摘 要： 大型工廠由許多零散機(jī)械設(shè)備組成，員工使用這些設(shè)備作業(yè)生產(chǎn)，并且需要對其定期檢查維護(hù)。為了及時(shí)獲取員工工作位置信息，并對緊急事件及時(shí)響應(yīng)和決策，研發(fā)設(shè)計(jì)了基于ZigBee的工廠三維定位系統(tǒng)。定位算法采用了改進(jìn)加權(quán)粒子群技術(shù)，具有較高的定位精度，實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)能夠滿足工廠三維定位應(yīng)用需求。
關(guān)鍵詞： ZigBee；RTU；粒子群；三維定位
大型工廠通常由許多生產(chǎn)設(shè)備等組成，比如油田鉆井平臺施工設(shè)備甚至野外作業(yè)，應(yīng)用環(huán)境惡劣，而且數(shù)量多、分布零散。員工使用這些設(shè)備作業(yè)生產(chǎn)，并需要定期檢查維護(hù)，在遇到突發(fā)事件時(shí)，專家可以遠(yuǎn)程會(huì)診，給予即時(shí)技術(shù)支持。目前使用的定位系統(tǒng)多是二維的，但是由于地形或者建筑樓層限制而不能得到精確的地理位置信息。所以，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee的三維定位系統(tǒng)。ZigBee定位系統(tǒng)具有成本低、安裝方便、通信頻段免費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。使用ZigBee無線通信，降低了現(xiàn)場設(shè)備安裝的復(fù)雜度，減少有線布設(shè)及降低施工費(fèi)用，降低了設(shè)備運(yùn)行時(shí)線纜損壞而帶來的設(shè)備故障概率[1]。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位算法可以分為兩類：基于距離的和距離無關(guān)的定位算法。距離無關(guān)的定位算法不需要對節(jié)點(diǎn)間的距離或者方位進(jìn)行測量，但只能實(shí)現(xiàn)粗粒度的定位。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用基于距離的定位算法以實(shí)現(xiàn)更高定位性能。在本系統(tǒng)中，工廠空間安裝有已知三維坐標(biāo)的ZigBee信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，員工佩戴待定位ZigBee未知節(jié)點(diǎn)。未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信，利用無線信號強(qiáng)度Rssi衰減原理進(jìn)行測距以獲取未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離，再根據(jù)距離數(shù)據(jù)進(jìn)行三維定位運(yùn)算獲取未知節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)。最終，監(jiān)控人員可以在Web頁面通過模擬仿真、三維立體可視化技術(shù)，形象實(shí)現(xiàn)工廠工人生產(chǎn)實(shí)際狀況。
1 ZigBee無線采集網(wǎng)絡(luò)面臨的問題
首先是系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建，需要考慮ZigBee無線傳感數(shù)據(jù)采集感知網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控平臺之間的通信模式、系統(tǒng)架構(gòu)可使用的軟硬件資源及通信應(yīng)用支持環(huán)境[2]?；赯igBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)屬于分布式監(jiān)測系統(tǒng)范疇，其主要面臨以下兩個(gè)問題：
?。?）不同通信協(xié)議的交叉?zhèn)鬏?br />
ZigBee具有有限的傳輸距離[3]，大范圍長距離的數(shù)據(jù)傳輸需要采用不同的通信協(xié)議ZigBee、WiFi、IP有線網(wǎng)絡(luò)以及3G等通信方式支撐，這使得無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜。
?。?）監(jiān)測終端的訪問控制問題
通信過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸需要經(jīng)?？缭讲煌娦欧?wù)商機(jī)構(gòu)的不同網(wǎng)絡(luò)。為了數(shù)據(jù)保密性的需求，往往無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)是經(jīng)過加密后傳輸?shù)模约霸O(shè)置數(shù)據(jù)訪問加密認(rèn)證環(huán)節(jié)[4]。但是，如果在各個(gè)通信環(huán)節(jié)上各自實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的訪問控制加密策略，會(huì)消耗系統(tǒng)本身有限硬件資源及能源。
2 基于ZigBee的3D定位系統(tǒng)
2.1 ZigBee的三維定位系統(tǒng)架構(gòu)
經(jīng)過對一些工廠實(shí)際調(diào)研分析，將利用ZigBee分布式網(wǎng)絡(luò)有限的存儲和計(jì)算能力完成3D定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為3層：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸終端RTU以及服務(wù)器數(shù)據(jù)計(jì)算中心，如圖1所示。
基于ZigBee的工廠三維分布式監(jiān)測定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)特別重要的因素：
?。?）基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集測距數(shù)據(jù)，因工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境特殊，安裝不方便，ZigBee節(jié)點(diǎn)符合安全性設(shè)計(jì)要求[5]。
?。?）無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集的距離數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的中心節(jié)點(diǎn)傳送給RTU（遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸終端），RTU支持WiFi、2G/3G、IP等多種通信方式，RTU要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理整合，去除冗余信息、數(shù)據(jù)類型、增加位置編號等信息，并在其上面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、加密以及訪問控制。
