摘  要： 介紹了一種基于Zigbee技術(shù)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(jìn)行設(shè)計(jì)，主要功能為在既定區(qū)域內(nèi)實(shí)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(diǎn)。
關(guān)鍵詞： Zigbee；RSSI；區(qū)域定位

    隨著無線通信和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于位置的服務(wù)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(huì)由于衛(wèi)星信號被阻隔而無法完成定位。與此同時(shí)，室內(nèi)定位服務(wù)的需求卻日益增加。因此，室內(nèi)定位技術(shù)的研究成為各大高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]。由于Zigbee技術(shù)具有低數(shù)據(jù)速率、自組網(wǎng)、近距離、低成本、低復(fù)雜度、低功耗等[2-3]優(yōu)點(diǎn)，因此本系統(tǒng)以Zigbee技術(shù)為框架進(jìn)行設(shè)計(jì)。
    本文以一個(gè)大型室內(nèi)貨物倉庫為系統(tǒng)的實(shí)施目標(biāo)進(jìn)行研究。一般而言，在一個(gè)大型貨物倉庫的日常運(yùn)營中通常會(huì)存在以下幾個(gè)問題：(1)貨物管理員對倉庫的搬運(yùn)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(gè)區(qū)域間及時(shí)調(diào)配與貨物吞吐量相應(yīng)的工人和車輛；(3)當(dāng)某區(qū)域貨物吞吐量激增時(shí)，管理員不能很恰當(dāng)?shù)貎?yōu)先調(diào)配其附近的人員及車輛；(4)搬運(yùn)工之間、搬運(yùn)工與倉庫管理員之間不能及時(shí)、清晰、無誤地傳達(dá)信息；(5)搬運(yùn)工作所需人手多，運(yùn)營成本高。
    為了減少此類問題的出現(xiàn)，本系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)調(diào)度管理員可以實(shí)時(shí)掌握每輛搬運(yùn)車和每名搬運(yùn)工在倉庫內(nèi)的具體位置；(2)在實(shí)現(xiàn)定位的同時(shí)，倉庫工作人員之間可以進(jìn)行一對一的信息發(fā)送及語音通信；(3)調(diào)度中心應(yīng)具備較為高效的貨物信息處理及相應(yīng)的調(diào)度模式甚至遠(yuǎn)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(yùn)工作量、搬運(yùn)物品的緊急程度、貴重等級等信息及時(shí)調(diào)配相應(yīng)的搬運(yùn)人員與搬運(yùn)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(yùn)車輛及搬運(yùn)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(guān)、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(guān)負(fù)責(zé)在倉庫中建立、維護(hù)與管理無線網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)行定位；車輛定位終端是用來實(shí)現(xiàn)車輛定位的車載器件；手持終端用來實(shí)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(yùn)需要及時(shí)有效地調(diào)度管理倉庫工作人員與車輛的硬件PC機(jī)及相關(guān)定位監(jiān)控軟件。
    在本系統(tǒng)中，定位及控制網(wǎng)關(guān)與定位輔助器以Zigbee CC2430通信節(jié)點(diǎn)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(diǎn)代替。
2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)按功能還可以劃分為可視化定位、節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)的。
    RSSI是指通信節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號強(qiáng)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(shí)的信號強(qiáng)度。
    在RSSI定位中，已知節(jié)點(diǎn)的信號發(fā)射強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號的強(qiáng)度計(jì)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(diǎn)的位置[5-6]。
    可視化定位功能實(shí)現(xiàn)步驟如下：連接網(wǎng)關(guān)與PC機(jī)；根據(jù)倉庫的實(shí)際布局，在倉庫頂部等間隔安裝定位輔助器；網(wǎng)關(guān)建立網(wǎng)絡(luò)，定位輔助器、定位終端、手持終端加入網(wǎng)絡(luò)；在調(diào)度中心的定位監(jiān)控軟件上配置各個(gè)定位輔助器的具體坐標(biāo)，并添加實(shí)景地圖；手持及定位終端根據(jù)接收到的各個(gè)定位輔助器的X、Y坐標(biāo)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(jìn)行定位運(yùn)算,從而得出自身在有效區(qū)域內(nèi)的X、Y坐標(biāo)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(jì)算出定位結(jié)果之后，每個(gè)定位終端會(huì)將自身的坐標(biāo)值發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)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(diǎn)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(jī)內(nèi)核的ADC外設(shè)完成對語音信號的A/D轉(zhuǎn)換，利用PWM功能構(gòu)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(shí)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(diǎn)也可以大大延長系統(tǒng)工作時(shí)間[10]。語音傳輸系統(tǒng)的硬件電路如圖5所示。

    本方案設(shè)計(jì)為網(wǎng)關(guān)與手持終端間的半雙工通信。網(wǎng)絡(luò)建立后，網(wǎng)關(guān)與手持終端都處于無線接收狀態(tài)，網(wǎng)關(guān)可以通過“通話”、“停止”兩個(gè)按鍵主動(dòng)控制與手持終端的通話與停止。手持終端如需通話，則應(yīng)按“請求”鍵向網(wǎng)關(guān)發(fā)出申請，如果網(wǎng)關(guān)空閑，則發(fā)命令給手持終端開啟通話。網(wǎng)關(guān)停止通話需要按“停止”鍵，此時(shí)手持終端會(huì)停止語音發(fā)送，并通知網(wǎng)關(guān)。
2.3 車輛控制
    由于現(xiàn)實(shí)條件的限制，在本論文中，貨物搬運(yùn)車由遙控小車模擬。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)搬運(yùn)車上的定位終端對智能小車的控制。然后在PC機(jī)上通過上位機(jī)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(shí)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(shí)需要來管理倉庫工作人員及搬運(yùn)車輛的硬件PC機(jī)及相關(guān)定位監(jiān)控軟件。
    當(dāng)某一區(qū)域有搬運(yùn)需要時(shí)，貨車司機(jī)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(huì)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(dòng)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(dá)到相關(guān)人員的手持及車載定位終端，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省時(shí)間、避免失誤、最大化工作效率的目的。
    此外，有時(shí)會(huì)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(dá)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(shí)時(shí)看到每輛搬運(yùn)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(shí)條件的限制，貨物搬運(yùn)車由智能遙控小車充當(dāng)，以模擬當(dāng)貨物搬運(yùn)路線為直線或者其他復(fù)雜程度不高的線路時(shí)，管理人員可以直接通過定位監(jiān)控軟件遙控車輛的移動(dòng)，或者讓車輛自動(dòng)往返搬運(yùn)，以實(shí)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(dòng)；(2)配合定位顯示進(jìn)行控制操作，并在操作窗口實(shí)時(shí)顯示出操作者的各項(xiàng)操作步驟；(3)控制軟件將各操作步驟按照操作時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。
    本文以一個(gè)大型物流倉庫為實(shí)施目標(biāo)，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(yīng)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(jī)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(dāng)倉庫某一進(jìn)貨口有貨物需要進(jìn)出倉庫時(shí)，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(jià)、是否需要特殊處理等信息，調(diào)度管理中心就會(huì)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(dòng)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(dá)給相關(guān)人員的手持終端及車載定位終端，通知該進(jìn)貨口附近的相關(guān)工作人員和貨物搬運(yùn)車在該進(jìn)貨口待命。此外，本系統(tǒng)還可以實(shí)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(jìn)行語音通信或搬運(yùn)車輛的無人駕駛等功能，從而達(dá)到節(jié)省搬運(yùn)時(shí)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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