RSSI无线网络定位系统在医院中的应用

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 10.62MB 74 页 15积分

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摘要

随着社会的发展，确定位置信息显得越来越重要，一些产品诸如手机、平板

电脑、汽车等，早已具备了定位的功能。定位技术在医院同样可以得到较为广泛

的应用，如医护人员的调度、监控医院的特殊地点、监控特殊的病人和寻找特殊

医疗设备等。基于 ZigBee 无线网络的接收的信号强度指示（Received Signal Strength

Indication，RSSI）测距法由于其低成本，低功耗，无额外硬件，将其应用于医院

定位是一种较为良好的选择。对于定位问题来说，提出一种定位精度高，实时性

强，受环境影响小的算法，无疑具有重要的意义。

针对上述问题，本文提出一种将引力搜索算法引入 RSSI 定位的算法，引力搜

索算法对最优结果的搜索能力较强，速度较快，比较适合加入定位算法中。该算

法将所需求解的定位节点坐标和定位模型的参数当成是需要训练的出来的粒子的

位置，先使用最小二乘法计算出估计结果，再依据此结果划定出粒子的训练范围，

以随机产生一定数量的粒子，求解出当前时刻各个粒子的作用力、惯性质量、引

力常数、加速度和速度等，确定下一时刻的粒子的位置，迭代一定次数后，选取

最优的粒子作为解。实验结果表明，使用这种算法，不仅使定位结果的精度得以

提高，而且使定位模型的参数得以动态的随环境变化，从而提高了系统对环境的

适应能力。

嵌入式设备具有携带方便，实时性较强的优点，将 RSSI 定位系统移植到嵌入

式平台上，将会大大增强其实用性。本文介绍了嵌入式系统移植的方法，包括对

u-boot 的移植、对 Linux 内核的编译和使用 QT 软件。本文描述了将设计的 RSSI

定位系统的应用程序移植到 mini2440 开发板上的过程，此应用程序使开发板可以

通过接收网关节点从串口传递进来的参考节点的位置信息和参考节点接收到定位

节点广播的 RSSI 值，通过使用本文提出的算法求解出了最终的定位节点的位置，

并求出了实时的定位模型参数。此外，应用程序通过绘图的方式将定位节点和参

考节点的相对位置显示出来。还通过在医院的实验结果说明了上述系统移植的有

效性，实验中不仅得出了定位节点坐标的最终结果，而且也得到了定位模型的参

数优化结果，实验的结果表明，设计的 RSSI 定位系统总体误差较小，得到的参数

反映了环境的变化，取得了预期的效果。

关键词：定位引力搜索算法嵌入式系统医院

ABSTRACT

With the development of the society, it is become more and more important to

determine the location information, some products, such as mobile phones, tablet

devices, automobiles and so on, have already had the function of positioning.

Positioning technology can also be used for hospitals widely, such as assigning staffs,

monitoring special fields in the hospital and looking for specialmedical equipment, etc.

It is a very good choice to use Received Signal Strength Indication (RSSI) ranging

method based on ZigBee wireless network for hospital localization because of its low

cost, low power consumption and no additional hardware. For localization problem,

undoubtedly, it has important significance to put forward a kind of algorithm that has

high positioning accuracy, strong real-time performance and is slightly affected by the

environment.

According to the above problem, This paper proposes an algorithm that take an

algorithm called Gravitational Search Algorithm into RSSI localization, The search

ability of the algorithm is strong and fast for optimal results, so it is more suited to be

used for localization. The algorithm take the coordinates of the blind nodes and the

parameters of the localization model as the location of the particles that is needed to

train, using the least squares method to calculate the estimated results first, then

determinating the training scope according to the results to produce a certain number of

particles in a random, and then solving the each particle ’s force, inertial mass,

gravitational constant, acceleration and speed, etc in current moment, next step is

determine the particle's position of the next moment, iteration after a certain number of

times, choosing the optimal particle as a solution. Test results show that Using this

algorithm, can not only improve the positioning accuracy of the results, but also let

the parameters of the positioning model to change with the environment dynamically so

that the he system's ability to adapt to the environment is to be improved.

