一个基于iBeacon的医院室内定位系统外文翻译资料

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一个基于iBeacon的医院室内定位系统

杨晶晶，王志辉，张肖

信息科学和工程学院，河北北方学院，张家口，河北，中国

摘要

如何帮助患者去找到他们的科室或者病房是一个急需被医院解决的问题。这篇论文提出一个基于iBeacon的医院室内定位系统。该论文首先分析与常见室内定位技术相比iBeacon的优势；然后为医院设计一个基于物联网三层框架来实现通过计算机客户端实现信息推送服务的室内定位系统。最后，最短路径被推送给患者去寻找最近的科室或病区。就实验结果来看，该系统可以实现医院的室内定位。

关键词：医院室内定位，iBeacon，物联网，插点法算法

1.引言

尽管大多数医院在门诊部都有楼层分布地图和指引标志，但是很多患者依然担心他们在看病时会花费很多时间在寻找科室和病房上。近几年来，随着电脑技术和短程无线通信技术的发展，智能医学这一概念也应运而生。智能医学就是运用最先进的技术物联网，来在患者，医务人员，医疗机构，医疗器械之间建立可能的联系，最后来获取信息。通过有关智能医学的先进的理念和技术，我们可以为患者提供医院室内定位，这样来提升患者的就医体验。

现在，室内定位技术越来越成熟。它通常被用在大的和中等规模的商场以及有名的博物馆但是很少用在医院。室内定位是通过WLAN，蓝牙或者射频识别技术来实现的。无线局域网可以实现在大的范围内定位，监测和跟踪目标。网络节点的自我定位是大多数的应用的基础和先决条件。蓝牙技术就是通过监测信号轻度来定位目标。它有一些优点。其中最大的优点是体积小，这使得它更容易集成在PDA、PC和手机上。因此，它的推广很容易。但是，它也有一些缺点。第一，设备和蓝牙设备都很贵。第二，在复杂的空间环境里，蓝牙系统不稳定，容易受到噪声信号的干扰。射频识别技术是利用射频实现非接触式双向数据通信的识别和定位目标。一方面，它具有传输距离大、成本低、能在几毫秒内获得位置信息等优点。另一方面，它的缺点是有效距离短，缺乏沟通能力。此外，它也很难集成到其他系统。

本文介绍了基于ibeacon的医院室内定位系统。它兼具物联网和移动互联网的优点，实现了医院室内定位的目标。具有功耗低、反应速度快、定位精确等优点，给患者带来极大的方便。

2.iBeacon技术

iBeacon是苹果公司于2013年9月发布的一款室内定位设备。它的工作机制是一个低功耗蓝牙（BLE）设备使用BLE技术发送自己的ID，在接收到这个ID后，移动互联网设备会根据它进行一些操作。SIG为蓝牙技术制定标准。在标准4.0开始使用时，提出了低功耗蓝牙技术BLE。这种低功耗蓝牙技术与传统蓝牙技术相比，具有成本低、功耗低的优点，例如一个纽扣电池可以让低功耗蓝牙设备运行长达一年到两年。蓝牙LE协议明显比蓝牙Classic更节能。包括德州仪器和北欧半导体在内的几家芯片制造商，目前都在供应针对iBeacon使用进行优化的芯片组。功耗取决于iBeacon的广告间隔和传输功率的配置参数。一项针对16个不同iBeacon供应商的研究表明，电池续航时间可以在1-24个月之间。

iBeacon部署由一个或多个 iBeacon设备组成，这些设备将自己的唯一标识号传输到本地区域。然后，接收设备上的软件可以查找 iBeacon并执行各种功能，例如通知用户。接收设备可以从 iBeacon alsa连接 iBeacon 检索值的关贸总协定服务。 iBeacon不向接收设备推送通知（除了它们自己的标识之外）。然而，移动软件可以使用从 ibeacon接收到的信号来触发它们自己的推送通知。

表1.常见三种室内定位技术的比较

图1.iBeacon组件

表2.iBeacon的各种兼容设备

表1显示了iBeacon与另外两种室内定位技术的区别。与这两种技术相比，iBeacon具有成本低、定位准确、覆盖范围广、电池寿命长等优点，制造商可以根据iBeacon的规格设计自己的iBeacon设备。从理论上来讲，任何一个地功耗蓝牙开发板都可以处理iBeacon的工作。表2显示了iBeacon的各种兼容设备，其中几乎包含了市场上常见的主流手机，本文使用的是Byte real Technologies生产的iBeacon，如图1所示。它基于TI BLE SOC CC2541，能够满足基于iBeacon的室内定位系统的要求。

3.基于iBeacon的室内定位系统

3.1.系统架构

基于ibeacon的医院室内定位系统设计基于物联网的三层架构，如图2所示。

网络层：选用高性能路由器作为硬件承载，因为服务器与客户端（如手机、平板电脑）通过室内WIFI实现直接通信，3G,或4G。

感知层：首先配置iBeacon。然后，技术人员将iBeacon的ID及其所在区域放入数据库服务器，并将iBeacon设置在一定的位置。当用户进入这个位置时，iBeacon将自动将指定的信息发送给客户机，客户机将其转发给服务器。服务器根据预先配置的信息确定用户的位置，然后将处理后的信息发送回客户机 。

