医院智能空间网络搭建及其定位系统设计与应用

摘要

随着社会发展与科技进步的需要，服务机器人的应用研究日益受到人们的重视。智能空间是一个复杂的系统，它集信息化、智能化、理解和决策控制为一体。服务机器人智能空间将智能空间与服务机器人技术相结合，不仅扩展了服务机器人对环境的感知和控制决策能力，也丰富了智能空间的信息感知和服务执行功能。
　　 本文课题来源于国家“863”计划项目“面向住院病人巡护的智能空间技术及机器人巡视系统”，该项目以医院住院病区巡护为背景，建立基于智能空间技术的机器人住院病区巡护系统。通信网络是医院智能空间的重要组成部分，是病房巡视机器人与医院智能空间中各种数据信息和控制指令进行交互的桥梁与纽带。移动目标的定位技术不仅为巡视机器人路径规划、任务执行等提供位置信息，而且可以为医院智能空间决策层任务调度与管理提供参考信息。论文围绕医院智能空间中的异构网络搭建与定位问题展开如下研究工作:
　　 首先，针对医院智能空间网络搭建问题，论文提出了一种异构网络模型，根据不同的通信任务需求分别对基于Wi-Fi技术的无线局域网络与基于ZigBee技术的无线传感执行网络进行设计。通过对无线网络设备选型与分析，提出了医院环境下WLAN设计方案，并介绍了方案的具体实施。分析了ZigBee节点类型与组网方式，提出了无线传感执行网络结构设计方案，设计了节点通信模块与串口通信底板。论文中对搭建的异构网络通信性能进行测试，并结合人的行为理解实验案例进行分析。
　　 其次，论文基于搭建的医院智能空间异构网络中ZigBee网络，分析了RSSI测距原理、多边定位原理与基于CC2431的ZigBee定位系统工作原理，介绍了基于Z-Stack协议栈的定位系统命令簇与信息格式，对ZigBee定位系统的下位机软件进行设计，并设计了基于ZigBee定位系统的上位机监控软件，通过实验对设计的定位系统定位精度与可行性进行验证。
　　 最后，论文基于搭建的医院智能空间异构网络中的WLAN网络，分析了GPS定位系统工作原理与NMEA-0183通信协议，通过对GPS设备选型、数据链模块选择、坐标系转换等提出DGPS定位方案并进行具体实施。采用卡尔曼滤波算法对移动目标位置进行估计，提高定位精度。最后设计了医院智能空间DGPS上位机定位监控软件，并对室外病人进行定位实验与分析。大量实验表明所搭建的医院智能空间异构网络及其定位系统完全可以满足项目指标要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的来源及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 智能空间网络搭建

1．2．2 智能空间定位技术

1．3 本文主要研究内容

1．3．1 医院智能空间异构网络的结构设计与实现

1．3．2 基于异构网络的ZigBee定位系统设计与实现

1．3．3 基于异构网络的DGPS定位系统设计与实现

1．4 论文的章节安排

第二章 医院智能空间异构网络的结构设计与实现

2．1 医院智能空间异构网络模型的建立

2．2 基于Wi-Fi的无线局域网络搭建

2．2．1 无线网络设备选型

2．2．2 医院环境下WLAN设计方案

2．2．3 医院环境下WLAN的具体实施

2．3 基于ZigBee的无线传感执行网络搭建

2．3．1 ZigBee网络结构设计

2．3．2 ZigBee节点硬件设计

2．3．3 串口通信底板设计

2．4 异构网络通信性能测试实验

2．4．1 无线局域网络通信性能测试

2．4．2 ZigBee网络通信性能测试

2．5 异构网络实验案例分析

2．6 本章小结

第三章 基于异构网络的ZigBee定位系统设计与实现

3．1 ZigBee定位系统工作原理

3．1．1 RSSI测距原理

3．1．2 多边定位原理

3．1．3 CC2431定位基本原理

3．2 ZigBee定位系统参数配置

3．3 基于Z-Stack的定位系统命令簇与信息格式

3．3．1 ZigBee定位系统的命令簇

3．3．2 命令簇信息格式

3．4 ZigBee定位系统下位机软件设计

3．4．1 ZigBee网关程序设计

3．4．2 参考节点程序设计

3．4．3 盲节点程序设计

3．5 ZigBee定位系统上位机监控软件设计

3．6 实验与分析

3．7 本章小结

第四章 基于异构网络的DGPS定位系统设计与实现

4．1 GPS工作原理与通讯协议

4．1．1 全球定位系统

4．1．2 NMEA-0183协议

4．1．3 DGPS定位系统工作原理

4．2 定位系统设备选型与坐标系转换

4．2．1 DGPS设备选型

4．2．2 DGPS数据链路选择

4．2．3 定位坐标系选择与转换

4．3 DGPS具体实施方案

4．3．1 DGPS系统搭建

4．3．2 BESTXYZA定位信息提取

4．3．3 Kalman滤波轨迹跟踪算法

4．4 DGPS上位机监控平台软件设计

4．4．1 监控平台模块架构分析

4．4．2 基于套接字的网络通讯编程

4．4．3 GPS数据处理编程实现

4．4．4 GPS上位机监控软件界面

4．5 实验与分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文主要研究结果

5．2 进一步研究方向

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文和科研成果

硕士期间参加的科研工作

学位论文评阅及答辩情况表