基于Zigbee的區域定位及通信控制系統*

王敬卿，章 杰，程樹英

(福州大學 物理與信息工程學院 微納器件與太陽能電池研究所，福建 福州350108)

隨著無線通信和無線傳感器網絡技術的發展，基于位置的服務顯得越來越重要。在室外環境下，全球定位系統(GPS)及北斗系統已經較為成功地解決了定位問題。而在室內或者某些較為狹窄封閉的環境下，GPS系統會由于衛星信號被阻隔而無法完成定位。與此同時，室內定位服務的需求卻日益增加。因此，室內定位技術的研究成為各大高校、研究機構和企業的一個研究熱點[1]。由于Zigbee技術具有低數據速率、自組網、近距離、低成本、低復雜度、低功耗等[2-3]優點，因此本系統以Zigbee技術為框架進行設計。

本文以一個大型室內貨物倉庫為系統的實施目標進行研究。一般而言，在一個大型貨物倉庫的日常運營中通常會存在以下幾個問題：(1)貨物管理員對倉庫的搬運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區域間及時調配與貨物吞吐量相應的工人和車輛；(3)當某區域貨物吞吐量激增時，管理員不能很恰當地優先調配其附近的人員及車輛；(4)搬運工之間、搬運工與倉庫管理員之間不能及時、清晰、無誤地傳達信息；(5)搬運工作所需人手多，運營成本高。

為了減少此類問題的出現，本系統應實現以下功能：(1)調度管理員可以實時掌握每輛搬運車和每名搬運工在倉庫內的具體位置；(2)在實現定位的同時，倉庫工作人員之間可以進行一對一的信息發送及語音通信；(3)調度中心應具備較為高效的貨物信息處理及相應的調度模式甚至遠程控制功能。

這樣，貨物調度管理員就可以根據不同區域的貨物搬運工作量、搬運物品的緊急程度、貴重等級等信息及時調配相應的搬運人員與搬運車輛。此外，還可以根據工作人員的調配請求，選擇調配附近區域的搬運車輛及搬運人員，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象。

1 系統整體方案

本系統按硬件可以劃分為定位及控制網關、定位輔助器、車輛定位終端、工作人員的手持終端以及調度管理中心，如圖1所示。

圖1中，定位及控制網關負責在倉庫中建立、維護與管理無線網絡，發布調度控制命令等功能；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行定位；車輛定位終端是用來實現車輛定位的車載器件；手持終端用來實現人員定位、信息發送及語音通信；調度管理中心則指管理員根據定位結果以及搬運需要及時有效地調度管理倉庫工作人員與車輛的硬件PC機及相關定位監控軟件。

在本系統中，定位及控制網關與定位輔助器以Zigbee CC2430通信節點代替，而車輛定位終端以及工作人員的手持終端則是以Zigbee CC2431通信節點代替。

2 系統功能實現

本系統按功能還可以劃分為可視化定位、節點間通信、車輛控制以及調度管理中心。

2.1 可視化定位

本系統中的定位功能是基于CC2431無線定位引擎的RSSI算法實現的。

RSSI是指通信節點接收到的無線信號強度大小[4]。RSSI的理論值可以表示為：

式中，n為信號傳播常數；d為與發送者的距離；A為距發送者1 m時的信號強度。

在RSSI定位中，已知節點的信號發射強度，接收節點根據收到信號的強度計算出信號的傳播損耗并利用理論模型將傳輸損耗轉化為距離，再利用已有算法得出節點的位置[5-6]。

可視化定位功能實現步驟如下：連接網關與PC機；根據倉庫的實際布局，在倉庫頂部等間隔安裝定位輔助器；網關建立網絡，定位輔助器、定位終端、手持終端加入網絡；在調度中心的定位監控軟件上配置各個定位輔助器的具體坐標，并添加實景地圖；手持及定位終端根據接收到的各個定位輔助器的X、Y坐標值及定位輔助器與定位終端之間的RSSI值，依靠其內部的定位引擎進行定位運算,從而得出自身在有效區域內的 X、Y坐標值[7]。定位引擎的輸入輸出及操作流程如圖2、圖3所示。

