基于ZigBee的無(wú)線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 提出一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于由ZigBee套件組建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)人員信息統(tǒng)計(jì)、管理以及位置識(shí)別功能，同時(shí)還可以完成緊急搜救工作。
關(guān)鍵詞： ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 定位系統(tǒng)

ZigBee一詞源自蜜蜂覓物。蜂群發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)潔的ZigZag形舞蹈交換信息。人們借此將專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)稱為ZigBee。ZigBee基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化；同時(shí)還增加了安全層，以保證這種便攜式設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。作為新興的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，ZigBee主要用于工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、物業(yè)自動(dòng)化管理和醫(yī)用設(shè)備控制等方面，填補(bǔ)了無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)和短距離無(wú)線應(yīng)用市場(chǎng)的空白。由于通過(guò)各種非常簡(jiǎn)單的器件就能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了良好的條件。

本文通過(guò)分析旅游景點(diǎn)的人員情況，利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一種無(wú)線管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)人員的監(jiān)控和管理。系統(tǒng)支持無(wú)線定位服務(wù)，在緊急情況下可進(jìn)行搜救工作，彌補(bǔ)了現(xiàn)有無(wú)線導(dǎo)游系統(tǒng)的不足。

1 無(wú)線管理系統(tǒng)
本系統(tǒng)為智能無(wú)線管理系統(tǒng)，采用人機(jī)交互方式有效解決了旅游景點(diǎn)導(dǎo)游不足、游客走失等問(wèn)題。系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，如圖1所示。

主控系統(tǒng)由主控單元、子系統(tǒng)和基站構(gòu)成。其中主控單元（協(xié)調(diào)器）負(fù)責(zé)匯總基站及子系統(tǒng)上傳信息，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析；發(fā)布信息命令，并實(shí)時(shí)顯示，動(dòng)態(tài)管理。子系統(tǒng)（路由器）負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)基站信息并進(jìn)行預(yù)處理，然后根據(jù)主控單元命令進(jìn)行上傳和對(duì)基站操作。這樣，一方面可擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用范圍，另一方面還可以減少上傳數(shù)據(jù)量，從而間接增大系統(tǒng)信息處理能力。這主要是因?yàn)橄到y(tǒng)帶寬有限，它的最大傳輸速率僅為250kbps；如果要擴(kuò)大應(yīng)用范圍，只需續(xù)接新的子系統(tǒng)即可（如圖1中的子系統(tǒng)n1）?；?路由器)負(fù)責(zé)對(duì)用戶進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)送本地信息（例如景點(diǎn)信息、服務(wù)信息），轉(zhuǎn)發(fā)上級(jí)指令（例如告警信號(hào)、閉館信息）和上傳用戶信息（尤其是迷路告警信息）。

用戶系統(tǒng)接收基站傳來(lái)的信息，并根據(jù)外部命令對(duì)信息進(jìn)行分析、判斷和處理。用戶根據(jù)接收到的信號(hào)質(zhì)量和接收內(nèi)容進(jìn)行判斷，以決定與基站連接還是與子系統(tǒng)直接連接。

以上系統(tǒng)采用Chipcon AS公司提供的ZigBee開(kāi)發(fā)套件并結(jié)合系統(tǒng)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

2 主控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
2.1 基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)建模
要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，網(wǎng)絡(luò)建模需有嚴(yán)格的功能分配：首先要有協(xié)調(diào)器，它必須是FFD（全功能設(shè)備），同時(shí)也是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的靈魂，它記錄著每個(gè)設(shè)備(Device) 的地址；其次，需有路由設(shè)備，它也必須是FFD，用于接收與轉(zhuǎn)發(fā)信息；最后，需有接收端，它可以采用FFD，也可以采用RFD（精簡(jiǎn)功能設(shè)備）。如果是 RFD，則此設(shè)備只能充當(dāng)接收終端，而不再能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。基于此而建立的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。下面簡(jiǎn)要介紹其實(shí)現(xiàn)機(jī)理。

