基于藍牙定位的工業倉庫出入庫場景室內導引系統設計

摘要：針對企業倉庫管理效率低的問題，應用藍牙室內定位技術，設計了一個基于藍牙定位的工業倉庫出入庫場景室內導引系統。該系統由藍牙基站、藍牙信標、服務器及分布式指示模塊等組成。該系統采用到達角度（angle of" arrival，AOA）和改進型A* 算法，分布式指示采用STM32系列芯片實現系統通信與控制，以及較高精度的實時定位和導引計算。結果表明，該系統能通過查詢獲取目標物料庫位信息及倉庫人員位置定位，實現快速導出最優路徑與庫位指示，協助倉庫人員快速找到目標物料，大幅提升企業出入庫效率。

關鍵詞：出入庫場景；藍牙定位；路徑規劃；分布式指示

中圖分類號：TP311.1；TN79+1；TN711.5 文獻標識碼：A

0 引言

目前，大部分傳統企業在倉庫運維方面缺乏有效的科學管理方法，信息化應用程度較低，仍然采用傳統的人工紙質出入庫管理模式，實際倉庫中大量的物料庫存、復雜的立體庫位以及較低的信息化水平等因素，對倉庫管理效率和物料倉儲信息管理的準確性造成了一定的影響。針對企業倉庫運維現狀，本文研究了基于藍牙定位的工業倉庫出入庫場景室內導引系統，利用該系統能夠準確查詢所需物料信息，并通過軟件系統實現引導操作人員快速找到目標物料的功能。

1 室內導引系統硬件設計

圖1 為室內導引系統架構，該系統主要由藍牙定位網關、藍牙信標、服務器、交換機、控制主板和分布式指示模塊等組成。系統包含多個單元，分別由實時定位單元、信息存儲與查詢單元、路徑規劃單元和分布式指示單元組成。

1.1 前端定位導引系統設計

前端定位導引系統包含實時定位單元、信息存儲與查詢單元和路徑規劃單元。核心硬件由服務器、藍牙定位網關（藍牙基站）、藍牙信標和必要的組網部件等組成。藍牙基站選用FU-GA25-P2，該基站內置天線，支持以太網供電（power"over ethernet，POE），便于現場組網部署，同時可以通過算法改進實現0.4 m 以內的定位精度要求；服務器選用Windows 平臺的工控機，主要用于數據采集、解析、記錄、查詢、計算和分析，同時實現人員定位、路徑規劃和可視化界面等功能。前端定位導引系統主要采用以太網進行組網，實現手持終端的Wi-Fi 無線網絡全覆蓋，滿足整個工業倉庫的組網通信要求。

1.2 分布式指示單元設計

分布式指示單元主要功能為末端指示，引導操作人員快速找到目標庫位。分布式指示單元硬件分為兩個部分：控制主板和分布式指示模塊。本單元選用STM32G030C8T6 芯片作為主控芯片，核心電路主要由電源電路、上位機以太網通信電路、下位機485 通信電路、指示燈控制電路等組成。其中，上位機以太網通信電路采用W5500 工業級以太網控制芯片，利用全硬件傳輸控制協議/ 網際協議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）處理協議棧任務，支持TCP、用戶數據報協議（ user datagram protocol， UDP）和網際協議版本4（internet protocol version 4，IPv4）等協議。主控芯片與W5500 采用串行外設接口（serial peripheralinterface，SPI）對接，結合芯片自身以太網集成度高的特點，快速實現TCP 服務端的功能部署。

2 室內導引系統軟件設計

2.1 主要功能邏輯

圖2 為系統控制流程圖。操作人員首先通過倉庫服務端軟件進行出入庫操作選擇，并選取所需的目標物料。系統自動關聯該物料庫存信息與位置信息等內容，同時系統軟件可選擇顯示該目標物料所在的庫位位置。當操作人員繼續進行出入庫操作時，系統軟件會結合實時定位單元采集的數據來計算倉庫人員當前所在位置。當用戶選擇導航后，系統軟件會根據用戶的當前位置以及目標物料的倉儲位置自動規劃最優路徑并且下發指示指令，將系統存儲的庫存信息下發至分布式指示單元，從而控制分布式指示模塊閃燈來提示所選庫位。操作人員通過導航行走至所選庫位附近后，能夠根據指示快速找到所需目標物料。操作人員完成出入庫操作后，整個系統流程結束。

