基于ZigBee的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魯哲 秦實(shí)宏

摘? 要：為了使監(jiān)控中心對(duì)AGV（Automated Guided Vehicle）的運(yùn)行進(jìn)行更精確的定位監(jiān)控，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)。首先完成了無線定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。然后考慮功耗成本精確度等方面，文章采用基于RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信號(hào)強(qiáng)度指示）的三邊定位算法實(shí)現(xiàn)定位。同時(shí)為了更好的提高定位的精確度，采取了差分修正算法。最后進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)AGV的實(shí)時(shí)定位，并且系統(tǒng)的功耗較小成本較低精度也較高。

關(guān)鍵詞：ZigBee;AGV;RSSI

中圖分類號(hào)：TP272? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）06-0094-03

1 概述

AGV是自動(dòng)導(dǎo)航車的英文縮寫。它配備了非接觸式自動(dòng)引導(dǎo)裝置，如電磁或光學(xué)和獨(dú)立尋址系統(tǒng)[1]。近年來，在快速先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)背景下，許多學(xué)者通過網(wǎng)絡(luò)鎖定了AGV智能車無線通信方面的探究方向。電信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)控制技術(shù)，他們用于運(yùn)輸和環(huán)境監(jiān)測，工業(yè)自動(dòng)化和智能家居系統(tǒng)，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控相關(guān)信息，例如現(xiàn)場參數(shù)的波動(dòng)[2]。無線通信技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用也使有線傳輸成為一種新的方式。隨著時(shí)代的快速發(fā)展，ZigBee無線通信技術(shù)已成為公眾關(guān)注的關(guān)鍵，它具有雙向性，而且間距小，成本低，復(fù)雜度低，功耗小，數(shù)據(jù)速率小[3]。由它創(chuàng)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)隨處可見，遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用頻率相對(duì)較高。它特別適用于易于組裝并且通信數(shù)據(jù)量不太高的情況[4]。在當(dāng)代社會(huì)，在科技進(jìn)步的推動(dòng)下，生活和生產(chǎn)的便利性越來越受到人們的青睞。與此同時(shí)，AGV技術(shù)的應(yīng)用已開始成為越來越多相關(guān)人員的研究對(duì)象。如今，大多數(shù)AGV通常將電池組裝為驅(qū)動(dòng)器，并具有用于無人運(yùn)輸操作的非接觸式導(dǎo)航設(shè)備。通過上位機(jī)監(jiān)控技術(shù)可以更好的發(fā)揮AGV的功能。通過精心規(guī)劃的路徑和操作，AGV可以更精確地在路徑上行走并精確到達(dá)指定位置。在現(xiàn)在大多數(shù)生產(chǎn)物流領(lǐng)域中，作為“不用付工資的搬運(yùn)工”，AGV技術(shù)越來越多的得到大家的偏愛，特別是在某些對(duì)速度還有搬運(yùn)頻率有特殊要求的工作區(qū)間等伴隨一定危險(xiǎn)的工業(yè)領(lǐng)域，與人工相比，AGV小車擁有的優(yōu)勢非常明顯。

目前，在現(xiàn)代的工作區(qū)，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)是建立室內(nèi)無線定位系統(tǒng)。隨著工業(yè)技術(shù)和電子產(chǎn)品技術(shù)的快速發(fā)展，一些工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)κ覂?nèi)無線定位技術(shù)的要求越來越高。通過研究，本文設(shè)計(jì)了一種低成本、相對(duì)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)，可以更好的實(shí)現(xiàn)AGV在室內(nèi)環(huán)境中的實(shí)時(shí)監(jiān)控和定位。

