Wi-Fi实时定位系统在医疗系统的应用
姚文坡，沈华强，黄亚萍，吴敏
南京军区南京总医院 医学工程科，江苏 南京 210002
[摘 要]目的研究Wi-Fi实时定位系统的相关技术和系统构架，并分析其在医疗系统中的应用。方法分析对比Wi-Fi、ZigBee等物联网组网技术的差异，研究定位系统的系统组成、结构功能框架、功能特点等，并分析如何应用于医院管理的不同部分。结果Wi-Fi实时定位系统存在前期投入低、技术成熟等优势，即使存在功耗等方面的不足，但是在医院医护人员、患者以及设备等内容的定位中能够有效实现。结论Wi-Fi实时定位系统可有效满足医疗系统对实时定位的要求，而且在医疗卫生单位已经取得成功应用，因此具有广泛的应用前景。
[关键词]实时定位；医院管理；Wi-Fi；物联网
引言
实时定位在现代化医院的管理中具有重要的应用价值，医护人员在岗情况巡查、患者实时跟踪、医疗设备的监测等环节在定位技术的帮助下可得到有效的提升。当前流行的GPS、北斗定位系统无法满足医院物资区域性的实时定位需求，而且在管理中存在诸多不便。随着物联网技术的发展，区域性实时定位技术已有很多成熟的技术和产品，能够有效地应用于医疗系统中，满足医院管理中的需求。
智能定位追踪系统在医疗抢救设备、危险物品和医疗垃圾等方面有较强的应用价值和前景，通过与医院信息系统的结合，可有效解决医院物资管理中存在一些不足[1]。国内外工程人员、科研工作者以及企业在将实时定位系统[2]引入医院管理工作中做了大量研究，取得了一定的成效。王玉柱等人分析介绍了一种基于ZigBee技术的医院病人追踪定位系统的设计，并且对定位引擎在实际应用中的不足提出了改进措施[3]。利用射频识别（Radio Frequency Indentif cation，RFID）技术可实现高值耗材的跟踪[4]以及医疗设备的定位。陈俊阳等[5]人在医院实际需求的基础上，结合Wi-Fi实时定位技术，对基本构架和管理控制模式加以分析，并且展望了未来的研究发展方向。基于Wi-Fi的实时定位系统是物联网的典型应用，目前的研究内容还包括RFID定位以及基于ZigBee网络的应用，各有特点，促进了区域性的实时定位管理水平的提升。Wi-Fi实时定位系统的主要优点在于覆盖面广，接入便捷以及技术成熟。目前多数医疗卫生单位实现Wi-Fi网络覆盖，智能终端设备可较为便捷地接入管理系统，并且系统搭建的网络基础可免去前期的网络投入，降低成本。Wi-Fi产品技术相对成熟，保障系统运行的可靠度，因此基于Wi-Fi的实时定位系统具有较为广阔的应用前景。
本文详细分析了Wi-Fi实时定位系统的相关技术和系统构架，研究其在医疗系统中的应用价值并对当前应用中存在的问题进行讨论。
1 Wi-Fi实时定位系统相关技术
物联网是指通过温湿度、光电参数的传感设备采集感知信息，利用RFID、NFC、全球定位系统等技术标记识别感知物体和传感器，按照约定的协议，将物体和网络相连，进行信息通信，以实现智能化识别、定位、监控和管理的网络概念[6]。作为物联网在医疗中的重要应用，下面详细介绍与区域性实时定位相关的识别技术和传输网络两方面的内容。
1.1 识别技术
目前的识别技术比较多，如Wi-Fi标签、RFID标签、NFC等，在实时定位的应用中主要的研究有Wi-Fi和RFID 2方面。
RFID是一种非接触式的自动非接触识别技术，通过射频信号自动识别物体并获取数据信息[7-8]，其通信方式属于被动工作方式。当前RFID在零售、物流和医疗等行业具有重要的应用，能够应对粉尘、污染、辐射等恶劣的环境，而且制作成本较低。完整的射频识别系统包括三部分：① 标签，每个标签具有唯一的编码，用于识别物体；② 阅读器，读取标签中的信息；③ 天线，在标签和阅读器之间传递射频信号。Wi-Fi标签芯片相对便宜，技术成熟，实现的复杂度较低，而且在物资内置Wi-Fi功能，无需再粘贴Wi-Fi标签，也可极大降低实时定位的成本。
1.2 物联网传输网络
理论上任何有线和无线的通信方式都可以应用于物联网的信息传输，本文主要介绍蓝牙、Wi-Fi与ZigBee 3个方面内容。
