基于ZigBee的AGV小車無線通信系統(tǒng)的設(shè)計

魯哲　秦實宏

摘要：AGV（Automated Guided Vehicle）小車在諸多領(lǐng)域都得到了高頻次的運用，譬如物流配送、自動化生產(chǎn)線等。在部分境況之下，任務(wù)的完成通常需要數(shù)臺小車一起發(fā)揮功用，故而有效地達成對多臺AGV小車協(xié)作的良好控制就顯得十分關(guān)鍵。近年來，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速精進的大背景下，諸多學者已經(jīng)將探究的方向鎖定為借助網(wǎng)絡(luò)來達成AGV智能小車的無線通信方面。本文介紹了一種基于ZigBee的多臺AGV智能小車無線通信控制系統(tǒng)設(shè)計的方法。通過建立基于ZigBee的無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺，可以實現(xiàn)多臺AGV小車之間或者AGV智能小車與計算機之間的無線通信功能。實驗結(jié)果表明，運用ZigBee技術(shù)，可以通過計算機有效控制單臺小車的速度與方向，并使得多車協(xié)調(diào)編隊控制得以達成。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線通信網(wǎng)絡(luò)；AGV

中圖分類號：TP272 文獻標志碼：A 文章編號：1009-3044（2018）19-0261-03

Abstract： AGV（Automated Guided Vehicle）has been used at a high frequency in many fields， such as logistics distribution and automated production lines. In some circumstances， the completion of the task usually requires several AGVs to work together. Therefore， it is crucial to effectively achieve good control over the collaboration of multiple AGVs. In recent years， many scholars have locked the direction of inquiry into the use of networks to achieve wireless communication of AGVs under the background of rapid advancement of network technology.This paper describes the design method for a wireless communication control system based on AGV with ZigBee. Wireless communication network platform based on ZigBee has realized a wireless communication function between AGVs，or between AGVs and computers.The experimental results clearly demonstrate that the speed and direction of a single vehicle can be effectively controlled by the computer， and the coordination of multiple vehicles can be achieved by using ZigBee technology.

Key words： ZigBee； wireless communication network； AGV

AGV 是自動導航小車的英文縮寫，是一種自主駕駛、無人操縱、以電池為動力的自動化運輸設(shè)備，裝有電磁或者光學等非接觸自動導向裝置和獨立尋址系統(tǒng)[1]。AGV小車在諸多領(lǐng)域中均得到了較高頻次的運用，譬如智能倉儲管理等。在部分境況之下，任務(wù)的完成通常需要數(shù)臺小車一起發(fā)揮功用，故而有效地達成對多臺AGV小車協(xié)作的良好控制就顯得十分關(guān)鍵。近年來，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速精進的大背景下，諸多學者已經(jīng)將探究的方向鎖定為借助網(wǎng)絡(luò)來達成AGV智能小車的無線通信方面。遠程通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的前提與根基為計算機網(wǎng)絡(luò)、自動控制技術(shù)，其在交通及環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)自動化、智能家居系統(tǒng)等方面的運用相對較多，可以對有關(guān)的信息進行實時的監(jiān)測，譬如現(xiàn)場參數(shù)波動等[2]。將其與無線通信技術(shù)緊密地融合在一起，能夠使其互相補充對方的欠缺之處，在前者的作用之下，后者所覆蓋的范疇大大增加；而后者的出現(xiàn)及運用，也使得前者的有線傳輸有了全新的途徑。伴隨后者的持續(xù)快步發(fā)展，ZigBee無線通信技術(shù)成為公眾所矚目的關(guān)鍵，它具有雙向性，而且間距小、造價少、繁雜度低、功耗小、數(shù)據(jù)速率偏小[3]。它所創(chuàng)設(shè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)隨處可見，在遠程監(jiān)控、自動控制等領(lǐng)域中的運用頻率相對較高，且在易于裝配運用、通信數(shù)據(jù)量不是過高、排布范疇偏小的境況下尤為適合使用[4]。其監(jiān)控具有制約性，主要是由于無線網(wǎng)絡(luò)排布范疇的約束而造成，若想將切切實實的遠程監(jiān)控實現(xiàn)，就必須從Internet處借力。Internet的快步發(fā)展，有力地促成了控制領(lǐng)域?qū)h程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大范圍運用，從而使相應(yīng)的監(jiān)控覆蓋面大大提升，而且表現(xiàn)出了更加強勁的實時性，不管在確保系統(tǒng)處于平穩(wěn)高效的工作狀態(tài)、集中監(jiān)控方面，還是在將極大的便利供應(yīng)給相應(yīng)的系統(tǒng)控制管理活動方面，抑或是資源節(jié)約方面，都表現(xiàn)出了自己獨有的關(guān)鍵價值[5]。在智能小車技術(shù)當中融入無線通信網(wǎng)絡(luò)，有效地使對于前者的控制更加高效，不再因為網(wǎng)絡(luò)而受到各種制約。對Internet遠程監(jiān)控的良好運用，使得智能小車的監(jiān)控系統(tǒng)不再被困于監(jiān)控室之內(nèi)，在開放性方面有了突破性的改變[6]。僅需與Internet相連就能夠監(jiān)測系統(tǒng)，而于時間及所處的位置都不存在絲毫的關(guān)聯(lián)性。借助對平臺的遠程監(jiān)控，能夠使工作者順應(yīng)AGV智能小車所面對的繁雜度持續(xù)上漲的應(yīng)用環(huán)境，從而及早擺脫風險，以防生命健康受到威脅。對成熟軟、硬件條件的合理運用，發(fā)揮其較佳的交互性，廣泛的共同分享特性，能夠在更多的領(lǐng)域內(nèi)高效地運用AGV小車的遠程無線通信控制，譬如遠程醫(yī)療等，發(fā)展的前景十分可觀。故而，針對此方面展開深度探究，頗具現(xiàn)實價值[7]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于ZigBee的AGV小車遠程無線通信系統(tǒng)的設(shè)計由AGV智能小車、監(jiān)控軟件、通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)作控制四個部分所共同組成。此系統(tǒng)要求：

