无线传感网的患者跟踪定位系统设计
摘 要随着WSN技术的发展和广泛应用，智慧医疗已走入寻常百姓家。基于WSN（Wirless Sensor Network）的智慧医疗系统，将人体的各项生理参数以及位置信息等重要信息进行采集，作为衡量人体健康的重要生理参数，进行汇总和处理。基于无线传感网络的病人定位系统，便于医生，护士站实时锁定其坐标，减少例如老年痴呆，精神方面疾病患者和易患突发性疾病的病患的走失率，已成为智慧医疗系统的重要一环。本文主要进行了基于无线传感网络的病人定位系统的设计。首先分析了系统的工作环境，基于已有资料，基本确定了采用DV-HOP算法。根据其原理进行DV-HOP算法的误差分析，在原算法上，做出了针对锚节点拓扑，测距误差等对定位精度有影响的因素进行有针对性的改进，仿真结果并不能达到系统设计要求，分析可知测距误差带仍为主要的误差来源。进行资料的查阅后，在原改进算法上加入了TDOA算法，并建立以六边形为子网的群簇，每一个子网采用星形结构的传感器网络，并在算法中加入跳数选择，锚节点的筛选，加权计算等模块，并进行一系列的仿真实验，仿真结果由基础的DV-HOP算法的6.2m，到改进后的3.7m，到基于TDOA测距的DV-HOP改进算法的1.2m，逐步减小定位误差，满足了定位要求。在设计过程中，重点研究了DV-HOP算法原理，误差来源，改进方法，以及TDOA算法。 本文主要采用MATLAB进行仿真实验，进行了DV-HOP基础算法，DV-HOP改进算法的实现，在进行仿真试验后，改进了筛选条件。随后加入TDOA算法，仿真结果满足病人定位系统的设计要求。摘要 4
目 录
Abstract 5
目 录 7
第1章 绪论 9
1.1课题研究目的与意义 9
1.1.1 课题研究背景与意义 9
1.1.2 课题描述 10
1.2 课题相关研究现状 11
1.2.1 无线传感器网络的研究成果 11
1.2.2 基于无线传感网络的定位算法 11
1.3 本文相关术语 12
1.4本文研究内容及章节安排 13
第2章 DVHop算法 15<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
br /> 2.1 距离无关的定位算法 15
2.1.1 质心算法 15
2.1.2 DVHOP算法 15
2.1.3 APIT算法 16
2.2 距离相关的定位算法 16
2.2.1信号到达角度 17
2.2.2信号到达时间 17
2.2.3信号到达时间差 17
2.2.4信号到达强度 18
2.3算法选择 18
2.4 DVHOP算法 19
2.4.1 DVHop算法原理 19
2.4.2 DVHop算法举例说明 21
2.5 DVHop算法仿真及结果分析 22
2.5.1 DVHop仿真条件 22
2.5.2 DVHop仿真结果 22
2.5.3 DVHop仿真结果分析 22
第3章 基于DVHop的算法改进 23
3.1 DVHOP算法误差分析 23
3.2 基于DVHOP的改进算法 25
3.2.1总体思想 25
3.2.2锚节点拓扑 25
3.2.3降低测距误差 27
3.3 DVHop改进算法仿真 28
3.3.1仿真参数 28
3.3.2仿真示意图 28
3.3.3仿真结果及分析 29
3.3.4本节总结 29
第4章基于TDOA测距的DVHOP改进算法 31
4.1 TDOA算法 31
4.1.1 算法简介 31
4.1.2 算法描述 31
4.2基于TDOA测距的DVHOP改进算法 34
4.3基于TDOA测距的DVHOP改进算法仿真 35
4.3.1仿真参数 35
4.3.2仿真示意图 35
4.3.3仿真结果及三种算法的比较与总结 36
第5章 总结与展望 37
致谢 39
参考文献 41
外文文献 43
绪论
1.1课题研究目的与意义
1.1.1 课题研究背景与意义