2 定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于ZigBee的室內(nèi)無線定位原理是選擇幾個(gè)CC2530模塊，并將這些選定的模塊作為我們需要的參考節(jié)點(diǎn)。然后選擇房間中的一些位置放置他們，根據(jù)這些參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置創(chuàng)建一個(gè)平面直角坐標(biāo)系，目標(biāo)選擇AGV承載的CC2530模塊被視為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，具體取決于接收信號(hào)的強(qiáng)度大小。運(yùn)用算法公式計(jì)算相對(duì)于各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離長短來得出目標(biāo)的最終位置坐標(biāo)。理論上，在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)信息由至少兩個(gè)參考節(jié)點(diǎn)接收，則可以反饋具有信號(hào)強(qiáng)度的信息，之后我們就可以把數(shù)據(jù)帶入公式中來計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置坐標(biāo)的值。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件包括四個(gè)部分：（1）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn);（2）四個(gè)參考節(jié)點(diǎn);（3）一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn);（4）四個(gè)天線。本文選取了四個(gè)CC2530模塊，把他們作為參考節(jié)點(diǎn)，然后在IAR（Internal Area Router）環(huán)境下，還給選擇的四個(gè)參考節(jié)點(diǎn)標(biāo)注了號(hào)碼，不同的編號(hào)表示的參考節(jié)點(diǎn)也不一樣。我們選擇其中一個(gè)作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于路由器。CC2530模塊與支持的開發(fā)板一起構(gòu)成網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

3.3 定位算法流程

在整個(gè)定位過程中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向指定室內(nèi)區(qū)域中的參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，參考節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)收集信號(hào)。然后獲得信號(hào)強(qiáng)度的平均值，將該值發(fā)給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，之后移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將獲得的平均值發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)直接將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，并在上位機(jī)運(yùn)行定位算法來計(jì)算坐標(biāo)值。圖1為算法流程圖。

4 定位測試結(jié)果

所選取室內(nèi)的環(huán)境不同，在測距的過程中各因素對(duì)信號(hào)的干擾不同，頻射參數(shù)的標(biāo)定值也肯定不同的。在測試過程中，在電源供電方面，我們選擇電池給參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供電量，使用USB給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)充電。對(duì)于測試的環(huán)境選擇，本文選擇在一個(gè)10×10m的房間里面進(jìn)行。在測試過程中，我們給網(wǎng)關(guān)以及各節(jié)點(diǎn)均裝設(shè)LED指示燈，當(dāng)他們有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，LED燈都會(huì)出現(xiàn)閃爍提示。

在一個(gè)10×10m房間里面，先構(gòu)建一個(gè)直角坐標(biāo)系，在這個(gè)坐標(biāo)系里從原點(diǎn)開始設(shè)定一個(gè)邊長為4m的正方形，將參考節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置在正方形的四個(gè)頂點(diǎn)，然后節(jié)點(diǎn)4坐標(biāo)為（0，0），節(jié)點(diǎn)1為（4，0），節(jié)點(diǎn)2為（4，4），節(jié)點(diǎn)3為（0，4）。我們記錄所有的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離長度的變化值，讀取RSSI值，并計(jì)算每個(gè)信號(hào)強(qiáng)度下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)之間的通信距離的平均值。利用公式算出最優(yōu)參數(shù)A、n的值。

經(jīng)過測試可知，本系統(tǒng)可以較好的完成在一定空間內(nèi)對(duì)AGV小車進(jìn)行實(shí)時(shí)定位監(jiān)控的目的。在測試過程中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)靠近墻壁時(shí)，干擾相對(duì)較大，定位系統(tǒng)誤差也相比較而言較大。相比較其他不測距定位算法，本系統(tǒng)采用RSSI算法受室內(nèi)環(huán)境因素的影響較大，所以定位結(jié)果會(huì)有一定的誤差，但這也是最簡單實(shí)用的測距技術(shù)，而且我們在此基礎(chǔ)上用差分修正算法，減少了誤差，提高了定位精度，在正確輸入A、n的情況下精度可以達(dá)到0.5-1米之間。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)利用ZigBee技術(shù)研究完成了整個(gè)室內(nèi)無線定位系統(tǒng)，采用了RSSI定位算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)AGV小車的實(shí)時(shí)監(jiān)控定位，并且還采用了差分修正算法對(duì)定位的精度做了進(jìn)一步的提高。經(jīng)過測試，本文設(shè)計(jì)的無線定位系統(tǒng)可以較好的實(shí)現(xiàn)定位的監(jiān)測并有較高的精度保障，定位精度可以達(dá)到1米以內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的效果。該無線定位系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種工業(yè)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠區(qū)內(nèi)部的定位監(jiān)控的目的。

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