?。?）無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)RTU進(jìn)行處理之后，由RTU轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫。再由服務(wù)器端應(yīng)用程序調(diào)取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)計(jì)算出三維位置。最后，監(jiān)控端用戶注冊、登錄、設(shè)置權(quán)限等基本功能后可以以訪問網(wǎng)頁、數(shù)據(jù)庫或者三維立體圖形多種形式查看位置信息數(shù)據(jù)。
2.2 系統(tǒng)通信流程圖
系統(tǒng)采用自主運(yùn)行模式，通過設(shè)置的時(shí)間或者事件觸發(fā)方式自行掌握數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)和時(shí)間。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于ZigBee的定位系統(tǒng)信息處理流程如圖2所示。
2.3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程終端RTU設(shè)計(jì)
由上節(jié)可以看到，RTU在本系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，它實(shí)現(xiàn)了多種通信協(xié)議轉(zhuǎn)換以及訪問控制。使用ARM9微處理器設(shè)計(jì)本系統(tǒng)RTU。首先，ARM9具有豐富接口，如USB、RS232、RS485等，可以支持多種通信協(xié)議的儀器儀表；其次，ARM9具有豐富的存儲資源，在網(wǎng)絡(luò)離線狀態(tài)時(shí)，用來本地存儲重要數(shù)據(jù)，待檢測到網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再上傳數(shù)據(jù)；另外，它也具有比較強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可以運(yùn)行WinCE、Linux等嵌入式操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)的多線程或者多進(jìn)程的信息處理[6]。
本文設(shè)計(jì)的RTU系統(tǒng)簡明結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)RTU網(wǎng)關(guān)通過串口連接ZigBee中心節(jié)點(diǎn)，然后采用WiFi、3G或者IP有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對ZigBee中心節(jié)點(diǎn)的測距數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)發(fā)傳輸。它主要完成兩種功能：（1）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)通信故障時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)不同的通信協(xié)議之間切換，使其繼續(xù)正常工作；（2）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，可以選擇性存儲重要數(shù)據(jù)在RTU端，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)自動(dòng)上傳存儲數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用的RTU數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換流程，即將802.15.4協(xié)議的ZigBee模塊接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)串口協(xié)議封裝之后傳給ARM模塊，ARM再將數(shù)據(jù)解析經(jīng)802.11的WiFi協(xié)議傳輸。具體協(xié)議轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。
數(shù)據(jù)經(jīng)過以上協(xié)議封裝、解析之后，最終傳輸?shù)椒?wù)器計(jì)算中心數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器端定位程序進(jìn)行定位運(yùn)算。
3 粒子群定位算法
定位技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用的基礎(chǔ)，已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要的支撐技術(shù)之一。針對傳統(tǒng)的四邊測量法和最小二乘法定位精度差的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于加權(quán)的粒子群算法。粒子群優(yōu)化算法PSO（Particle Swarm Optimization）是基于群體智能的全局優(yōu)化技術(shù)，最早由美國電氣工程師Kennedy和社會(huì)心理學(xué)家Ebethart在1995年根據(jù)群鳥覓食提出來的[7]。
通過兩種算法誤差比較可以得出，在相同情況下，粒子群算法比最小二乘法定位精度提高了很多，證明了本文使用粒子群定位算法提高定位精度的合理性，但代價(jià)是計(jì)算復(fù)雜度提高。
本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee的工廠三維定位系統(tǒng)，提供了現(xiàn)階段技術(shù)實(shí)現(xiàn)上比較合理的解決方案。采用遠(yuǎn)程傳輸終端系統(tǒng)RTU完成數(shù)據(jù)采集通信方式轉(zhuǎn)換，在服務(wù)器端采用基于加權(quán)的粒子群定位算法對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位運(yùn)算。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試證明，本系統(tǒng)具有較高的定位精度，較好地實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)定位，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的發(fā)展應(yīng)用前景。
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