摘  要： 介紹了一種基于Zigbee技術的區(qū)域定位及通信控制系統(tǒng),。系統(tǒng)采用TI公司的CC2430/CC2431芯片進行設計,，主要功能為在既定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)對系統(tǒng)終端的定位、系統(tǒng)終端間的語音通信以及管理中心對系統(tǒng)終端的控制,。系統(tǒng)使用的外圍器件少,，具有成本低、功耗小,、定位精度理想,、傳輸語音的音質(zhì)較好等優(yōu)點。
關鍵詞： Zigbee,；RSSI,；區(qū)域定位

    隨著無線通信和無線傳感器網(wǎng)絡技術的發(fā)展，基于位置的服務顯得越來越重要,。在室外環(huán)境下,，全球定位系統(tǒng)(GPS)及北斗系統(tǒng)已經(jīng)較為成功地解決了定位問題。而在室內(nèi)或者某些較為狹窄封閉的環(huán)境下,，GPS系統(tǒng)會由于衛(wèi)星信號被阻隔而無法完成定位,。與此同時,，室內(nèi)定位服務的需求卻日益增加。因此,，室內(nèi)定位技術的研究成為各大高校,、研究機構和企業(yè)的一個研究熱點[1]。由于Zigbee技術具有低數(shù)據(jù)速率,、自組網(wǎng),、近距離、低成本,、低復雜度,、低功耗等[2-3]優(yōu)點，因此本系統(tǒng)以Zigbee技術為框架進行設計,。
    本文以一個大型室內(nèi)貨物倉庫為系統(tǒng)的實施目標進行研究。一般而言,，在一個大型貨物倉庫的日常運營中通常會存在以下幾個問題：(1)貨物管理員對倉庫的搬運工人及車輛日常工作的管理是模糊的,，欠立體感；(2)貨物管理員很難在倉庫各個區(qū)域間及時調(diào)配與貨物吞吐量相應的工人和車輛,；(3)當某區(qū)域貨物吞吐量激增時,，管理員不能很恰當?shù)貎?yōu)先調(diào)配其附近的人員及車輛；(4)搬運工之間,、搬運工與倉庫管理員之間不能及時,、清晰、無誤地傳達信息,；(5)搬運工作所需人手多,，運營成本高。
    為了減少此類問題的出現(xiàn),，本系統(tǒng)應實現(xiàn)以下功能：(1)調(diào)度管理員可以實時掌握每輛搬運車和每名搬運工在倉庫內(nèi)的具體位置,；(2)在實現(xiàn)定位的同時，倉庫工作人員之間可以進行一對一的信息發(fā)送及語音通信,；(3)調(diào)度中心應具備較為高效的貨物信息處理及相應的調(diào)度模式甚至遠程控制功能,。
    這樣，貨物調(diào)度管理員就可以根據(jù)不同區(qū)域的貨物搬運工作量,、搬運物品的緊急程度,、貴重等級等信息及時調(diào)配相應的搬運人員與搬運車輛。此外,，還可以根據(jù)工作人員的調(diào)配請求,，選擇調(diào)配附近區(qū)域的搬運車輛及搬運人員，從而提高工作效率,，減少由于相互信息不暢而造成的混亂現(xiàn)象,。
1 系統(tǒng)整體方案
    本系統(tǒng)按硬件可以劃分為定位及控制網(wǎng)關,、定位輔助器、車輛定位終端,、工作人員的手持終端以及調(diào)度管理中心,，如圖1所示。

