Радиочастотные технологии локального позиционирования в здравоохранении

Введение. Определение местоположения объектов в закрытом помещении играет большую роль во многих сферах деятельности человека, в том числе и в медицине. Использование технологий локального позиционирования в составе телемедицинских систем позволяет повысить качество оказания медицинской помощи и снизить смертность пациентов, что способствует достижению целей, обозначенных в государственной программе Российской Федерации "Развитие здравоохранения".
Цель работы. Анализ применимости современных радиочастотных технологий для определения местоположения пациента в здании стационара.
Материалы и методы. В ходе выполнения данной работы анализируются научные источники, посвященные локальному позиционированию на базе радиочастотных технологий. Используемые методы включают в себя:
– библиографический поиск;
– отбор и проверку источников с учетом их актуальности, соответствия тематике и авторитетности;
– анализ источников с использованием методов деконструкции и сравнительного анализа.
Результаты. Результат анализа показывает, что радиочастотные технологии позиционирования позволяют определять местоположение объектов, используя свойства радиоволн. Основной недостаток данной технологии заключается в том, что из-за проникновения радиосигналов сквозь стены и перекрытия приходится использовать сложные вычислительные алгоритмы для обнаружения объекта с точностью до конкретного помещения. Несмотря на данный недостаток, радиочастотные технологии могут применяться для позиционирования в медицинских учреждениях, так как они просты в развертывании и обслуживании и используются в готовых коммерческих решениях. Исключением является технология ZigBee, так как она не позволяет отслеживать подвижные объекты в режиме реального времени.
Заключение. На основе проведенного исследования сделан вывод о том, что технология BLE является наиболее подходящей для позиционирования в медицинских учреждениях, так как она обладает низким энергопотреблением, достаточно высокой скоростью передачи данных, хорошим радиусом связи и большим выбором готового коммуникационного оборудования. Также стоит отметить, что большинство беспроводных медицинских датчиков осуществляют обмен данными через интерфейс BLE.

1. Вахрушева А. А. Технологии позиционирования в режиме реального времени // Вестн. СГУГиТ. 2017. Т. 22, № 1. С. 170–177.

2. Смольков М. С., Сухобок Ю. А. Анализ современных технологий построения систем indoor-навигации // Науч.-техн. и эконом. сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2019. Т. 2. С. 88-92.

3. Mier J., Jaramillo-Alcázar A., Freire J. J. At a glance: indoor positioning systems technologies and their applications areas // Proc. of Intern. Conf. on Information Technology & Systems. Quito, Ecuador, 6–8 Febr. 2019. Cham: Springer, 2019. P. 483–493. doi: 10.1007/978-3-030-11890-7_47

4. Evolution of Indoor Positioning Technologies: A Survey / R. F. Brena, J. P. García-Vázquez, C. E. Galván-Tejada, D. Muñoz-Rodriguez, C. Vargas-Rosales, J. Fangmeyer // J. of Sensors. Vol. 2017. Art. ID 2630413. 21 p. doi: 10.1155/2017/2630413

5. Касаткина Т. И., Чепелев М. Ю., Голев И. М. Анализ существующих технологий навигации внутри помещения // Актуальные проблемы деятельности подразделений УИС: сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф. Воронеж, 25 окт. 2018 г. Воронеж: ИПЦ "Научная книга", 2018. С. 211-213.

6. Davidson P., Piché R. A Survey of Selected Indoor Positioning Methods for Smartphones // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2017. Vol. 19, № 2. P. 1347-1370. doi: 10.1109/comst.2016.2637663

7. Богуренко П. А., Бурлаков М. Е. Обзор методов локального позиционирования объектов в Wi-Fi-сетях // Вестн. Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2017. № 23. С. 146-158.

8. An improved WiFi indoor positioning algorithm by weighted fusion / R. Ma, Q. Guo, Ch. Hu, J. Xue // Sensors. 2015. Vol. 15, № 9. P. 21824-21843. doi: 10.3390/s150921824

9. Satan A., Toth Z. Development of Bluetooth based indoor Positioning Application // 2018 IEEE Intern. Conf. on Future IoT Technologies (Future IoT). Eger, Hungary, 18–19 Jan. 2018. Piscataway: IEEE, 2018. Art. 17668245 (1-6). doi: 10.1109/FIOT.2018.8325586

10. A Survey on Fusion-based Indoor Positioning / X. Guo, N. Ansari, F. Hu, Y. Shao, N. R. Elikplim, L. Li // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019. Vol. 22, № 1. P. 566–594. doi: 10.1109/COMST.2019.2951036

11. Петрова О. А., Табунщик Г. В., Мероде Д. В. Метод определения текущего расположения в системах позиционирования и навигации внутри помещения // Електротехнічні та комп’ютерні системи. 2017. № 25. С. 270–278.

