實時接入及處理能力，如圖6 所示，可實現視頻信息與定位信息的雙重判斷。

圖6 邊緣計算網關視頻信息處理流程

2 實驗測試

在南京市口腔醫院兒童口腔科搭建了基于CSS無線定位及邊緣計算的醫療設備定位管理實驗測試系統，其中，傳送層方案采用無線NB-IOT 通信協議。

對比分析了Kalman 濾波前后系統的定位效果，如圖7 所示。 可以看出，采用軟件Kalman 濾波可以顯著提高定位精度。 經過Kalman 濾波后，傳輸速率為1 Mbit/s 信號在1 μW 功率下，傳輸距離可達5 m，在6.3 mW 功率下，傳輸距離可達26 m。

圖7 Kalman 濾波前后定位精度對比

圖8 人員移動時運行軌跡顯示

3 結束語

本文基于CSS 技術和邊緣計算技術，提出一種基于無線定位及邊緣計算的醫療設備定位管理方案，定義了系統層次功能，優化了定位濾波算法，構建了實驗測試系統并完成了系統性能測試，測試結果表明，本文所提方案可實現覆蓋大范圍區域的移動醫療設備的智能追蹤，及時、準確地將各個區域設備的動態情況反映到中心監控平臺，結合GIS 地圖可實現人員及設備運行軌跡和實時位置的跟蹤及現場可視化。