（1） 無線遠程通信。借助無線網(wǎng)絡(luò)，可以使上位機和多臺AGV智能小車相互間的雙向通信得以達成；

（2） 上位機監(jiān)測。借助與其相對應(yīng)的監(jiān)控軟件，能夠?qū)Χ嗯_AGV智能小車的工作狀況、里程、即時速度、各個小車相互間的距離等數(shù)進行細致的查看；

（3） 上位機的協(xié)調(diào)控制。其監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效地控制數(shù)臺AGV智能小車，并且能夠?qū)庩犘旭偟热蝿?wù)進行良好地完成；

（4） 有關(guān)數(shù)據(jù)的儲存。系統(tǒng)可以平穩(wěn)地完成對數(shù)據(jù)的有效傳送，并使其得以儲存；

（5） 遠程監(jiān)測。遠程客戶端可以監(jiān)測到現(xiàn)場多臺AGV智能小車的運行狀況；

（6） 較低的成本。

對AGV小車的控制共有兩種，即集中式與分布式。其中，前者是一種規(guī)劃和決策的由上至下式的層次控制構(gòu)造，所有的信息都匯聚于一個主智能體之中，展開整體規(guī)劃，并使系統(tǒng)中的全體AGV智能小車一起將任務(wù)完成，此方式具有較強的直觀性，且十分明了，協(xié)調(diào)性甚佳。而后者當中不存在集中控制部分，所有的小車都是平等的，都可以借助和其余小車之間展開信息互動來使自身的行為得到合理的調(diào)整，且其在自治能力方面的表現(xiàn)都處于較佳的狀態(tài)，規(guī)劃和決策都是由自己來完成。本文把上位機視為主智能體，對AGV小車的控制系統(tǒng)選擇使用上述的前者。

對于基站，可以用ZigBee無線模塊、上位機來充當，可以對AGV小車的速度、位置等參數(shù)進行實時監(jiān)督及控制，并使數(shù)臺AGV小車可以基于相應(yīng)的要求來達成協(xié)作控制。以無線網(wǎng)絡(luò)來達成上位機和小車相互間的有效通信，從而使數(shù)據(jù)上傳及控制命令下發(fā)的目標得以實現(xiàn)?；赯igBee的AGV小車通信系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

2 基于ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1 無線模塊

無線網(wǎng)絡(luò)是一種通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是由無線電射頻（RF）或紅外線（IR）等無線傳輸媒體及技術(shù)所共同組成的。當前，認可度較高的無線通信數(shù)據(jù)共有物類，即無線局域網(wǎng)（WIFI）、超寬帶通信（UWB）、藍牙（Bluetooth）、紅外線數(shù)據(jù)通信（IrDA）和ZigBee[8]。他們主要的性能參數(shù)如下表1所示。通過表1中對幾種短距離無線通信比較，以及本文的實驗條件能夠獲悉，在傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)、傳輸距離，電池壽命等方面，較其余的無線通信技術(shù)而言，都更適合多臺AGV智能小車監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通信途徑。