2.2 實時定位功能

在導向搜尋領域存在兩種利用天線陣列來確定藍牙位置的技術，分別為到達角度（angle of arrival，AOA）技術和出發角度（angle of departure，AOD）技術。本系統選擇采用AOA 技術來進行系統定位。AOA 技術的原理是利用藍牙基站的天線陣列接收藍牙信標發送的電磁波信號，通過測量信號的入射角來確定藍牙信標的位置，該入射角既可以表示為測量藍牙基站與藍牙信標信號的相對角度值，又可以表示為藍牙信標信號到達藍牙基站的相對角度值。在這兩種情況下，都可以得到從基站指向信標的一條方向線。假設有兩個基站，則可以得到兩條方向線，而它們的交點即為移動信標的位置[1]。因此，AOA 技術至少需要兩個藍牙基站來確定信標位置[2]。

如圖3 所示，O、M 分別為藍牙基站1 和藍牙基站2，K 為藍牙移動信標。θ₁ 為藍牙移動信標K的信號到達指向藍牙基站1 的相對角度，θ₂ 為藍牙移動信標K的信號到達指向藍牙基站2的相對角度。藍牙基站通過算法計算出藍牙移動信標發射信號到達藍牙基站接收天線的角度，再根據藍牙移動信標發射信號至藍牙基站接收端的信號達到角度來得出θ₁、θ₂ 的值。假設K 未知，其坐標為（x，y），而O、M 的坐標分別為（x₁，y₁）和（x₂，y₂）。根據三角函數關系，K 的坐標（x，y）計算公式：

2.3 路徑規劃功能

2.3.1 A* 算法概述

室內環境具有以下特點：①布局較穩定，室內通道布局一般不會輕易更改；②室內通道交叉節點多，一條通道有多個分支；③由于室內通道布局固化的特點，可能導致出現不可避免的迂回路線。因此，路徑規劃導航是本系統的另一個關鍵技術。規劃算法通過結合室內高精度定位技術能夠快速規劃一條相對最優路徑，進而提高倉庫人員的出入庫效率。綜合考慮應用場景二維性以及被控對象的靈活性等因素，本系統路徑規劃采用改進型A* 算法。

A* 算法的基本原理：首先，從起始節點（起點）開始，將其加入開啟列表；其次，檢查起點周圍所有可到達或者可通過的子節點，跳過無法通過的子節點，再將這些可到達的節點加入開啟列表；最后，從開啟列表中選擇代價最低的節點作為當前節點，檢查當前節點的所有相鄰子節點，將可到達且代價較低的子節點加入開啟列表。循環此過程，直至找到終點或者開啟列表為空。A* 算法的表達式：

f（n）=g（n）+h（n）。 （ 3）

式中，n 為需要向外擴展與代價評估計算的節點；f（n）為從起始節點經節點n 到目標節點的估價函數；g（n）為從起始節點到節點n 的實際代價；h（n）為啟發函數，用于估算從節點n 到目標節點最佳路徑的代價。

2.3.2 A* 算法改進與優化

根據算法的特性，倉庫人員的行走方向可近似視為前、后、左和右4 個方向，這與A* 算法的節點擴展過程相似，當前節點與向相鄰節點擴展的方向也為前、后、左、右4 個方向。在A* 算法中，確定啟發函數[h（n）] 是估價函數系統的關鍵步驟，而本系統以計算移動距離作為代價，目前常用于估算距離代價的函數有切比雪夫距離、曼哈頓距離和歐幾里得距離3 種[3]。

在本系統中，倉庫人員可等效為二維地圖上面的點，由于人的移動較為靈活，所以只要在地圖中近似給出示意路徑，人就可以根據軟件的路徑指示尋找到目標位置。由于曼哈頓距離函數更適用于二維平面，因此與另外兩種函數相比，其更適合作為系統的A* 算法啟發函數[4]。