应用层：包括服务器和客户端。服务器负责处理信息，而客户机负责与用户交互。客户的设计应符合人性化的要求。

图2.系统组成

3.2.应用层的功能体系结构

如图3所示，应用程序层被划分为三个功能模块：信息推送模块、室内导航模块、数据（关于部门访客）采集模块。信息推送模块包括医院广播信息推送、科室介绍和动态推送。导航模块可细分为定位和位置标记。

图3.应用层的体系结构

3.2.1.信息推送

客户端信息推送服务是指将信息从服务器实时发送到定向手机。它与常见的轮询模块的区别主要体现在两个方面：长时间联网和实时交付。

信息推送是一种长时间的网络，信息传递到客户机的延迟为0.1-0.5秒，而轮询模式并不长，根据不同的轮询模式，消息延迟1-10分钟发送到客户端，甚至是1小时或一天。信息推送的过程如下：

第一步：客户端发送一个http长链接请求，然后等待服务器的响应。这个请求是异步的。

第二步：在服务器接收到请求后，它不会立即发送数据，而是保持这个链接。这个进程没有阻碍，所以服务器可以继续处理其他请求。

第三步：只有当服务器拥有新数据时，服务器才会主动通过之前建立的良好链接将这些数据推送到客户机。

第四步：客户端接收返回的数据，这些数据可以被处理，然后再次发出新的长链接请求。

当患者进入iBeacon信号覆盖的区域时，在打开设备的无线网络3G或4G的情况下，患者所携带设备的客户端将受到iBeacon的ID。客户端将接受到的ID提供给服务器，服务器将把接收到的ID与技术人员输入数据库的数据进行比较。如果存在，就会得到这个患者的位置。

当患者接近目标科室时，客户端将决定iBeacon模块与客户终端之间的距离。当该距离小于某一特定值时，客户端会主动请求服务器推送该部门的动态消息，包括该部门钱排队的人数和注册费。此外，客户端还可以推送关于科室的详细的范围介绍。患者可以通过客户端判断自己的病情是否属于科室范围。图4是信息推送流程图

图4.信息推送流程图

3.2.2.最短距离算法

用户的位置可以通过iBeacon的位置来反映。iBeacon的位置相对固定。因此，本文只需要计算两个iBeacon之间的最短路径，使用了最短距离算法Floyd。Floyd算法采用了动态规划的思想。它的核心思想是确定两个顶点i和j之间的最短路径，即所有的节点都作为中间点来寻找最小值。改进算法如下：

第一步：iBeacon的分布可以看作是无向图。从任意一个信标开始，如果它与另一个信标相邻，他们之间的权值为d,如果不相邻，权值为无穷大。

第二步：对于每一个iBeacon i到j，是否有一个iBeacon k使得i到k之间的距离小于已知的路线。如果有这样的k，更新公式1

当患者打开导航功能界面时，客户端将根据iBeacon发送的ID从服务器获取用户当前位置。获取用户位置信息后，将显示在平面图上。此外，患者可以根据自身的需要选择目标科室、药房和病房。找空床就是一个例子。在导航过程中，系统采用最短距离算法，根据患者当前的位置计算出离患者最近的空床，并在临床中指导患者快速到达目的地。推荐最近的床位的流程图如图5所示

图5.最近床位推荐流程图

4.一个实例

本地局域网有网络层使用无线路由器，电脑被用作应用程序层服务器，Xcode6.1.1作为客户的开发工具，搭载iOS8.0系统的iPhone5s被用来作为应用程序层的测试平台，和iBeacon由字节实际技术被用来作为传感层的设备为医院构建基于iBeacon的室内定位系统。实验结果如图6所示

图6.实验结果

图6的第一幅图是患者接近目标科室时在 客户端中显示的访客状态示意图。第二幅图是目标部门的详细情况。第三幅图是在客户端显示患者当前位置的地图。第四幅图是系统推荐给用户最近的空床。

5.结论

本文介绍了基于iBeacon的医院室内定位系统。首先，基于物联网的三层架构设计系统，使用最短距离算法Floyd向患者推荐最近的科室或单位。最后通过实验验证了该系统的可行性。像这样一个基于iBeacon的医院室内定位系统的研究具有重要的意义，它的应用可以为患者节省时间并且为医院节省人力物力。

确认

这项工作由河北北方大学（No.Q2014002，No.ZD201301，No.ZD201302，No.ZD201303，No.Q2014005，No.Q2014008）和河北省教育厅（No.QN2014182）共同完成。

参考文献

1. B. Michelberger, “iCare: Intelligent Medical Information Logistics”, Proceedings of International Conference on Information Integration and Web-based Applications amp; Services. ACM, (2013).

[2] H. Kopetz, “Internet of things”, Real-time systems, Springer US, (2011), pp. 307-323.

[3] R. Mautz, “Overview of current in

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