2.2 無線通信網(wǎng)絡(luò)的建立

ZigBee網(wǎng)絡(luò)基于IEEE802.15.4國際標準、上層協(xié)議為ZigBee協(xié)議棧，可詳見圖2，其優(yōu)勢十分突出，在小數(shù)據(jù)率監(jiān)控的所有領(lǐng)域當中都具有較高的運用頻率。不但可信賴度極高、網(wǎng)絡(luò)路由功能十分強勁，而且速率及做功損耗較小，同時還具甚佳的自恢復和冗余性能等，能夠達成點對點等通信。 ZICM2410模塊是單片ZigBee芯片，用以對CPU加以集成，內(nèi)嵌8051內(nèi)核的微控制器、硬連線的MAC及1個具有基帶modem的射頻收發(fā)器共同構(gòu)成了其內(nèi)核芯片，按照運用的經(jīng)驗，對使用較多的片內(nèi)外設(shè)進行選取，諸多通用I/O引腳、SPI、UART等都涵蓋在其中，能夠使多數(shù)的無線應(yīng)用得到滿足[9]。

對于AGV智能小車來說，其點對點的無線網(wǎng)絡(luò)通信的達成可借助車上的ZigBee模塊來完成，另外，上位機借助此模塊對任意的無線節(jié)點進行監(jiān)控和控制，均是雙向通信。

僅憑一個智能體通常無法獨立地完成諸多繁雜度較高的任務(wù)，故而需要多個一起完成。為了使AGV智能小車通過相互間的有效合作而順利地完成上述任務(wù)，就必須將通信和協(xié)作視為重中之重。究其根本，主要是由于對于單個小車來說，因為自身原本就存在智能特性，所以可以對局部問題進行良好的處理；另外，在和其余小車一起運行的時候，或許會由于信息存在一定的約束性而導致全局問題難以得到有效的化解。此類小車相互間的通信能夠基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，按照事前設(shè)立的通信協(xié)議進行互動，從而使多其相互間的通信控制得以達成。應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包格式可詳見圖3。

3 計算機控制系統(tǒng)的建立

基于圖4，控制系統(tǒng)來對AGV智能小車展開運動控制?；贏GV小車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，每輛AGV智能小車和上位機控制平臺都分別裝有無線模塊，借助對相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)設(shè)來使二者的無線遠程通信得以達成。上位機經(jīng)由接口連于通信模塊，并且借助無線通信網(wǎng)絡(luò)和小車展開數(shù)據(jù)互動，以確保自身可以將后者所傳輸?shù)乃羞\動狀態(tài)數(shù)據(jù)資料順利地接收到，實現(xiàn)對AGV小車的監(jiān)視，借助處理這些資料來對控制命令進行發(fā)出。由計算機發(fā)送采集數(shù)據(jù)包，在將后者傳送的資料接收到之后，對控制數(shù)據(jù)包進行傳輸，通過對小車的左、右2個直流電動機速度的控制，來達成對方向及速度的實時管控。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了AGV小車的無線通信系統(tǒng)，運用ZigBee技術(shù)使多臺AGV智能小車和計算機成為無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點。根據(jù)通信協(xié)議，計算機將數(shù)臺AGV小車的實時運動狀態(tài)數(shù)據(jù)資料獲取，在剖析及處理之后，將運動控制命令發(fā)出。基于對計算機有效控制單臺小車的速度與方向，使得多車協(xié)調(diào)編隊控制得以達成，從而使車隊的開啟、速度變更、停車均受控，并且始終使小車的運行間距處于安全的范圍之內(nèi)，創(chuàng)造了較佳的實驗及通信平臺，這對于后期繁雜度更高的數(shù)臺AGV智能小車的合作控制的成功實現(xiàn)打下了可靠的根基。

參考文獻：

[1]馮鋒.AGV自動引導小車[D] .鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2008， 1-2.

[2]馮滿，劉秋麗.ZigBee在油田遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石油儀器出版社，2006，28（1）：59-62，72.

[3]周楊.基于的短距離通信技術(shù)研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學，2009.

[4]高守瑋，吳燦陽，楊超等.技術(shù)實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5]馮華山.基于的遠程控制機器人系統(tǒng)[D].西安：西北工業(yè)大學，2004.

[6]王建新，楊世鳳，史永江，等.遠程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].國外電子測量技術(shù)，2005（4）：9-14.

[7]Balaguer，Carlos.The MATS robot[J].IEEE Robotics and Automation Magazine March，2000.

[8]李慶中，顧偉康.移動機器人路徑跟蹤的智能預(yù)瞄控制方法研究[J].機器人，2002，24（3）：252-255.

[9]周立功.微控制器基礎(chǔ)與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003，245-307.