随着城市化进程的迅猛发展，人口老龄化,是近年来的热点话题，很多国家都难以避免的面对这一困局。“421”模式的家庭将普遍存在于各个中国家庭中，各大城市的“空巢老人”已占三成，在某些个别城市甚至已超过五成。因此，医疗保健服务行业的改革迫在眉睫尤其是病人监护机制，由于不能实现对病人实时状况监护，造成的治疗延误、诊断错误等医疗事故时有发生。随着生活水平的提高，人们对医疗服务的质量更加关注，使得实现高质量医疗服务迫在眉睫，也使得基于Wireless Sensor Network技术的无线医疗监护走进人们的视线。智慧医疗，在新时期具有符合自身优点的独特的优势。能获取病人的实时生理参数，并通过无线网络，在终端进行汇总处理，并病人，家属，护士，医生、控制中心实时传输，以便及时救治。
无线传感器网络(WSN，wireless sensor networks)集传感器网络技术、计算机通信技术、无线传输技术及嵌入式技术于一体。将大量传感器节点进行以一定拓扑形式排列，使其具有实时采集、处理和存储传输等重要功能，汇聚节点是网络的一级数据处理中心，汇聚节点类似于网关，是网络拓扑中的关键。服务平台是数据中心和应用中心，其根据业务不同需求，拥有不同的界面和功能，例如进行单个数据的分析和预警，进行走势分析，并进行相关的判断。便于再次的利用处理监测数据，并能够通过其对整个网络进行自定义的组织分配。自组织网络系统则依靠了无线通信技术，通过ZigBee等自组线网络，发送到主机，为医疗人员提供提供丰富的及时的病人生理资料信息以及位置信息等重要的生理参数，并能够及时做出预警。而且其便携性以及其Invisible等特性，使其易于在人体以及各种换今夏进行部署和扩展，可实现实时监测，其具有重新配置性和并且能够自组织等，从而提高医疗服务的质量和效率。传感节点主要利用各种传感器技术将物理量进行AD转换，将模拟量转变成数字量，便于读取，储存，能耗低，体积小。传感器节点的数据传输处理和存储能力均不高，而且由于能耗问题，其传输信息量有限，并且在数据密集区容易造成热区。
体域网(Body Area Network，BAN)是一种无线传感器网络，利用植入式或穿戴式的传感器采集人体的各项生理参数，例如生理传感器(脉搏、呼吸、体温等生理参数)、环境传感器(温湿度等环境因素)和位置传感器采集（坐标，体位等位置动作信息），实时传输人体活动信息，以提供实时准确的生理参数以便于进行相关医疗救治措施。硬件体积小，能耗低，稳定性较好，总而言之，耐用性高。现今大多数无线医疗系统采用ZigBee(IEEE 802．15．4)、WLANs、Bluetooth(IEEE 802．15．1)、医学植入通信服务(medical implant communications service，MICS)、无线医疗遥测服务(wireless medical telemetry service，WMTS)等。
佩戴式传感器的实现形式多种多样，有腕带式、臂袋式、夹克式等，为用户提供多种选择，但是由于人体以及周围环境的复杂，其便携性问题亟待解决。
目 录
Abstract 5
目 录 7
第1章 绪论 9
1.1课题研究目的与意义 9
1.1.1 课题研究背景与意义 9
1.1.2 课题描述 10
1.2 课题相关研究现状 11
1.2.1 无线传感器网络的研究成果 11
1.2.2 基于无线传感网络的定位算法 11
1.3 本文相关术语 12
1.4本文研究内容及章节安排 13
第2章 DVHop算法 15<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
br /> 2.1 距离无关的定位算法 15
2.1.1 质心算法 15
2.1.2 DVHOP算法 15
2.1.3 APIT算法 16
2.2 距离相关的定位算法 16
2.2.1信号到达角度 17
2.2.2信号到达时间 17
2.2.3信号到达时间差 17
2.2.4信号到达强度 18
2.3算法选择 18
2.4 DVHOP算法 19
2.4.1 DVHop算法原理 19
2.4.2 DVHop算法举例说明 21
2.5 DVHop算法仿真及结果分析 22
2.5.1 DVHop仿真条件 22
2.5.2 DVHop仿真结果 22
2.5.3 DVHop仿真结果分析 22
第3章 基于DVHop的算法改进 23