作为WLAN的新技术，基于IEEE802.11b的Wi-Fi无线技术在当前有着极其广泛的应用，目前已经将个人电脑、路由器、手持设备等终端有效地连接起来。Wi-Fi的优势主要体现在传输速度和传输距离方面，其最大的传输距离可达300 m，最大的传输速度速度可达到300 Mbps，但是缺点是功耗较大，最大功耗为50 mA。
蓝牙技术目前在电脑和手机短距离数据传输方面有一定程度的使用，而且正在不断更新，功能也不断优化，最新版本4.2加强了物联网应用特性，可实现IP联接及网关设置等诸多新特性[9]。目前基于蓝牙技术开发的应用较少，相比于Wi-Fi，蓝牙的优势在于低功耗和安全性方面，但是传输速度和有效传输距离方面存在不足，最大传输速度和距离分别为1 Mbps和100 m。
ZigBee作为一种较新的无线通信技术在物联网中有着较为广泛的应用前途和潜力[10-11]，在未来的物联网发展中必将发挥重要的作用。ZigBee的优势在于低复杂度、自组织、高安全性、低功耗上以及具备组网和路由特性；另外可方便嵌入到各类设备中，安全性介于Wi-Fi和蓝牙之间。
另外，移动通信技术，如GPRS、3G和4G-LTE，已经完全可以实现多媒体通信，在物联网系统中可将手机等手持设备有效地融入管理监控功能中，但是目前利用移动通信技术实现实时定位的应用研究相对较少。
2 Wi-Fi实时定位系统结构框架
基于Wi-Fi的实时定位系统[12]与其他定位系统系统相比具有众多优势：现医疗卫生系统一般都实现了Wi-Fi网络的覆盖，因此定位系统科充分利用现有的无线基础设施，无需增加额外的网络搭建投资；Wi-Fi芯片可实现标识定位功能，无需专门覆盖标识设备，而且在物资内置Wi-Fi模块实现较为容易；管理控制部分可完全由软件编程实现，功能改进灵活，系统调整方便；Wi-Fi网络能够融入各类手持设备、PDA等，监控便捷，扩大系统管理的应用。
Wi-Fi实时定位系统主要包括3部分：Wi-Fi定位卡、无线局域网接入点、管理系统，图1～2分别为Wi-Fi实时定位系统运行图和功能结构图。
图1 Wi-Fi实时定位系统运行图
图2 Wi-Fi实时定位系统功能结构图
（1）Wi-Fi定位卡作为无线数据采集模块可方便地佩戴在人员身上或物品上，系统通过对标签的跟踪实现对人员和资产的跟踪定位，另外可以根据需要设计不同的外形并通过设备本身内置Wi-Fi模块接入管理系统。
（2）无线AP采用2.4 GHz频段，支持802.11 b/g模式，及时采集Wi-Fi卡片传输的信息，传输到后端的监控中心，对人员物资进行监控管理。
（3）管理系统通过定位服务器和相关的软件系统对传输数据进行实时分析，并结合电子地图对人员物资的实时位置进行分析；监控物体的位置信息、运动轨迹同时存入存储服务器，监控人员可通过计算机访问服务器，查询相关信息；另外可以通过编写相关的应用程序，将智能手机、PDA和平板电脑等便携装置融入管理系统。
Wi-Fi实时定位系统的主要功能特点包括以下几点：定位系统基于Wi-Fi，对无线局域网非常普及，价格便宜，容易搭建和管理；同时定位网络还可用于上网、语音、视频等其他用途；可设定区域范围，监控区域内人员或物品出入等情况，非许可人员或物品出入时，报警提示；以电子地图形式显示人员或物品的位置和移动轨迹；能通过传感器监测其周围环境的温度等信息，便于环境监测和安全防范；管理系统可方便和互联网相连，方便远程监控、查询，Wi-Fi实时定位系统网络系统见图3。
图3 Wi-Fi实时定位系统网络系统图
3 Wi-Fi实时定位系统在医院的应用
Wi-Fi实时定位系统[13]在医疗系统中存在较为广泛的应用，如医护人员在岗情况的监控、病人外出实时定位监护、医疗物资的巡检和跟踪等在实时定位系统的帮助下可得到有效管理，下面分析重点环节的应用价值。
3.1 智能呼叫系统