在定位引擎計算出定位結果之后，每個定位終端會將自身的坐標值發送給網關，由網關匯總傳送給調度管理中心并通過定位監控軟件把所有定位終端的位置顯示出來。

2.2 節點間通信

語音通信系統圖如圖4所示。系統以CC2430/2431芯片為核心，利用其8051單片機內核的ADC外設完成對語音信號的A/D轉換，利用PWM功能構成DAC完成語音的播放，數據的收發則通過片內的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轉換器和可編程PWM通道，實現語音信號的A/D和D/A轉換，從而無需外部的語音 Codec(編解碼器)器件，降低了成本，系統更加精簡[9]。而該MCU的低功耗特點也可以大大延長系統工作時間[10]。語音傳輸系統的硬件電路如圖5所示。

本方案設計為網關與手持終端間的半雙工通信。網絡建立后，網關與手持終端都處于無線接收狀態，網關可以通過“通話”、“停止”兩個按鍵主動控制與手持終端的通話與停止。手持終端如需通話，則應按“請求”鍵向網關發出申請，如果網關空閑，則發命令給手持終端開啟通話。網關停止通話需要按“停止”鍵，此時手持終端會停止語音發送，并通知網關。

2.3 車輛控制

由于現實條件的限制，在本論文中，貨物搬運車由遙控小車模擬。同時，為保證系統的整體性與完整性，系統需要調度管理中心能夠實現對智能小車的控制，這里分兩步來完成。首先實現搬運車上的定位終端對智能小車的控制。然后在PC機上通過上位機控制系統協調器，再由協調器控制車載定位終端，最終實現控制智能小車的目的。

2.4 調度管理中心

調度管理中心是指倉庫管理員依據可視化的定位結果以及現實需要來管理倉庫工作人員及搬運車輛的硬件PC機及相關定位監控軟件。

當某一區域有搬運需要時，貨車司機將提前發出通知。管理員只需在定位監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，調度中心就會根據該區附近空閑人員的人力效率、熟練程度等信息自動生成調配信息表，并把此調配信息與貨物吞吐量、貴重等級、緊急程度等信息下達到相關人員的手持及車載定位終端，從而實現節省時間、避免失誤、最大化工作效率的目的。

此外，有時會出現貨物吞吐量與可調配工作人員比例不符的現象，而在本系統中，工作人員可以利用手持終端傳達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送調配請求，這樣就可以避免許多由于信息不暢而造成的混亂等現象。并且，倉庫管理員可以在調度管理中心通過定位監控軟件全程實時看到每輛搬運車以及每位工作人員在倉庫中所處的位置。

本系統中，由于現實條件的限制，貨物搬運車由智能遙控小車充當，以模擬當貨物搬運路線為直線或者其他復雜程度不高的線路時，管理人員可以直接通過定位監控軟件遙控車輛的移動，或者讓車輛自動往返搬運，以實現減少人力成本、提高工作效率的目的。

本系統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；(2)配合定位顯示進行控制操作，并在操作窗口實時顯示出操作者的各項操作步驟；(3)控制軟件將各操作步驟按照操作時間進行數據保存。

本文以一個大型物流倉庫為實施目標，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域定位及通信控制系統。該系統可以廣泛應用于各種居民生活小區與物流倉庫。

通過本系統，管理人員可以在調度管理中心的PC機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域內的具體位置，使定位可視化。此外，當倉庫某一進貨口有貨物需要進出倉庫時，調度管理員只需要在定位監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、是否需要特殊處理等信息，調度管理中心就會根據該區附近空閑人員的人力效率、熟練程度等信息自動生成調配信息表，并將此調配信息與貨物信息直接下達給相關人員的手持終端及車載定位終端，通知該進貨口附近的相關工作人員和貨物搬運車在該進貨口待命。此外，本系統還可以實現工作人員之間、工作人員與調度管理員之間發送調配請求、進行語音通信或搬運車輛的無人駕駛等功能，從而達到節省搬運時間、避免工作失誤、減少人力成本、提高工作效率的目的。

[1]Zigbee Alliance Inc.Zigbee Specification(Version 1.0)[A].2005．

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[9]徐正弟，莊奕琪，韋奮．基于Zigbee的語音通信技術[J]．單片機與嵌入式系統應用，2007(3)：77-79．

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