Embedded devices are easy to carry and have strong real-time performance, if the

RSSI positioning system is transplanted into the embedded platform, its practicability

will be greatly enhanced. The article has introduced the method of embedded system

transplantation, including the transplantation of u-boot, Compiling Linux kernel and the

use of QT software. This article describes the process of transplanted the application

software that is designed for RSSI localization system into mini2440 development

board, the application software can make development board received the location

information of the reference nodes and the broadcasting RSSI values that the reference

nodes received from blind nodes from the serial port that is passed by gateway nodes,

by using the algorithm proposed in this paper to solve the final position of the blind

nodes and the real-time results of the localization model parameters. In addition, the

application displays the relative position of the blind node and the reference nodes. The

article also shows the effectiveness of the system by the experimental results in the

hospital, not only the coordinates of the blind node has been obtained, but also the

optimization results of the localization model parameters were obtained by the

experiment, the experimental results show that the design of the RSSI localization

system ’s error is small, the obtained parameters can reflect the changes in the

environment, so the expected results have been achieved.

Key Word:localization, gravitational search algorithm, embedded

system, hospital

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论..................................................................................................................... 1

1.1 课题研究的背景及意义....................................................................................... 1

1.2 国内外发展现状与动态....................................................................................... 1

1.3 本文主要研究工作............................................................................................... 3

1.4 本文内容安排....................................................................................................... 3

第二章基于嵌入式的定位系统平台架构..................................................................... 5

2.1 系统的整体结构................................................................................................... 5

2.2 嵌入式硬件平台架构........................................................................................... 5

2.3 嵌入式软件环境搭建......................................................................................... 7

2.3.1 u-boot 移植.................................................................................................. 7

2.3.2 Linux 系统介绍与移植.............................................................................. 10

2.3.3 根文件系统................................................................................................. 16

2.3.4 QT 移植........................................................................................................ 16

第三章 RSSI 算法的研究.............................................................................................. 20

3.1 RSSI 定位算法模型的构建.............................................................................. 20

3.1.1 基于测距的定位算法.................................................................................. 20

3.1.2 RSSI 的定位模型........................................................................................ 21

3.2 最小二乘法在 RSSI 定位中的应用................................................................. 22

3.2.1 最小二乘法的基本原理............................................................................. 22

3.2.2 最小二乘法在定位模型的使用................................................................. 23

3.3 引力搜索算法对 RSSI 模型结果的优化......................................................... 25

3.4 算法的仿真和实验........................................................................................... 27

3.4.1 实验准备和数据预处理............................................................................. 27

3.4.2 Matlab 的仿真结果.................................................................................... 27

3.4.3 实际测试结果............................................................................................. 31

第四章 ZigBee 技术的介绍及应用.............................................................................. 33

4.1 ZigBee 技术概述.............................................................................................. 33

4.2 ZigBee 协议栈的结构...................................................................................... 34

4.2.1 ZigBee 的分层............................................................................................ 34

4.2.2 ZigBee 的网络结构.................................................................................... 35

4.3 ZigBee 无线网络的通信原理.......................................................................... 37

4.3.1 协议栈的绑定方式..................................................................................... 37

4.3.2 ZigBee 网络的建立.................................................................................... 39

4.3.3 ZigBee 网络数据的发送和接收................................................................ 41

4.4 ZigBee 协议栈的应用...................................................................................... 42

4.4.1 ZigBee 技术应用的开发环境.................................................................... 42

4.4.2 ZigBee 的 OSAL 任务.................................................................................. 44

第五章 RSSI 无线网络定位系统的设计...................................................................... 46

5.1 RSSI 定位系统的架构...................................................................................... 46

5.2 节点的软件程序设计....................................................................................... 46

5.3 基于 mini2440 开发板的 RSSI 定位系统应用程序设计............................... 49

5.4 在 mini2440 中运行 RSSI 定位系统............................................................... 56