    圖1中,，定位及控制網(wǎng)關負責在倉庫中建立,、維護與管理無線網(wǎng)絡，發(fā)布調(diào)度控制命令等功能,；定位輔助器在倉庫中所處位置已確定,，用來對所需定位器件進行定位；車輛定位終端是用來實現(xiàn)車輛定位的車載器件,；手持終端用來實現(xiàn)人員定位,、信息發(fā)送及語音通信；調(diào)度管理中心則指管理員根據(jù)定位結(jié)果以及搬運需要及時有效地調(diào)度管理倉庫工作人員與車輛的硬件PC機及相關定位監(jiān)控軟件,。
    在本系統(tǒng)中,，定位及控制網(wǎng)關與定位輔助器以Zigbee CC2430通信節(jié)點代替，而車輛定位終端以及工作人員的手持終端則是以Zigbee CC2431通信節(jié)點代替,。
2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)
    本系統(tǒng)按功能還可以劃分為可視化定位,、節(jié)點間通信、車輛控制以及調(diào)度管理中心,。
2.1 可視化定位
    本系統(tǒng)中的定位功能是基于CC2431無線定位引擎的RSSI算法實現(xiàn)的,。
    RSSI是指通信節(jié)點接收到的無線信號強度大小[4]。RSSI的理論值可以表示為：
    RSSI=-(10n·lgd+A)(1)
式中,，n為信號傳播常數(shù),；d為與發(fā)送者的距離；A為距發(fā)送者1 m時的信號強度,。
    在RSSI定位中,，已知節(jié)點的信號發(fā)射強度，接收節(jié)點根據(jù)收到信號的強度計算出信號的傳播損耗并利用理論模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離,，再利用已有算法得出節(jié)點的位置[5-6],。
    可視化定位功能實現(xiàn)步驟如下：連接網(wǎng)關與PC機；根據(jù)倉庫的實際布局,，在倉庫頂部等間隔安裝定位輔助器,；網(wǎng)關建立網(wǎng)絡，定位輔助器,、定位終端,、手持終端加入網(wǎng)絡；在調(diào)度中心的定位監(jiān)控軟件上配置各個定位輔助器的具體坐標，并添加實景地圖,；手持及定位終端根據(jù)接收到的各個定位輔助器的X,、Y坐標值及定位輔助器與定位終端之間的RSSI值，依靠其內(nèi)部的定位引擎進行定位運算,從而得出自身在有效區(qū)域內(nèi)的X,、Y坐標值[7],。定位引擎的輸入輸出及操作流程如圖2、圖3所示,。

    在定位引擎計算出定位結(jié)果之后,，每個定位終端會將自身的坐標值發(fā)送給網(wǎng)關，由網(wǎng)關匯總傳送給調(diào)度管理中心并通過定位監(jiān)控軟件把所有定位終端的位置顯示出來,。
2.2 節(jié)點間通信
    語音通信系統(tǒng)圖如圖4所示,。系統(tǒng)以CC2430/2431芯片為核心，利用其8051單片機內(nèi)核的ADC外設完成對語音信號的A/D轉(zhuǎn)換,，利用PWM功能構成DAC完成語音的播放,，數(shù)據(jù)的收發(fā)則通過片內(nèi)的RF前端完成，外圍附加放大與濾波電路[8],。

    本方案充分利用CC2430的12位A/D轉(zhuǎn)換器和可編程PWM通道,，實現(xiàn)語音信號的A/D和D/A轉(zhuǎn)換，從而無需外部的語音Codec(編解碼器)器件,，降低了成本，系統(tǒng)更加精簡[9],。而該MCU的低功耗特點也可以大大延長系統(tǒng)工作時間[10],。語音傳輸系統(tǒng)的硬件電路如圖5所示。

    本方案設計為網(wǎng)關與手持終端間的半雙工通信,。網(wǎng)絡建立后,，網(wǎng)關與手持終端都處于無線接收狀態(tài)，網(wǎng)關可以通過“通話”,、“停止”兩個按鍵主動控制與手持終端的通話與停止,。手持終端如需通話，則應按“請求”鍵向網(wǎng)關發(fā)出申請,，如果網(wǎng)關空閑,，則發(fā)命令給手持終端開啟通話。網(wǎng)關停止通話需要按“停止”鍵,，此時手持終端會停止語音發(fā)送,，并通知網(wǎng)關。
2.3 車輛控制
    由于現(xiàn)實條件的限制,，在本論文中,，貨物搬運車由遙控小車模擬。同時,，為保證系統(tǒng)的整體性與完整性,，系統(tǒng)需要調(diào)度管理中心能夠?qū)崿F(xiàn)對智能小車的控制,，這里分兩步來完成。首先實現(xiàn)搬運車上的定位終端對智能小車的控制,。然后在PC機上通過上位機控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)器,，再由協(xié)調(diào)器控制車載定位終端，最終實現(xiàn)控制智能小車的目的,。
2.4 調(diào)度管理中心