12. Бодрова А. А. Радиолокационные методы локального позиционирования // Аллея науки. 2017. Т. 4, № 9. С. 843-846.

13. Gao S., Prasad S. Employing Spatial Analysis in Indoor Positioning and Tracking Using Wi-Fi Access Points // Proc. of the Eighth ACM SIGSPATIAL Intern. Workshop on Indoor Spatial Awareness. Burlingame, California, 2016. P. 27-34. doi: 10.1145/3005422.3005425

14. Indoor Positioning in Wi-Fi and NanoLOC Networks / M. Sivers, G. Fokin, P. Dmitriev, A. Kireev, D. Volgushev, A. A. H. Ali // Internet of Things, Smart Spaces, and Next Generation Networks and Systems. Russia, St Petersburg, Sept. 26–28, 2016. Cham: Springer, 2016. P. 465-476. doi: 10.1007/978-3-319-46301-8_39

15. Малодушев С. В., Рогов А. А. Определение локации в корпоративных Wi-Fi сетях // Вестн. Южно-Уральского гос. ун-та. Сер.: Математическое моделирование и программирование. 2016. Т. 9, № 1. С. 92-104. doi: 10.14529/mmp160107

16. Ремпель П. В., Борисов А. П. Разработка системы позиционирования на основе беспроводной сети Wi-Fi // XIV Междунар. науч.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», Томск, 28–30 нояб. 2018 г. Томск: Изд-во ФГБОУ ВО ТУСУР, 2018. № 1-2. С. 41-43.

17. Radaelli L., Moses Y., Jensen C. S. Using Cameras to Improve Wi-Fi Based Indoor Positioning // 2014 Intern. Symp. on Web And Wireless Geographical Information Systems. Berlin, Seoul, South Korea, May 29–30, 2014. Heidelberg: Springer, 2014. P. 166-183. doi: 10.1007/978-3-642-55334-9_11

18. Кабанов А. А. Система локального позиционирования внутри помещения // Междунар. науч.-практ. конф. "Наука сегодня: глобальные вызовы и механизмы развития", Вологда, 26 апр. 2017 г. В 2 т. Вологда: ООО «Маркер», 2017. Т. 1. С. 16.

19. Indoor Positioning of Shoppers using a Network of Bluetooth Low Energy beacons / P. Dickinson, G. Cielniak, O. Szymanezyk, M. Mannion // 2016 Intern. Conf. on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN). Alcala de Henares, Spain, 4–7 Oct. 2016. Piscataway: IEEE, 2016. 8 p. doi: 10.1109/IPIN.2016.7743684

20. A Bluetooth Low Energy Indoor Positioning System with Channel Diversity, Weighted Trilateration and Kalman Filtering / V. C. Paterna, A. C. Augé, J. P. Aspas, M. P. Bullones // Sensors. 2017. Vol. 17, № 12. P. 2927. doi: 10.3390/s17122927

21. Contreras D., Castro M., de la Torre D. S. Performance Evaluation of Bluetooth Low Energy in Indoor Positioning Systems // Trans. on Emerging Telecommunications Technologies. 2017. Vol. 28, № 1. Art. e2864. doi: 10.1002/ett.2864

22. Bluetooth indoor positioning based on RSSI and Kalman filter / C. Zhou, J. Yuan, H. Liu, J. Qiu // Wireless Personal Communications. 2017. Vol. 96, № 3. P. 4115-4130. doi: 10.1007/s11277-017-4371-4

23. BLEMAT: Data Analytics and Machine Learning for Smart Building Occupancy Detection and Prediction / S. Pešic, T. Milenko, O. Iković, M. Radovanovic, M. Ivanovic, D. Boscovic // Intern. J. on Artificial Intelligence Tools. 2019. Vol. 28, № 06. P. 1960005. doi: 10.1142/S0218213019600054

24. Возможности позиционирования внутри помещений с помощью Bluetooth устройств / В. М. Гриняк, А. С. Девятисильный, В. И. Люлько, П. А. Цыбанов // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2018. Т. 6, № 2. С. 132-143.

