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，研發設計了基于ZigBee的工廠三維定位系統。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，應用環境惡劣，而且數量多、分布零散。員工使用這些設備作業生產，并需要定期檢查維護，在遇到突發事件時，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。ZigBee定位系統具有成本低、安裝方便、通信頻段免費等優點。使用ZigBee無線通信，降低了現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點間的距離或者方位進行測量，但只能實現粗粒度的定位。本文設計的系統使用基于距離的定位算法以實現更高定位性能。在本系統中，工廠空間安裝有已知三維坐標的ZigBee信標節點，員工佩戴待定位ZigBee未知節點。未知節點與信標節點通信，利用無線信號強度Rssi衰減原理進行測距以獲取未知節點與信標節點距離，再根據距離數據進行三維定位運算獲取未知節點三維坐標。最終，監控人員可以在Web頁面通過模擬仿真、三維立體可視化技術，形象實現工廠工人生產實際狀況。
1 ZigBee無線采集網絡面臨的問題
　首先是系統設計搭建，需要考慮ZigBee無線傳感數據采集感知網絡與監控平臺之間的通信模式、系統架構可使用的軟硬件資源及通信應用支持環境[2]。基于ZigBee的無線傳感網絡屬于分布式監測系統范疇，其主要面臨以下兩個問題：
　（1）不同通信協議的交叉傳輸
　ZigBee具有有限的傳輸距離[3]，大范圍長距離的數據傳輸需要采用不同的通信協議ZigBee、WiFi、IP有線網絡以及3G等通信方式支撐，這使得無線傳感器數據采集系統網絡更加復雜。
?。?）監測終端的訪問控制問題
　通信過程中進行數據交互傳輸需要經?？缭讲煌娦欧丈虣C構的不同網絡。為了數據保密性的需求，往往無線傳感器網絡采集的數據是經過加密后傳輸的，以及設置數據訪問加密認證環節[4]。但是，如果在各個通信環節上各自實現復雜的訪問控制加密策略，會消耗系統本身有限硬件資源及能源。
2 基于ZigBee的3D定位系統
2.1 ZigBee的三維定位系統架構
　經過對一些工廠實際調研分析，將利用ZigBee分布式網絡有限的存儲和計算能力完成3D定位系統。本系統設計分為3層：ZigBee無線網絡傳感數據采集系統、遠程數據傳輸終端RTU以及服務器數據計算中心，如圖1所示。

　基于ZigBee的工廠三維分布式監測定位系統設計有以下幾個特別重要的因素：
?。?）基于ZigBee無線傳感器網絡采集測距數據，因工業生產環境特殊，安裝不方便，ZigBee節點符合安全性設計要求[5]。
　（2）無線網絡節點采集的距離數據通過網絡內的中心節點傳送給RTU（遠程數據傳輸終端），RTU支持WiFi、2G/3G、IP等多種通信方式，RTU要對這些數據進行處理整合，去除冗余信息、數據類型、增加位置編號等信息，并在其上面實現數據存儲、加密以及訪問控制。
?。?）無線傳感網絡節點采集到的數據經RTU進行處理之后，由RTU轉發給服務器端數據庫。再由服務器端應用程序調取數據庫數據計算出三維位置。最后，監控端用戶注冊、登錄、設置權限等基本功能后可以以訪問網頁、數據庫或者三維立體圖形多種形式查看位置信息數據。
2.2 系統通信流程圖
　系統采用自主運行模式，通過設置的時間或者事件觸發方式自行掌握數據采集地點和時間。本系統設計的基于ZigBee的定位系統信息處理流程如圖2所示。

2.3 數據遠程終端RTU設計
　由上節可以看到，RTU在本系統中具有舉足輕重的地位，它實現了多種通信協議轉換以及訪問控制。使用ARM9微處理器設計本系統RTU。首先，ARM9具有豐富接口，如USB、RS232、RS485等，可以支持多種通信協議的儀器儀表；其次，ARM9具有豐富的存儲資源，在網絡離線狀態時，用來本地存儲重要數據，待檢測到網絡恢復后再上傳數據；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，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系統簡明結構圖如圖3所示。

　數據終端系統RTU網關通過串口連接ZigBee中心節點，然后采用WiFi、3G或者IP有線網絡實現對ZigBee中心節點的測距數據進行遠程轉發傳輸。它主要完成兩種功能：（1）當網絡出現通信故障時，可以實現不同的通信協議之間切換，使其繼續正常工作；（2）當網絡中斷時，可以選擇性存儲重要數據在RTU端，待網絡恢復自動上傳存儲數據。本系統使用的RTU數據協議轉換流程，即將802.15.4協議的ZigBee模塊接收到的數據，經串口協議封裝之后傳給ARM模塊，ARM再將數據解析經802.11的WiFi協議傳輸。具體協議轉換流程如圖4所示。

　數據經過以上協議封裝、解析之后，最終傳輸到服務器計算中心數據庫，服務器端定位程序進行定位運算。
3 粒子群定位算法
　定位技術作為網絡協議和應用的基礎，已經成為無線傳感器網絡重要的支撐技術之一。針對傳統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。粒子群優化算法PSO（Particle Swarm Optimization）是基于群體智能的全局優化技術，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，提供了現階段技術實現上比較合理的解決方案。采用遠程傳輸終端系統RTU完成數據采集通信方式轉換，在服務器端采用基于加權的粒子群定位算法對未知節點進行定位運算。經實驗測試證明，本系統具有較高的定位精度，較好地實現了節點定位，在工業自動化領域將有廣闊的發展應用前景。
參考文獻
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