3.1 DVHOP算法误差分析 23
3.2 基于DVHOP的改进算法 25
3.2.1总体思想 25
3.2.2锚节点拓扑 25
3.2.3降低测距误差 27
3.3 DVHop改进算法仿真 28
3.3.1仿真参数 28
3.3.2仿真示意图 28
3.3.3仿真结果及分析 29
3.3.4本节总结 29
第4章基于TDOA测距的DVHOP改进算法 31
4.1 TDOA算法 31
4.1.1 算法简介 31
4.1.2 算法描述 31
4.2基于TDOA测距的DVHOP改进算法 34
4.3基于TDOA测距的DVHOP改进算法仿真 35
4.3.1仿真参数 35
4.3.2仿真示意图 35
4.3.3仿真结果及三种算法的比较与总结 36
第5章 总结与展望 37
致谢 39
参考文献 41
外文文献 43
绪论
1.1课题研究目的与意义
1.1.1 课题研究背景与意义
随着城市化进程的迅猛发展，人口老龄化,是近年来的热点话题，很多国家都难以避免的面对这一困局。“421”模式的家庭将普遍存在于各个中国家庭中，各大城市的“空巢老人”已占三成，在某些个别城市甚至已超过五成。因此，医疗保健服务行业的改革迫在眉睫尤其是病人监护机制，由于不能实现对病人实时状况监护，造成的治疗延误、诊断错误等医疗事故时有发生。随着生活水平的提高，人们对医疗服务的质量更加关注，使得实现高质量医疗服务迫在眉睫，也使得基于Wireless Sensor Network技术的无线医疗监护走进人们的视线。智慧医疗，在新时期具有符合自身优点的独特的优势。能获取病人的实时生理参数，并通过无线网络，在终端进行汇总处理，并病人，家属，护士，医生、控制中心实时传输，以便及时救治。
无线传感器网络(WSN，wireless sensor networks)集传感器网络技术、计算机通信技术、无线传输技术及嵌入式技术于一体。将大量传感器节点进行以一定拓扑形式排列，使其具有实时采集、处理和存储传输等重要功能，汇聚节点是网络的一级数据处理中心，汇聚节点类似于网关，是网络拓扑中的关键。服务平台是数据中心和应用中心，其根据业务不同需求，拥有不同的界面和功能，例如进行单个数据的分析和预警，进行走势分析，并进行相关的判断。便于再次的利用处理监测数据，并能够通过其对整个网络进行自定义的组织分配。自组织网络系统则依靠了无线通信技术，通过ZigBee等自组线网络，发送到主机，为医疗人员提供提供丰富的及时的病人生理资料信息以及位置信息等重要的生理参数，并能够及时做出预警。而且其便携性以及其Invisible等特性，使其易于在人体以及各种换今夏进行部署和扩展，可实现实时监测，其具有重新配置性和并且能够自组织等，从而提高医疗服务的质量和效率。传感节点主要利用各种传感器技术将物理量进行AD转换，将模拟量转变成数字量，便于读取，储存，能耗低，体积小。传感器节点的数据传输处理和存储能力均不高，而且由于能耗问题，其传输信息量有限，并且在数据密集区容易造成热区。
体域网(Body Area Network，BAN)是一种无线传感器网络，利用植入式或穿戴式的传感器采集人体的各项生理参数，例如生理传感器(脉搏、呼吸、体温等生理参数)、环境传感器(温湿度等环境因素)和位置传感器采集（坐标，体位等位置动作信息），实时传输人体活动信息，以提供实时准确的生理参数以便于进行相关医疗救治措施。硬件体积小，能耗低，稳定性较好，总而言之，耐用性高。现今大多数无线医疗系统采用ZigBee(IEEE 802．15．4)、WLANs、Bluetooth(IEEE 802．15．1)、医学植入通信服务(medical implant communications service，MICS)、无线医疗遥测服务(wireless medical telemetry service，WMTS)等。
佩戴式传感器的实现形式多种多样，有腕带式、臂袋式、夹克式等，为用户提供多种选择，但是由于人体以及周围环境的复杂，其便携性问题亟待解决。
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