25. Study on the Application of Indioor Positionng based on Low Power Bluetooth Device Combined with Kalman Filter and Machine Learning / J.-Y. Hsieh, Ch.-H. Fan, J.-Z. Liao, J.-Y. Hsu and H. Chen // EasyChair. 2019. № 1198.

26. Astafiev A. V., Zhiznyakov A. L., Privezentsev D. G. Development of Indoor Positioning Algorithm Based on Bluetooth Low Energy beacons for Building RTLS-Systems // 2019 Intern. Russian Automation Conf. (RusAutoCon). Sochi, Russia, 8–14 Sept. 2019. Piscataway: IEEE, 2019. Art. 19060983(1-5). doi: 10.1109/RUSAUTOCON.2019.8867751

27. Каликулина З. В. Система локального позиционирования с использованием стандартов bluetooth // Современные проблемы научной деятельности. Перспективы внедрения инновационных решений: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. Челябинск, 10 июня 2019 г. Уфа: ООО "Аэтерна", 2019. С. 31-34.

28. Indoor Positioning System using Magnetic Positioning and BLE beacons / M. V. Bramhe, J. Gan, N. Ghodpage, A. Nawale, G. Bahe // Int. Res. J. Eng. Technol. 2017. Vol. 4, № 3. P. 1031-1036.

29. Гриняк В. М., Гриняк Т. М., Цыбанов П. А. Позиционирование внутри помещений с помощью Bluetooth-устройств // Территория новых возможностей. Вестн. Владивостокского гос. ун-та экономики и сервиса. 2018. № 2 (41). C. 137-147 doi: 10.24866/VVSU/2073-3984/2018-2/137-147

30. Кошелев Б. В., Карагин Н. А. О возможности использования смартфонов для навигации внутри помещений // Изв. Тульского гос. ун-та. Технические науки. 2017. № 9-2. C. 131-140.

31. LANDMARC: Indoor Location Sensing using Active RFID / L. M. Ni, Y. Liu, Y. C. Lau, A. P. Patil // Proc. of the First IEEE Intern. Conf. on Pervasive Computing and Communications. (PerCom 2003) Fort Worth, USA, 26 March, 2003. Piscataway: IEEE, 2003. P. 407-415. doi: 10.1109/percom.2003.1192765

32. Analysis of Indoor Positioning Approaches based on Active RFID / F.-j. Zhu, Z.-h. Wei, B.-j. Hu, J.-g. Chen, Z. Guo // 2009 5th Intern. Conf. on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing. Beijing, China, 24–26 Sept. 2009. Piscataway: IEEE, 2009. Art. 10952565(1-4). doi: 10.1109/WICOM.2009.5302555

33. Yao C. Y., Hsia W. C. An Indoor Positioning System based on the Dual-Channel Passive RFID Technology // IEEE Sensors J. 2018. Vol. 18, № 11. P. 4654-4663. doi: 10.1109/jsen.2018.2828044

34. Wang C. S., Cheng L. C. RFID & Vision based Indoor Positioning and Identification System // 2011 IEEE 3rd Intern. Conf. on Communication Software and Networks. Xi'an, China, 27–29 May 2011. Piscataway: IEEE, 2011. P. 506–510. doi: 10.1109/ICCSN.2011.6014945

35. PSOTrack: A RFID-Based System for Random Moving Objects Tracking in Unconstrained Indoor Environment / J. Li, G. Feng, W. Wei, Ch. Luo, L. Cheng, H. Wang, H. Song, Zh. Ming // IEEE Internet of Things J. 2018. Vol. 5, № 6. P. 4632-4641. doi: 10.1109/JIOT.2018.2795893

36. Enhancing WSN-Based Indoor Positioning and Tracking through RFID Technology / Z. Xiong, Z. Y. Song, A. Scalera, F. Sottile, R. Tomasi, M. A. Spirito // 2012 Fourth Intern. EURASIP Workshop on RFID Technology. Torino, Italy, 27–28 Sept. 2012. Piscataway: IEEE, 2012. P. 107-114. doi: 10.1109/RFID.2012.26

37. Han Q., Jiao H. Application Research of Wireless Location Technology Based on ZigBee // 2017 International Conf. on Computer Technology, Electronics and Communication (ICCTEC). IEEE, 2017. P. 1270-1273. doi: 10.1109/ICCTEC.2017.00277

38. Окань С. В. Разработка локальной системы позиционирования с использованием модулей XBee Series 2 // Проблемы и перспективы развития экспериментальной науки: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. "Проблемы и перспективы развития экспериментальной науки". Тюмень, 26 дек. 2018 г. В 5 ч. Уфа: ООО "ОМЕГА САЙНС". Ч. 3. С. 160-162.

