基于ZigBee的室内无线定位系统的设计

鲁哲 秦实宏

摘  要：为了使监控中心对AGV（Automated Guided Vehicle）的运行进行更精确的定位监控，设计了一种基于ZigBee的室内无线定位系统。首先完成了无线定位系统的硬件设计。然后考虑功耗成本精确度等方面，文章采用基于RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示）的三边定位算法实现定位。同时为了更好的提高定位的精确度，采取了差分修正算法。最后进行了测试。测试结果表明，本设计可以实现监控中心对AGV的实时定位，并且系统的功耗较小成本较低精度也较高。

关键词：ZigBee;AGV;RSSI

中图分类号：TP272         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）06-0094-03

1 概述

AGV是自动导航车的英文缩写。它配备了非接触式自动引导装置，如电磁或光学和独立寻址系统[1]。近年来，在快速先进的网络技术背景下，许多学者通过网络锁定了AGV智能车无线通信方面的探究方向。电信网络发展的前提和基础是计算机网络和自动控制技术，他们用于运输和环境监测，工业自动化和智能家居系统，还可以实时监控相关信息，例如现场参数的波动[2]。无线通信技术的出现和应用也使有线传输成为一种新的方式。随着时代的快速发展，ZigBee无线通信技术已成为公众关注的关键，它具有双向性，而且间距小，成本低，复杂度低，功耗小，数据速率小[3]。由它创建的传感器网络随处可见，远程监控和自动控制领域的应用频率相对较高。它特别适用于易于组装并且通信数据量不太高的情况[4]。在当代社会，在科技进步的推动下，生活和生产的便利性越来越受到人们的青睐。与此同时，AGV技术的应用已开始成为越来越多相关人员的研究对象。如今，大多數AGV通常将电池组装为驱动器，并具有用于无人运输操作的非接触式导航设备。通过上位机监控技术可以更好的发挥AGV的功能。通过精心规划的路径和操作，AGV可以更精确地在路径上行走并精确到达指定位置。在现在大多数生产物流领域中，作为“不用付工资的搬运工”，AGV技术越来越多的得到大家的偏爱，特别是在某些对速度还有搬运频率有特殊要求的工作区间等伴随一定危险的工业领域，与人工相比，AGV小车拥有的优势非常明显。

目前，在现代的工作区，上位机实时监控的基础是建立室内无线定位系统。随着工业技术和电子产品技术的快速发展，一些工业生产领域对室内无线定位技术的要求越来越高。通过研究，本文设计了一种低成本、相对简单、易于实现的室内无线定位系统，可以更好的实现AGV在室内环境中的实时监控和定位。

2 定位系统硬件设计

基于ZigBee的室内无线定位原理是选择几个CC2530模块，并将这些选定的模块作为我们需要的参考节点。然后选择房间中的一些位置放置他们，根据这些参考节点的坐标位置创建一个平面直角坐标系，目标选择AGV承载的CC2530模块被视为移动节点，具体取决于接收信号的强度大小。运用算法公式计算相对于各个参考节点的距离长短来得出目标的最终位置坐标。理论上，在ZigBee无线网络中，如果移动节点发送的信号信息由至少两个参考节点接收，则可以反馈具有信号强度的信息，之后我们就可以把数据带入公式中来计算移动节点的相对位置坐标的值。

本文设计的系统硬件包括四个部分：（1）网关节点;（2）四个参考节点;（3）一个移动节点;（4）四个天线。本文选取了四个CC2530模块，把他们作为参考节点，然后在IAR（Internal Area Router）环境下，还给选择的四个参考节点标注了号码，不同的编号表示的参考节点也不一样。我们选择其中一个作为移动节点，相当于路由器。CC2530模块与支持的开发板一起构成网关节点。

3.3 定位算法流程

在整个定位过程中，移动节点向指定室内区域中的参考节点发送信号，参考节点在一段时间内收集信号。然后获得信号强度的平均值，将该值发给移动节点，之后移动节点将获得的平均值发送到网关节点。网关直接将数据传到上位机，并在上位机运行定位算法来计算坐标值。图1为算法流程图。

4 定位测试结果

所选取室内的环境不同，在测距的过程中各因素对信号的干扰不同，频射参数的标定值也肯定不同的。在测试过程中，在电源供电方面，我们选择电池给参考节点和移动节点提供电量，使用USB给网关节点充电。对于测试的环境选择，本文选择在一个10×10m的房间里面进行。在测试过程中，我们给网关以及各节点均装设LED指示灯，当他们有数据收发时，LED灯都会出现闪烁提示。

在一个10×10m房间里面，先构建一个直角坐标系，在这个坐标系里从原点开始设定一个边长为4m的正方形，将参考节点位置设置在正方形的四个顶点，然后节点4坐标为（0，0），节点1为（4，0），节点2为（4，4），节点3为（0，4）。我们记录所有的移动节点和每个参考节点的距离长度的变化值，读取RSSI值，并计算每个信号强度下移动节点和参考节点之间的通信距离的平均值。利用公式算出最优参数A、n的值。

经过测试可知，本系统可以较好的完成在一定空间内对AGV小车进行实时定位监控的目的。在测试过程中，我们发现当移动节点靠近墙壁时，干扰相对较大，定位系统误差也相比较而言较大。相比较其他不测距定位算法，本系统采用RSSI算法受室内环境因素的影响较大，所以定位结果会有一定的误差，但这也是最简单实用的测距技术，而且我们在此基础上用差分修正算法，减少了误差，提高了定位精度，在正确输入A、n的情况下精度可以达到0.5-1米之间。

5 结束语

本设计利用ZigBee技术研究完成了整个室内无线定位系统，采用了RSSI定位算法，实现了对AGV小车的实时监控定位，并且还采用了差分修正算法对定位的精度做了进一步的提高。经过测试，本文设计的无线定位系统可以较好的实现定位的监测并有较高的精度保障，定位精度可以达到1米以内，达到了预期的效果。该无线定位系统可以应用于各种工业环境中，实现对厂区内部的定位监控的目的。

参考文献：

[1]冯锋.AGV自动引导小车[D].镇江：江苏科技大学，2008：1-2.

[2]冯潇，刘秋丽.ZigBee在油田远程监控系统中的应用[J].石油仪器，2006，28（1）：59-62，72.

[3]周杨.基于ZigBee的短距离通信技术研究[D].浙江：浙江工业大学，2009.

[4]高守玮，吴灿阳，杨超，等.技术实践教程[M].北京航空航天大学出版社，2009.

[5]杨满，翟宏伟.基于ZigBee技术的矿井井下人员精确定位的实现[J].安防科技，2011，8：10-14.

[6]徐春妹，陈芳芳.井下人员定位系统[J].无线通信技术，2006（3）：52-55.