5.4.1 u-boot 参数的配置.................................................................................... 57

5.4.2 下载内核镜像............................................................................................. 57

5.4.3 应用程序的启动......................................................................................... 58

5.5 嵌入式 RSSI 定位系统在医院中的应用......................................................... 61

5.5.1 RSSI 定位系统在医院的应用范围............................................................ 61

5.5.2 在医院的应用实验..................................................................................... 62

第六章总结与展望....................................................................................................... 65

6.1 本文总结........................................................................................................... 65

6.2 本文展望........................................................................................................... 65

参考文献......................................................................................................................... 67

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果............................................. 70

致谢................................................................................................................................. 71

第一章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

当今社会，对确定位置信息的要求越来越高，一些产品诸如手机、汽车等，

早已具备了定位的功能[1]。对于医院来说，定位同样是一件值得研究的事。它作为

一个流动的环境，医务人员、病人、设备等等常常需要确定具体的位置，如果可

以快速确定位置，可能节省大量的时间，对于医院来说，更为充足的时间，将可

能救治更多的病患[2]。而在人员跟踪、区域检测等领域，基于 ZigBee 无线网络的

RSSI 测距法由于其低成本，低功耗，无额外硬件，得到了广泛的应用，能够较好

的确定位置信息[3-5]。

Zigbee 是一种基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗个域网协议。它的名称来源于

蜜蜂的八字舞，因为蜜蜂(bee)是通过“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”向同伴

传递花粉的具体方位，可以看成是蜜蜂使用此种方式组成了一种通信的网络。由

于ZigBee 具有低功耗、低成本、低复杂度等优势，被广泛应用于工业控制和远程

控制等领域，尤其是嵌入式设备，很多应用了 ZigBee 技术。

ZigBee 通常可以工作在三个频段，分别是 915MHz、868MHz 和2.4GHz，传

输速率分别是 40kbit/s、20kbit/s 以及 250kbit/s，通常的传输距离是从 10m 到75m

之间，还可以进行扩展。

随着物联网技术的发展，ZigBee 技术被越来越多的人所使用。在一些需要定

位的领域，已经实现了应用，如在矿井、地铁等地区的施工和考勤中，在一些疗

养院或老年公寓中对老人进行定位。在这些定位的应用过程中，ZigBee 技术体现

了其定位准确、漏读现象少、方便简单和可靠性高等优点。

从相关的一些数据可以知道，物联网的市场规模每年都在不断增长，而且工

业与信息化部已经投入了专项的资金促进国内物联网技术的发展，国内一些城市

也将智慧城市等概念引入，大力推进智慧城市的建设。据专业人士介绍，物联网

市场未来还将扩大，甚至产业规模可能超越互联网，如此，ZigBee 技术将会有更

为广泛的应用[6-8]。

1.2 国内外发展现状与动态

目前，国内外都在积极研究开发新的室内无线定位技术、更为优秀的定位算

法。室内无线定位技术已经应用到许多领域，比如，消费电子与自动读表、智能

公交、煤矿井下人员定位、与医疗监护等领域。尤其是煤矿井下人员定位等的工

业监控领域更是成为了近些年的研究热点[9-10]。

定位算法从定位手段上分为基于测距算法和基于非测距算法。基于非测距的

定位算法不需要距离或角度的信息，而是根据网络连通性等信息来实现节点定位。

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摘要随着社会的发展，确定位置信息显得越来越重要，一些产品诸如手机、平板电脑、汽车等，早已具备了定位的功能。定位技术在医院同样可以得到较为广泛的应用，如医护人员的调度、监控医院的特殊地点、监控特殊的病人和寻找特殊医疗设备等。基于ZigBee无线网络的接收的信号强度指示（ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI）测距法由于其低成本，低功耗，无额外硬件，将其应用于医院定位是一种较为良好的选择。对于定位问题来说，提出一种定位精度高，实时性强，受环境影响小的算法，无疑具有重要的意义。针对上述问题，本文提出一种将引力搜索算法引入RSSI定位的算法，引力搜索算法对最优结果的...

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