摘  要： 大型工廠由許多零散機械設備組成，員工使用這些設備作業(yè)生產，并且需要對其定期檢查維護。為了及時獲取員工工作位置信息，并對緊急事件及時響應和決策，研發(fā)設計了基于ZigBee的工廠三維定位系統(tǒng)。定位算法采用了改進加權粒子群技術，具有較高的定位精度，實驗證明，系統(tǒng)能夠滿足工廠三維定位應用需求。
關鍵詞： ZigBee；RTU；粒子群；三維定位

　大型工廠通常由許多生產設備等組成，比如油田鉆井平臺施工設備甚至野外作業(yè)，應用環(huán)境惡劣，而且數(shù)量多、分布零散。員工使用這些設備作業(yè)生產，并需要定期檢查維護，在遇到突發(fā)事件時，專家可以遠程會診，給予即時技術支持。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，本文設計了基于ZigBee的三維定位系統(tǒng)。ZigBee定位系統(tǒng)具有成本低、安裝方便、通信頻段免費等優(yōu)點。使用ZigBee無線通信，降低了現(xiàn)場設備安裝的復雜度，減少有線布設及降低施工費用，降低了設備運行時線纜損壞而帶來的設備故障概率[1]。
　無線傳感網(wǎng)絡定位算法可以分為兩類：基于距離的和距離無關的定位算法。距離無關的定位算法不需要對節(jié)點間的距離或者方位進行測量，但只能實現(xiàn)粗粒度的定位。本文設計的系統(tǒng)使用基于距離的定位算法以實現(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的ZigBee信標節(jié)點，員工佩戴待定位ZigBee未知節(jié)點。未知節(jié)點與信標節(jié)點通信，利用無線信號強度Rssi衰減原理進行測距以獲取未知節(jié)點與信標節(jié)點距離，再根據(jù)距離數(shù)據(jù)進行三維定位運算獲取未知節(jié)點三維坐標。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，形象實現(xiàn)工廠工人生產實際狀況。
1 ZigBee無線采集網(wǎng)絡面臨的問題
　首先是系統(tǒng)設計搭建，需要考慮ZigBee無線傳感數(shù)據(jù)采集感知網(wǎng)絡與監(jiān)控平臺之間的通信模式、系統(tǒng)架構可使用的軟硬件資源及通信應用支持環(huán)境[2]。基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡屬于分布式監(jiān)測系統(tǒng)范疇，其主要面臨以下兩個問題：
　（1）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)絡更加復雜。
　（2）監(jiān)測終端的訪問控制問題
　通信過程中進行數(shù)據(jù)交互傳輸需要經(jīng)常跨越不同電信服務商機構的不同網(wǎng)絡。為了數(shù)據(jù)保密性的需求，往往無線傳感器網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)是經(jīng)過加密后傳輸?shù)模约霸O置數(shù)據(jù)訪問加密認證環(huán)節(jié)[4]。但是，如果在各個通信環(huán)節(jié)上各自實現(xiàn)復雜的訪問控制加密策略，會消耗系統(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
　經(jīng)過對一些工廠實際調研分析，將利用ZigBee分布式網(wǎng)絡有限的存儲和計算能力完成3D定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)設計分為3層：ZigBee無線網(wǎng)絡傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)傳輸終端RTU以及服務器數(shù)據(jù)計算中心，如圖1所示。

　基于ZigBee的工廠三維分布式監(jiān)測定位系統(tǒng)設計有以下幾個特別重要的因素：
　（1）基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡采集測距數(shù)據(jù)，因工業(yè)生產環(huán)境特殊，安裝不方便，ZigBee節(jié)點符合安全性設計要求[5]。
　（2）無線網(wǎng)絡節(jié)點采集的距離數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡內的中心節(jié)點傳送給RTU（遠程數(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，并在其上面實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、加密以及訪問控制。
　（3）無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)RTU進行處理之后，由RTU轉發(fā)給服務器端數(shù)據(jù)庫。再由服務器端應用程序調取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)計算出三維位置。最后，監(jiān)控端用戶注冊、登錄、設置權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)采用自主運行模式，通過設置的時間或者事件觸發(fā)方式自行掌握數(shù)據(jù)采集地點和時間。本系統(tǒng)設計的基于ZigBee的定位系統(tǒng)信息處理流程如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)遠程終端RTU設計
　由上節(jié)可以看到，RTU在本系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，它實現(xiàn)了多種通信協(xié)議轉換以及訪問控制。使用ARM9微處理器設計本系統(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)絡離線狀態(tài)時，用來本地存儲重要數(shù)據(jù)，待檢測到網(wǎng)絡恢復后再上傳數(shù)據(jù)；另外，它也具有比較強大的運算能力，可以運行WinCE、Linux等嵌入式操作系統(tǒng)，支持多任務的多線程或者多進程的信息處理[6]。
　本文設計的RTU系統(tǒng)簡明結構圖如圖3所示。

　數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)RTU網(wǎng)關通過串口連接ZigBee中心節(jié)點，然后采用WiFi、3G或者IP有線網(wǎng)絡實現(xiàn)對ZigBee中心節(jié)點的測距數(shù)據(jù)進行遠程轉發(fā)傳輸。它主要完成兩種功能：（1）當網(wǎng)絡出現(xiàn)通信故障時，可以實現(xiàn)不同的通信協(xié)議之間切換，使其繼續(xù)正常工作；（2）當網(wǎng)絡中斷時，可以選擇性存儲重要數(shù)據(jù)在RTU端，待網(wǎng)絡恢復自動上傳存儲數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用的RTU數(shù)據(jù)協(xié)議轉換流程，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掌饔嬎阒行臄?shù)據(jù)庫，服務器端定位程序進行定位運算。
3 粒子群定位算法
　定位技術作為網(wǎng)絡協(xié)議和應用的基礎，已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡重要的支撐技術之一。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，本文設計了基于加權的粒子群算法。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，最早由美國電氣工程師Kennedy和社會心理學家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，但代價是計算復雜度提高。
　本文設計了基于ZigBee的工廠三維定位系統(tǒng)，提供了現(xiàn)階段技術實現(xiàn)上比較合理的解決方案。采用遠程傳輸終端系統(tǒng)RTU完成數(shù)據(jù)采集通信方式轉換，在服務器端采用基于加權的粒子群定位算法對未知節(jié)點進行定位運算。經(jīng)實驗測試證明，本系統(tǒng)具有較高的定位精度，較好地實現(xiàn)了節(jié)點定位，在工業(yè)自動化領域將有廣闊的發(fā)展應用前景。
參考文獻
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