采用曼哈頓距離作為節點代價的預估手段，旨在克服A* 算法在路徑規劃實踐中的局限性。本文對A* 算法進行了優化升級，不僅提升了算法的運行速度，還顯著提高了所得路徑解的質量。A* 算法會隨機選取1 個路徑作為擇優路徑，但在實際的倉庫環境中，會存在路徑1 比規劃路徑2 更優的情況。雖然存在兩條路徑長度相等的情況，但不同路徑的轉彎次數不同，而人在實際環境中轉彎的行走效率會比直行的行走效率低，這也意味著轉彎次數過多會損失一定的執行效率，即行走時間增多。因此，為了進一步提高規劃路徑解的質量，需要把減少人員轉彎次數的需求引入系統。針對A* 算法存在的轉彎問題，本文考慮在A* 算法的f（n）中引入轉彎代價β。

如式（7）所示，系統采用改進型A* 算法的估價函數，可減少搜索節點和轉彎次數，快速規劃最優路徑，且使生成的路徑更加平順和高效。

2.4 庫位指示功能

庫位指示功能由控制主板和分布式指示模塊兩部分共同實現。其中，控制主板主要功能是通信對接、指令解析、協議組包和節點分配，以實現服務器和分布式指示模塊的通信對接。根據現場的多庫位布局，服務器需要同時與多個控制主板進行通信對接，控制主板通過接收服務器控制指令來進行協議規則的轉換解析。每塊控制主板都工作在TCP 服務端模式和485 主站模式?？刂浦靼遄鳛門CP 服務端，可以獨立配置IP 地址和端口號等相關網絡配置參數，這些參數用于區分每個模塊的唯一身份信息，從而實現多模塊組網方式。服務器作為TCP客戶端主動與控制主板發起連接，TCP 握手成功后，將對應的控制指令下發至對應IP 的控制主板，并等待主控板應答反饋結果。主控模塊采用485 主站模式，結合芯片性能和實際設計要求，控制主板最多可對接100 個從站模塊，即可以同時指示100個庫位?，F場部署完成后，在服務器數據庫中錄入并分類所有庫位信息，通過控制主板的網絡配置參數和分布式指示模塊自身的站號（485 從站號）設置信息進行對應的參數配置和身份關聯，從而確保任一庫位都是唯一且單獨可控的節點。例如，編號為500 的庫位，其系統配置的控制主板IP 地址為192.168.1.66，端口號為9600，而對應的分布式指示模塊485 從站號為50?；谶@些配置信息，系統若要實現對編號為500 的庫位進行指示控制，則需要通過服務器向控制主板（IP 地址為192.168.1.66：9600）發送控制指令。協議中包含對應的分布式指示模塊的站號信息和控制信息，控制主板對控制指令進行解析和轉換后，將其下發至對應的分布式指示模塊從站，相關的分布式指示模塊接收到控制指令后，解析指令信息并執行亮燈指示控制。此外，關閉指示燈的操作也按照上述流程執行。分布式指示系統流程圖如圖4 所示。

3 測試與分析

為了全面評估系統的實際效果，本文選取了一個單層布局較為規整且庫存類目較多的倉庫作為測試點，布置4 個藍牙基站以確保測試點區域內可以覆蓋足夠穩定的信號。本文采用的測試方法是在不同測試條件下，統計倉庫人員操作不同物料的出入庫時間。測試條件：①倉庫人員采用傳統的出入庫方式（原狀態）；②倉庫人員基于軟件系統提供的物料庫位信息進行出入庫操作（軟件指示）；③倉庫人員基于軟件系統提供的物料庫位信息及人員的藍牙定位進行出入庫操作（定位+ 軟件）；④倉庫人員基于條件③疊加路徑規劃導引功能進行出入庫操作（定位+ 導航）；⑤倉庫人員基于條件④疊加分布式指示功能進行出入庫操作（全功能）。針對每種測試條件分別進行30 次實驗測試，不同測試條件出入庫時間統計對比如圖5 所示。經過系統功能不斷的疊加改進，相較于傳統系統，基于藍牙定位的工業倉庫出入庫場景的室內導引系統的出入庫時間有較大幅度的縮短，能夠有效提高工業倉庫出入庫的效率。

4 結語

本文基于藍牙定位技術設計了工業倉庫出入庫場景室內導引系統，結合AOA 技術、改進型A* 算法和分布式指示單元，實現了工業倉庫快速出入庫目標。實驗結果表明系統性能良好，用戶可通過軟件查詢物料庫存信息及位置信息，并選擇實時定位、路徑規劃及導引服務，大幅提升了工業倉庫出入庫效率。該室內導引系統功能還需要進一步完善和優化，以期在工業等領域有更廣泛的應用。