39. Research on Positioning System based on Zigbee Communication / D. Yan, B. Kang, H. Zhong, R. Wang // 2018 IEEE 3rd Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conf. (IAEAC). Chongqing, China, 12–14 Oct. 2018. Piscataway: IEEE, 2018. P. 1027–1030. doi: 10.1109/iaeac.2018.8577263

40. Dong Z., Mengjiao C., Wenjuan L. Implementation of indoor Fingerprint Positioning Based on ZigBee // 2017 29th Chinese Control And Decision Conf. (CCDC). Chongqing, China, 28–30 May 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 2654-2659. doi: 10.1109/CCDC.2017.7978963

41. Han C., Zhongtao W., Longxu W. Indoor Positioning System Based on Zigbee and Inertial System // 2018 5th Intern. Conf. on Dependable Systems and Their Applications (DSA). Dalian, China, 22–23 Sept. 2018. Piscataway: IEEE, 2018. P. 80-85. doi: 10.1109/DSA.2018.00023

42. Advanced Indoor Positioning Using Zigbee Wireless Technology / M. Uradzinski, H. Guo, X. Liu, M. Yu // Wireless Personal Communications. 2017. Vol. 97, № 4. P. 6509-6518. doi: 10.1007/s11277-017-4852-5

43. Multi-cell Based UWB Indoor Positioning System / J. M. Hong, S. H. Kim, K. J. Kim, C. G. Kim // 11th Asian Conf. on Intelligent Information and Database Systems. Yogyakarta, Indonesia, Apr. 8–11, 2019. Cham: Springer, ACIIDS 2019. P. 543-554. doi: 10.1007/978-3-030-14802-7_47

44. A Study of Indoor Positioning based on UWB BaseStation Configurations / A. Ren, F. Zhou, A. Rahman, X. Wang, N. Zhao, X. Yang // 2017 IEEE 2nd Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conf. (IAEAC). Chongqing, China, 25–26 March 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 1939-1943. doi: 10.1109/IAEAC.2017.8054352

45. Using DecaWave UWB Transceivers for High-Accuracy Multipath-Assisted Indoor Positioning / J. Kulmer, S. Hinteregger, B. Großwindhager, M. Rath, M. S. Bakr, E. Leitinger, K. Witrisal // 2017 IEEE Intern. Conf. on Communications Workshops (ICC Workshops). Paris, France, 21–25 May 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 1239-1245. doi: 10.1109/ICCW.2017.7962828

46. Shi G., Ming Y. Survey of Indoor Positioning Systems Based on Ultra-Wideband (UWB) Technology // Wireless Communications, Networking and Applications. New Delhi: Springer, 2016. P. 1269-1278. doi: 10.1007/978-81-322-2580-5_115

47. Gang H. S., Park J. B., Pyun J. Y. Real-Time Indoor Positioning System Based on Background Training Model Using IR-UWB Radar // Intern. Conf. on Communicatins and Networking in China. Cham: Springer, 2017. Vol. 236. P. 361-371. doi: 10.1007/978-3-319-78130-3_37

48. Ultra wideband indoor positioning technologies: Analysis and recent advances / A. Alarifi, A. M. Al-Salman, M. Alsaleh, A. Alnafessah, S. Al-Hadhrami, M. Al-Ammar, Hend Al-Khalifa //Sensors. 2016. Vol. 16, № 5. Art. 707. doi: 10.3390/s16050707

49. Mazhar F., Khan M. G., Sällberg B. Precise Indoor Positioning Using UWB: a Review of Methods, Algorithms and Implementations // Wireless Personal Communications. 2017. Vol. 97, № 3. P. 4467-4491. doi: 10.1007/s11277-017-4734-x

50. Wideband signal based near-field electromagnetic ranging for indoor localizatio / P. Wang, Z. Liu, X. Zhang, L. Xu, J. He, Y. Wan // 2018 Intern. Conf. on Advanced Control, Automation and Artificial Intelligence (ACAAI 2018). Shenzhen, China, 21–22 Jan. 2018. Paris: Atlantis Press, 2018. doi: 10.2991/acaai-18.2018.57