[ 導讀 ] 隨著科技的發展和人們對醫療健康的關注，無線醫療監護也越來越受到人們重視。基于 ZigBee的監護系統 [2]是一種移動式的無線傳感器網絡（WSN）。它采用低功耗、低成本、低復雜度和高抗干擾性的 ZigBee技術構建而成。

引言
    隨著科技的發展和人們對醫療健康的關注，無線醫療監護也越來越受到人們重視。基于 ZigBee的監護系統 [2]是一種移動式的無線傳感器網絡（WSN）。它采用低功耗、低成本、低復雜度和高抗干擾性的 ZigBee技術構建而成。在整個監護網絡覆蓋范圍內實現了病人生理參數的實時監護、在線診斷、集中管理以及數據分析等功能。該監護網絡具有很強的移動性，使得病人在監護網絡內可以隨意走動。但由于某些疾病具有突發性，在病發時需要得到醫護人員的及時救治，所以在監護網絡內建立無線追蹤定位系統具有重要的意義。本文擬采用 ZigBee技術及無線定位引擎來解決無線監護系統中病人追蹤定位的問題。本設計具有設備和施工簡單，成本較低，實用性強等特點，并采用無線的方式，具有較好的擴展性，可應用于大中型醫院的病人定位和監控管理，其潛在應用前景十分廣闊。

1 ZigBee技術簡介
    ZigBee技術 [1]是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數據率、低復雜度的雙向無線通信技術，它是基于 IEEE802.15.4標準開發的無線協議。網絡層以上協議由 ZigBee聯盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。
    本設計采用了 TI公司開發的 CC2431芯片來實現 ZigBee通信及追蹤定位功能。CC2431射頻部分與 TI（CHIPCON）早期產品 CC2420的功能基本相同，但增加了由 Motorola公司授權的基于 RSSI技術的定位引擎。其定位精度少于3m，定位時間小于 40μs，遠遠高于 GPS的定位精度，可以對監護系統內的病人實現較精準的定位。

2 無線定位算法
    根據定位機制不同，定位算法分 2類 [3]：第 1類是基于測距（range-based）的定位算法，通過測量節點間的距離或角度信息，使用三邊測量、三角測量或最大似然估計定位法計算節點位置，其定位精度較高。常用的測距技術有RSSI、TOA、TDOA和AOA。第 2類是無需測距算法(range-free)，利用節點間的鄰近關系和連通性實現定位的算法，其定位精度較低，如 DV-hop算法、GPS-less LCO算法等。

    RSSI (Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示)是指節點接收到的無線信號強度大小。在基于接收信號強度指示 RSSI的定位中，已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗，利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為距離，再利用已有的算法計算出節點的位置。接收信號強度是發射功率和發射器與接收器間距離的[FS:PAGE]函數。接收信號強度 RSSI理論值可由：

    其中，n代表信號傳播常量，也叫傳播指數；d代表距發射器間的距離；A代表距離 1m時的接收信號強度。信號的衰減與距離成對數衰減的關系。節點到信號源的距離越近，由RSSI值的偏差產生的絕對距離誤差越小；而當距離大于某一值時，由 RSSI波動造成的絕對距離誤差將會很大。一個未知節點可能收到 n個參考節點的信號，所以應當采用 RSSI值大的前幾個參考節點進行定位計算，這樣可以避免定位誤差擴大。

3 病人追蹤定位系統
    3.1 系統結構
    病人追蹤定位系統由病人隨身佩戴的盲節點（待測節點）、定位參考節點組成，監護網絡通過 ZigBee網關將病人的定位信息發送到監護中心，系統結構如圖 2所示：

    定位參考節點是多個位于已知位置的靜態節點，可以將其位置通過發送數據包通知其他節點。病人攜帶的盲節點從參考節點處接收數據包信號，獲得參考節點位置坐標及相應的RSSI值并將其送入定位引擎，然后可以讀出由定位引擎計算得到的自身位置。由參考節點發送給盲節點的數據包至少包含參考節點的坐標參數水平位置 X和豎直位置Y，而 RSSI值可由接收節點計算獲得。

    3.2 硬件設計
    CC2431[5,6]是 TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(SoC)解決方案，集成了基于RSSI的定位引擎，能滿足低功耗 ZigBee/IEEE802.15.4無線傳感器網絡的應用需要。針對協議棧、網絡和應用軟件執行時對 MCU處理能力的要求，CC2431包含一個增強型工業標準的 8位 8051微控制器內核，運行的時鐘頻率為32MHz。CC2431還包含一個 DMA控制器，它能夠被用于減輕 8051微控制器內核對數據搬移的操作，因此提高了芯片整體的性能。

    系統基本硬件連接電路[5,6]如圖 2所示。連接 50Ω單極天線的部分由電感和電容構成，其中的電感L1、L2還為芯片內部的低噪聲放大器和功放提供直流偏置。圖 2中，XTAL1為一個等效串聯電阻(ESR)<60Ω的 32MHz晶振，R1為其建立精確的偏置電路，C1、C2是去耦電容，用于電源濾波，向電壓調節器提供穩定的核心電壓。