    調(diào)度管理中心是指倉庫管理員依據(jù)可視化的定位結(jié)果以及現(xiàn)實需要來管理倉庫工作人員及搬運車輛的硬件PC機及相關定位監(jiān)控軟件,。
    當某一區(qū)域有搬運需要時，貨車司機將提前發(fā)出通知,。管理員只需在定位監(jiān)控軟件的貨物信息表輸入本次貨物的吞吐量,、貴重等級、緊急程度,、是否易碎品,、是否需要冷藏保鮮等信息，調(diào)度中心就會根據(jù)該區(qū)附近空閑人員的人力效率,、熟練程度等信息自動生成調(diào)配信息表,，并把此調(diào)配信息與貨物吞吐量、貴重等級,、緊急程度等信息下達到相關人員的手持及車載定位終端,，從而實現(xiàn)節(jié)省時間、避免失誤,、最大化工作效率的目的,。
    此外，有時會出現(xiàn)貨物吞吐量與可調(diào)配工作人員比例不符的現(xiàn)象,，而在本系統(tǒng)中,，工作人員可以利用手持終端傳達需要增加人手的信息給管理員，或者直接給附近其他的工作人員發(fā)送調(diào)配請求,，這樣就可以避免許多由于信息不暢而造成的混亂等現(xiàn)象,。并且，倉庫管理員可以在調(diào)度管理中心通過定位監(jiān)控軟件全程實時看到每輛搬運車以及每位工作人員在倉庫中所處的位置,。
      本系統(tǒng)中,，由于現(xiàn)實條件的限制，貨物搬運車由智能遙控小車充當,，以模擬當貨物搬運路線為直線或者其他復雜程度不高的線路時,，管理人員可以直接通過定位監(jiān)控軟件遙控車輛的移動，或者讓車輛自動往返搬運,，以實現(xiàn)減少人力成本,、提高工作效率的目的。
      本系統(tǒng)模擬車輛的控制軟件是在Microsoft Visual Studio 6.0上用C++語言編寫而成的。本控制軟件的功能有：(1)選擇管理員所需控制車輛并控制所選車輛前后左右的移動,；(2)配合定位顯示進行控制操作,，并在操作窗口實時顯示出操作者的各項操作步驟；(3)控制軟件將各操作步驟按照操作時間進行數(shù)據(jù)保存,。
    本文以一個大型物流倉庫為實施目標,，較全面地展示了集人員車輛定位、語音通信,、車輛控制,、信息處理等功能的區(qū)域定位及通信控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以廣泛應用于各種居民生活小區(qū)與物流倉庫,。
    通過本系統(tǒng),，管理人員可以在調(diào)度管理中心的PC機上直觀地觀察到已佩戴定位終端的工作人員及車輛在有效區(qū)域內(nèi)的具體位置，使定位可視化,。此外,，當倉庫某一進貨口有貨物需要進出倉庫時，調(diào)度管理員只需要在定位監(jiān)控軟件上輸入此次貨物的吞吐量,、緊急程度,、貴重等級、是否保價,、是否需要特殊處理等信息,，調(diào)度管理中心就會根據(jù)該區(qū)附近空閑人員的人力效率、熟練程度等信息自動生成調(diào)配信息表,，并將此調(diào)配信息與貨物信息直接下達給相關人員的手持終端及車載定位終端,，通知該進貨口附近的相關工作人員和貨物搬運車在該進貨口待命。此外,，本系統(tǒng)還可以實現(xiàn)工作人員之間、工作人員與調(diào)度管理員之間發(fā)送調(diào)配請求,、進行語音通信或搬運車輛的無人駕駛等功能,，從而達到節(jié)省搬運時間、避免工作失誤,、減少人力成本,、提高工作效率的目的。
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