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：
　（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(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)?，以及設(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(chǔ)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：
　（1）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(chǔ),、加密以及訪問控制,。
　（3）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(chǔ)資源,，在網(wǎng)絡(luò)離線狀態(tài)時(shí)，用來本地存儲(chǔ)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(chǔ)重要數(shù)據(jù)在RTU端，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)自動(dòng)上傳存儲(chǔ)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,。
參考文獻(xiàn)
[1] 武仁杰.基于ZigBee的礦井監(jiān)測節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2012,，20（7）：1818-1820.
[2] 成小良,，鄧志東.基于ZigBee規(guī)范構(gòu)建大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].通信學(xué)報(bào)，2008（11）：158-164.
[3] 周怡頲,，凌志浩,，吳勤勤.ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動(dòng)化儀表，2005（6）：5-9.
[4] 柏祥,，王宜懷,，秦保波.無線傳感網(wǎng)絡(luò)基本演示系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2012（8）：119-121.
[5] 楊程,，劉濤,，陳念年，等.3D數(shù)字工廠監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].化工自動(dòng)化及儀表,，2012（1）：108-111.
[6] 金香,，周波，魯毅,，等.基于GPRS變電站RTU監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,，2010（2）：198-200.
[7] 黃少榮.粒子群優(yōu)化算法綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009（8）：1977-1980.
[8] 吳慶洪,，張穎,，馬宗民.粒子群優(yōu)化算法及其應(yīng)用綜述[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010（30）：34-35,，10.
[9] 章堅(jiān)武,，張璐，應(yīng)瑛,，等.基于ZigBee的RSSI測距研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),，2009（2）：285-288.
[10] 王書鋒，侯義斌,，黃樟欽,，等.無線感知網(wǎng)絡(luò)最小二乘法定位算法的誤差分析與優(yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009（19）：6211-6215.