    3.3 軟件設計
    CC2431的硬件定位引擎與軟件定位方法相比的優勢是：速度快、精度高，不占用處理器時間。該定位引擎的主要特點如下：定位估計算法需3～8個參考節點；定位估計以 0.5m為單位；計算節點位置耗時少于40μs；定位范圍為64[FS:PAGE]m；定位偏差低于3m；定位引擎采用分布式計算方法，該方法使用已知參考節點的 RSSI信息定位。在節點上分布式定位計算可避免集中計算方法帶來的大量網絡傳輸與通信延遲問題。定位引擎操作流程[4]如圖 3所示：

    在定位引擎運行之前必須使能定位引擎寄存器 LOCENG的第 4位LOCENG.EN，當要停止定位引擎運行時，往 LOCENG.EN寫入 0關斷引擎的時鐘信號，從而減少 CC2431的功耗。對定位引擎的操作，主要就是對與定位引擎有關的寄存器的操作。

    定位引擎運行時需要輸入3～8個參考坐標。參考坐標是以 m為單位的，它表示各個參考節的位置，其數值位于0～63.75，最高精度為0.25m，以最低 2位為小數部分，剩余 6位為整數部分。參考坐標存放于RF寄存器REFCOORD中。在寫入REFCOORD之前，寄存器LOCENG的第 1位 LOCENG.REFLD必須寫入1，用于指示一組參考坐標將要被寫入。一旦坐標寫入過程開始(LOCENG.REFLD=1)，8對坐標必須一次性寫入。當定位引擎使用少于 8個參考坐標時，要將未用的參考坐標寫入 0.0 定位引擎除了需要參考坐標外，還需要一組測量參數，由 2個射頻參數和 8個 RSSI值組成。射頻參數是數值 A和n，用于描述網絡操作環境。所有的測量參數應寫入 RF寄存器MEASPARM中。在寫入 MEASPARM之前，寄存器 LOCENG的第 2位 LOCENG.PARLD必須寫入1，表示一組測量參數將被寫入。一旦參數寫入開始(LOCENG.PARLD=1)，所有 10個參數必須一次性全部寫入。測量參數必須按照[A，n，rssi0，rssi1，…，rssi7]順序寫入 MEASPARM寄存器，任何未使用的位必須寫0。10個參數全部寫完之后，LOCENG.PARLD必須寫入 0。

    參數坐標和測量參數寫入之后，通過將寄存器 LOCENG第 0位 LOCENG.RUN寫入 1，啟動定位估計計算。通常 LOCENG.RUN被置 1后的 1200個系統周期之后，LOCENG的第 3位LOCENGDONE被置 1。此時，估計坐標可從 LOCX和 LOCY寄存器讀出。定位引擎不產生任何中斷請求。在新的結果被計算出來或下一次重新啟動之前，估計坐標值在 LOCX和 LOCY中保持有效。

    3.4 定位引擎的改進
    CC2431的定位引擎可以處理最高達 64m的X、Y值 [4]，對醫院監護系統的實際應用來說這個區域太小，因此擴展區域非常必要。這可以通過簡單的軟件預處理算法解決：將每個節點用 2個字節的X、Y代表。因為精度為0.25m，從而最大范圍為 16384m (2 14=16384)。這個范圍已經可以滿足監護系統的需求。
 [FS:PAGE];   定位引擎得到的只是二維坐標，如何區分不同的水平面，就只能通過軟件方法處理。例如，可以首先確定最近的參考節點并讀出此節點的水平值。這個水平值被假定為盲節點所在的層，之后盲節點要保證只有同層節點被輸入到定位引擎當中。水平層用一個字節 Z來表示，則可以區分 256個不同的層。在醫院監護系統應用環境中，每個樓層的參考節點在廣播數據包中加入所在的樓層數Z，用程序判斷取 Z值較多的節點作為參考點，即可取得相對準確的三維坐標（平面坐標X Y樓層Z），完成對病人的準確定位。
4 總結
    本設計實現了醫院病人追蹤定位系統的硬件節點，闡述了該硬件節點的特點及優勢，并著重討論了 CC2431的硬件定位引擎的原理及軟件操作方法。利用該定位引擎解決了醫療監護網絡中的病人的追蹤定位問題。實驗證明該定位系統能滿足低功耗、傳輸距離、準確定位、抗干擾的要求。
參考文獻：
    [1] ZigBee Alliance, ZigBee Specification. http//:www.ZigBee.org
    [2] 李勇正，高飛，吳效明．基于 ZigBee的穿戴式多生理參數WPAN[J]．微計算機信息，2008，8-2：10-12
    [3]汪煬.無線傳感器網絡定位技術研究[D].合肥，中國科學技術大學，2007
    [4]宋保業. CC2431 的無線定位引擎及其應用改進[J].單片機與嵌入式系統應用,2008 -2: 2-24.
    [5] CC2430 PRELIMINARY Data Sheet (Rev.1.03), 2005.
    [6] CC2431 PRELIMINARY Data Sheet (Rev.1.0), 2007.

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