实时定位管理系统是在国外医院医疗设备、病人的管理中起到了很大的作用，系统基于Wi-Fi通信技术，可实现对对医疗设备及资产的跟踪管理，并且在病人出现危机时可主动呼叫医护人员，提高医疗机构的运作效率和管理水平，向精细化方向发展。进入医院的普通病人或特护病人被发放一个无线电子标签，病人可以在医院任何范围内遇到危急情况时，只要轻触标签上的按钮便可实现呼叫求助，而不再像以前仅仅只能在床前呼叫；系统接收到呼叫请求后可立刻定位到病人呼叫的区域，定位精度在3～5 m，实现快速、准确地施助。尤其对于老年痴呆、精神病人等，没有足够的人力进行全天候监护。同时，电子标签还可安装在轮椅上，便于病人呼叫方便及系统自动跟踪。
3.2 医疗设备管理
医疗设备集中管理中心。医疗设备集中管理为医院应急设备供应带来很大便捷，但是在外借设备的管理方面存在很大的不足。当科室使用设备结束后不一定会及时归还，容易造成应急设备在科室的闲置，而且存在应急设备在科室之间相互转借的情况，Wi-Fi实时定位系统可有效地在对这些设备的监控方面。通过为每台应急设备安装Wi-Fi标签，实时监测外借设备的动态，当出现设备长期闲置或是科室之间转借的情况，集中管理中心工作人员及时和科室沟通，收回应急设备，实现应急设备的高效利用。
大型设备监控。为大型设备或是大规模设备的关键部件安装无线电子标签，标签的唯一ID。通过系统能够实时全方位定位追踪设备的位置、数量，并监控这些设备的使用现状，对设备位置、移动状况、实时状态等信息进行实时和定时监控与统计分析，并根据设备的相关状态触发后续动作，满足对于重要设备资产的全方位监控与监管，准确统计设备的使用效率。 一旦出现非法移动、未经授权的拆卸和其他异常现象时，即可自动报警告知相关管理人员或责任人，及时采取对应措施，避免损失和事故。
3.3 高值耗材跟踪管理
高值耗材占医院收支重要部分，随着医疗技术的发展，医院对高值耗材的重视程度越来越高，正逐步提高高值耗材管理力度。高值耗材管理的一个难点在于监管是否真正有效地利用于患者，委派专门的人员对高值耗材的使用情况进行监督存在诸多不便，而且需要投入额外的人力物力资源，Wi-Fi实时定位系统可以有效地解决高值耗材实时跟踪的问题。
3.4 智能仓库
智能仓库利用先进的传感器技术对仓库的环境参数、库存量以及货物的位置等信息进行采集，并搭建智能网络对数据进行传输，结合数据库管理软件实现货物的定位、跟踪、仓库的巡检、监控，即智能仓库[14]。智能仓库系统不仅能够实时监测仓库状况，而且更重要的作用在于通过对仓库数据的分析为仓库的调整提供有价值的信息。智能仓库系统对仓库库存量、环境参数和物资抽组等进行详细的数据记录和分析，得出相应优化改进方案。
另外，Wi-Fi实时定位系统在危险辐射、化学物品、报废物资的实时监测也存在广泛应用的前景。
4 讨论
基于Wi-Fi的实时定位系统的优势在于，可极大降低网络搭建的前期投入，并且可将电脑、智能手机、平板等手持设备便捷地接入管理网络，能够有效地将现有的管理方法融合扩大。与之相比，ZigBee是私有通信协议，需要组建专网，在相同的定位精度要求下，传感器和节点布点的密度要高，投入成本较高，并且在管理上较为复杂。ZigBee网络加RFID标签实现的实时定位系统缺点也在于造价较高，系统的设计与现有基于IP的网络与计算机构架的兼容性复杂。但是研究中也发现其存在不足以及需要进一步改进的方面。
Wi-Fi实时定位系统的缺陷在于较高的功耗以及较高Wi-Fi标签卡片制作成本，因此降低标签的制作成本和功耗是未来系统应用中需要重点研究的方向[15]。和RFID、ZigBee标签相比，Wi-Fi标签的制作虽然技术相对成熟，但是劣势在于较高的制作成本。而Wi-Fi相关发射接收器件的高功耗是限制其快速发展的另一个因素，为了降低功耗，可对部分长期处于静止状况或是变动不大的物资的Wi-Fi器件降低信号发射功率或是定向发射信号，进而实现降低功耗的目的，延长标签的使用时间。
另外，Wi-Fi实时定位系统的精度受多种因素的影响，如墙壁、金属物体等。定位的情况受到信号强弱的影响，而Wi-Fi网络受环境影响较大。方向性定位对固定大型设备运行状况的监测比较方便，但是对移动比较频繁的设备，则存在一定的困难。
