摘 要：大型工厂由许多零散机械设备组成，员工使用这些设备作业生产，并且需要对其定期检查维护。为了及时获取员工工作位置信息，并对紧急事件及时响应和决策，研发设计了基于ZigBee的工厂三维定位系统。定位算法采用了改进加权粒子群技术，具有较高的定位精度，实验证明，系统能够满足工厂三维定位应用需求。
关键词：ZigBee；RTU；粒子群；三维定位
大型工厂通常由许多生产设备等组成，比如油田钻井平台施工设备甚至野外作业，应用环境恶劣，而且数量多、分布零散。员工使用这些设备作业生产，并需要定期检查维护，在遇到突发事件时，专家可以远程会诊，给予即时技术支持。目前使用的定位系统多是二维的，但是由于地形或者建筑楼层限制而不能得到精确的地理位置信息。所以，本文设计了基于ZigBee的三维定位系统。ZigBee定位系统具有成本低、安装方便、通信频段免费等优点。使用ZigBee无线通信，降低了现场设备安装的复杂度，减少有线布设及降低施工费用，降低了设备运行时线缆损坏而带来的设备故障概率[1]。
无线传感网络定位算法可以分为两类：基于距离的和距离无关的定位算法。距离无关的定位算法不需要对节点间的距离或者方位进行测量，但只能实现粗粒度的定位。本文设计的系统使用基于距离的定位算法以实现更高定位性能。在本系统中，工厂空间安装有已知三维坐标的ZigBee信标节点，员工佩戴待定位ZigBee未知节点。未知节点与信标节点通信，利用无线信号强度Rssi衰减原理进行测距以获取未知节点与信标节点距离，再根据距离数据进行三维定位运算获取未知节点三维坐标。最终，监控人员可以在Web页面通过模拟仿真、三维立体可视化技术，形象实现工厂工人生产实际状况。
1 ZigBee无线采集网络面临的问题
首先是系统设计搭建，需要考虑ZigBee无线传感数据采集感知网络与监控平台之间的通信模式、系统架构可使用的软硬件资源及通信应用支持环境[2]。基于ZigBee的无线传感网络属于分布式监测系统范畴，其主要面临以下两个问题：
（1）不同通信协议的交叉传输
ZigBee具有有限的传输距离[3]，大范围长距离的数据传输需要采用不同的通信协议ZigBee、WiFi、IP有线网络以及3G等通信方式支撑，这使得无线传感器数据采集系统网络更加复杂。
（2）监测终端的访问控制问题
通信过程中进行数据交互传输需要经常跨越不同电信服务商机构的不同网络。为了数据保密性的需求，往往无线传感器网络采集的数据是经过加密后传输的，以及设置数据访问加密认证环节[4]。但是，如果在各个通信环节上各自实现复杂的访问控制加密策略，会消耗系统本身有限硬件资源及能源。
2 基于ZigBee的3D定位系统
2.1 ZigBee的三维定位系统架构
经过对一些工厂实际调研分析，将利用ZigBee分布式网络有限的存储和计算能力完成3D定位系统。本系统设计分为3层：ZigBee无线网络传感数据采集系统、远程数据传输终端RTU以及服务器数据计算中心，如图1所示。
基于ZigBee的工厂三维分布式监测定位系统设计有以下几个特别重要的因素：
（1）基于ZigBee无线传感器网络采集测距数据，因工业生产环境特殊，安装不方便，ZigBee节点符合安全性设计要求[5]。
（2）无线网络节点采集的距离数据通过网络内的中心节点传送给RTU（远程数据传输终端），RTU支持WiFi、2G/3G、IP等多种通信方式，RTU要对这些数据进行处理整合，去除冗余信息、数据类型、增加位置编号等信息，并在其上面实现数据存储、加密以及访问控制。
（3）无线传感网络节点采集到的数据经RTU进行处理之后，由RTU转发给服务器端数据库。再由服务器端应用程序调取数据库数据计算出三维位置。最后，监控端用户注册、登录、设置权限等基本功能后可以以访问网页、数据库或者三维立体图形多种形式查看位置信息数据。
2.2 系统通信流程图
系统采用自主运行模式，通过设置的时间或者事件触发方式自行掌握数据采集地点和时间。本系统设计的基于ZigBee的定位系统信息处理流程如图2所示。
2.3 数据远程终端RTU设计
由上节可以看到，RTU在本系统中具有举足轻重的地位，它实现了多种通信协议转换以及访问控制。使用ARM9微处理器设计本系统RTU。首先，ARM9具有丰富接口，如USB、RS232、RS485等，可以支持多种通信协议的仪器仪表；其次，ARM9具有丰富的存储资源，在网络离线状态时，用来本地存储重要数据，待检测到网络恢复后再上传数据；另外，它也具有比较强大的运算能力，可以运行WinCE、Linux等嵌入式操作系统，支持多任务的多线程或者多进程的信息处理[6]。
本文设计的RTU系统简明结构图如图3所示。
数据终端系统RTU网关通过串口连接ZigBee中心节点，然后采用WiFi、3G或者IP有线网络实现对ZigBee中心节点的测距数据进行远程转发传输。它主要完成两种功能：（1）当网络出现通信故障时，可以实现不同的通信协议之间切换，使其继续正常工作；（2）当网络中断时，可以选择性存储重要数据在RTU端，待网络恢复自动上传存储数据。本系统使用的RTU数据协议转换流程，即将802.15.4协议的ZigBee模块接收到的数据，经串口协议封装之后传给ARM模块，ARM再将数据解析经802.11的WiFi协议传输。具体协议转换流程如图4所示。
数据经过以上协议封装、解析之后，最终传输到服务器计算中心数据库，服务器端定位程序进行定位运算。
3 粒子群定位算法
定位技术作为网络协议和应用的基础，已经成为无线传感器网络重要的支撑技术之一。针对传统的四边测量法和最小二乘法定位精度差的缺点，本文设计了基于加权的粒子群算法。粒子群优化算法PSO（Particle Swarm Optimization）是基于群体智能的全局优化技术，最早由美国电气工程师Kennedy和社会心理学家Ebethart在1995年根据群鸟觅食提出来的[7]。
通过两种算法误差比较可以得出，在相同情况下，粒子群算法比最小二乘法定位精度提高了很多，证明了本文使用粒子群定位算法提高定位精度的合理性，但代价是计算复杂度提高。
本文设计了基于ZigBee的工厂三维定位系统，提供了现阶段技术实现上比较合理的解决方案。采用远程传输终端系统RTU完成数据采集通信方式转换，在服务器端采用基于加权的粒子群定位算法对未知节点进行定位运算。经实验测试证明，本系统具有较高的定位精度，较好地实现了节点定位，在工业自动化领域将有广阔的发展应用前景。
参考文献
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