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 6 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。

上海理工大学硕士学位论文

但是基于非测距的算法目前还只是处于理论研究阶段，目前暂无条件应用到

实际应用中。基于测距的定位算法则需要测量节点间的距离或角度，使用三边测

量、三角测量、极大似然估计法或最小二乘法等算法计算出节点位置。本研究需

要利用 RSSI 值与距离之间的关系，因此本文讨论的定位方法属于基于测距的定位

方法[11,40]。

实际应用中通常使用的方法有：全球定位系统（Global Positioning System，

GPS）定位，红外线定位方式，射频定位方式，超声波定位方式，蓝牙定位方式，

RSSI 定位方式。

1. GPS 定位

GPS 定位是通过测量卫星到接收机的距离实现定位的，目前的手机定位功能

普遍采用 GPS 定位。使用 GPS 进行定位的优势在于导航信号免费，而且有效范围

大，但是由于从卫星传输信号到终端的距离过长，很容易被噪声干扰，从而造成

终端接收到的信号很弱，尤其是在室内定位时，还必须穿透墙壁等障碍，进一步

减弱其信号，使得很多情况下，GPS 定位的精度不尽如人意，此外对于 GPS 定位

来说，终端的成本往往较高。

2. 红外线定位

红外线定位技术的原理是使用光学传感器接收经过调制的红外线标识同时发

射红外线来实现定位。此定位技术在实际应用中有很大的局限性，因为它只能视

距传播，而且容易被干扰。因此，如果需要应用此技术进行定位，需要对它进一

步研究。

3. 射频识别定位

射频识别定位是使用射频技术，通过非接触式的中断进行双向的通信交换数

据以实现其定位的目的。在 1995 年，一家澳大利亚的名为芒特艾萨的矿业公司就

基于该技术研发出了在矿井下的定位系统，主要是通过工人的矿工帽上的终端与

矿井隧道中的天线进行通信，通过识别号来确定定位的相关情况。但是此系统只

能对一些关键地点进行监控，不能对人员的具体位置进行实时跟踪报告，而且射

频卡读写系统距离非常有限，此外，当多人同时通过监测点时，往往会出现漏读

的现象。

4. 超声波定位

超声波定位是成一种采用基于时间到达进行测距，然后选择合适的定位算法

确定所需求得距离的方法。使用超声波进行定位通常需要若干个参考节点和定位

节点，通过定位节点发射超声波信号至处于确定位置的参考节点，在参考节点接

收到信号后再发送信号会定位节点，测量出各传输过程所花费的时间，从而求得

第一章绪论

定位节点和参考节点之间的相对距离。超声波定位的有点在于系统结构较为简单，

同时定位精度较高，但是从前面的描述可以看到，此定位技术对硬件的要求较高，

所以成本往往不低，并且受多径效应和非视距传播影响也很大。

5. 蓝牙定位

使用蓝牙技术进行室内的定位是通过接收信号强度指示以确定相对距离，从

而确定位置信息。在实际应用中，通常是将一定数量的蓝牙设备安装到室内，并

加入蓝牙网络，同时把网络的链接模式设置为基于多用户且主设备为蓝牙局域网

的接入点，这样就可以确定所需要的定位节点的位置。但是，蓝牙技术是一种距

离较短的传输技术，所以其传播距离导致了其定位的范围较小[12]。

6. RSSI 定位

RSSI 定位是依据得出在已形成 ZigBee 网络的参考节点和定位节点的 RSSI 值，

在通过 RSSI 与距离的关系求出各个参考节点与定位节点之间的距离，在依据相应

的定位算法得出定位节点的位置。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。但是 RSSI 定位对环境的依赖

性很高，一旦环境改变，原先所建立的模型便不再适用。

1.3 本文主要研究工作

基于 ZigBee 无线网络的 RSSI 定位方法由于成本低，功耗低，无额外硬件，

因此本文使用的定位方式就是 RSSI 定位法。本文提出一种较为简单且鲁棒性较强，

能够减小环境变化对定位精度造成的影响，并将其移植到嵌入式设备上。具体的

工作如下：

（1）嵌入式 linux 平台的搭建，包括软件和硬件平台；

（2）ZigBee 无线网络的搭建与应用。本文使用的是 ZigBee2006 协议栈，即

将协调器程序，路由器程序，参考节点程序分别下载至 CC2430 中，让它们形成

ZigBee 无线网络，并能够相互通信，取出相对应的 RSSI 值；

（3）对 RSSI 定位算法进行研究并确定相应的定位算法，本文提出的算法是

通过 RSSI 模型求出节点间相对距离，再利用最小二乘-引力搜索算法进行优化；

（4）设计人机交互界面，利用 QT 软件进行人机交互界面的设计；

（5）进行仿真和实验。对文中的算法进行 matlab 仿真，进行实验进行验证，

并移植进入嵌入式 linux 平台[13-19]。

1.4 本文内容安排

通过对医院的条件进行研究，本文采用基于 RSSI 的无线网络定位的方法进行

位置信息的确定。本文的论文结构如下：

第一章主要介绍了论文的背景及意义，关于定位方法的国内外的发展现状与

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摘要：

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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