5 结论
医院对医护人员、患者以及设备有较强的实时定位需求，随着科技的发展，物联网技术可有效解决这些问题。基于Wi-Fi的实时定位系统已经有不少成型的产品，并且在某些国内外医院取得成功的应用。系统的优势在于技术成熟，并且基于广泛应用的Wi-Fi网络可减少前期的网络搭建投入，但是也存在成本高、功耗高等缺点。整体分析，基于Wi-Fi的实时定位系统可有效满足医疗卫生单位和相关部门的实时定位需求，并且具有广泛应用的潜力。
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Application of the Wi-Fi Real-Time Location System in Medical Systems
Abstract：ObjectiveTo study the Wi-Fi Real-Time Location System (RTLS) network architectures and related technologies and analyze its applications in the medical system.MethodsComparative analysis of the differences among Wi-Fi, Zigbee and others communication methods was conducted. And RTLS issues on system components, structure, functional framework and features were analyzed. Researches on system applications in hospital management were made.ResultsWi-Fi RTLS had the advantages of low initial investment and mature technologies and could be effectively realized in real-time location, including hospital staff, patients and equipment positioning although it had drawbacks in some aspects such as power consumption.ConclusionWi-Fi RTLS can effectively satisfy the hospital requirements of real-time positioning, and it has been successfully applied in some medical and healthcare units and will have wide range of applications in the future.
Key words：real-time location; hospital management; Wi-Fi; Internet of things
YAO Wen-po, SHEN Hua-qiang, HUANG Ya-ping, WU Min
Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command, Nanjing Jiangsu 210002, China
[中图分类号]TN925.93
[文献标识码]B
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.051
[文章编号]1674-1633(2016)12-0172-04
收稿日期：2015-10-02
修回日期：2015-12-28
通讯作者：吴敏，高级工程师。研究方向：医疗设备研究与开发，医学信号处理。