從A點(diǎn)發(fā)送信息到O點(diǎn)，有多種路徑可供選擇，如圖中的A-B-O和A-C-D-O及A-C-E-D-O。系統(tǒng)利用路由算法，根據(jù)以下原則選擇最佳路徑。

(1) 信息由一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)（如圖2中A-B），下一個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)向上一個(gè)節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)包括連接消耗（Link Cost），其數(shù)值大小與該傳遞過(guò)程中所消耗的能量大小成正比。每一條路徑都有自己的連接消耗之和，最后匯總給發(fā)射端。從發(fā)射端到接收端的所有路徑中，連接消耗值最小的就是最佳路徑。ZigBee網(wǎng)絡(luò)選擇的是功耗最小的路徑。
(2)信息傳遞過(guò)程中，路由器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)路徑列表（Route Table），此列表記錄了經(jīng)過(guò)該路由器的所有路徑。如從A到O的通信過(guò)程中，C節(jié)點(diǎn)既記錄了路徑A-C-D-O，又記錄了路徑A-C-E-D-O。
(3)數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位進(jìn)行。幀中包含該數(shù)據(jù)所要到達(dá)的地點(diǎn)。全功能設(shè)備接收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，會(huì)根據(jù)幀內(nèi)地址判斷數(shù)據(jù)是不是傳給它的。如果是，則數(shù)據(jù)傳遞終止；否則，該設(shè)備會(huì)以接力的形式將數(shù)據(jù)幀傳出去。
(4) 網(wǎng)絡(luò)選擇最佳路徑的方法是：首先，發(fā)射端傳送第一幀數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)幀會(huì)經(jīng)過(guò)所有的路徑到達(dá)終點(diǎn)。這些路徑的連接消耗會(huì)匯總給發(fā)射端，由發(fā)射端比較，選擇功耗最小的路徑。由圖2可以看出，路徑A-C-D-O的連接消耗總合最小，這正是ZigBee網(wǎng)絡(luò)所要選擇的最佳路徑。接下來(lái)發(fā)送第二幀數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)記下由發(fā)射第一幀數(shù)據(jù)而得來(lái)的最佳路徑，并由此路徑發(fā)射及接收。以此類推，之后的每一次數(shù)據(jù)傳輸都按此運(yùn)行。

2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的地址分配和應(yīng)用
所有的 ZigBee設(shè)備都含有惟一的64位IEEE地址（長(zhǎng)地址）以及可分配的16位短地址。為了延長(zhǎng)電池的壽命，ZigBee在局域網(wǎng)內(nèi)一般采用短地址。這樣既可以縮小數(shù)據(jù)包的大小，同時(shí)還可以縮短數(shù)據(jù)在設(shè)備中間的傳送時(shí)間，從而減小電量消耗，延長(zhǎng)電池壽命。在設(shè)計(jì)時(shí)，短地址在信息轉(zhuǎn)換之前就已經(jīng)被分配完畢；地址范圍由三個(gè)棧參數(shù)確定，即ZigBee――網(wǎng)絡(luò)的最大深度(nwkMaxDepth)，每個(gè)路由器能最多連接子設(shè)備的數(shù)目 (nwkMaxChildren)，每個(gè)路由器能最多連接子路由器的數(shù)目(nwkMaxRouters)。同時(shí)，這三個(gè)棧參數(shù)也確定了網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)。

由協(xié)議棧分析，一個(gè)路由器最大可以管理255個(gè)用戶。然而，在應(yīng)用中需要考慮最惡劣的情況，即在用戶數(shù)超過(guò)255時(shí)的情況。這里采用優(yōu)化處理，將信息分為兩類：一類是廣播信息，另一類是特殊信息。在普及型介紹時(shí)，如景點(diǎn)介紹，它不需要特定的管理，選用廣播信息方式即可。用戶端（游客）設(shè)備對(duì)于接收到的信號(hào)進(jìn)行判決，如果該信號(hào)符合規(guī)定模式（景點(diǎn)播放、清場(chǎng)播報(bào)等消息），就從提取到的信息播放對(duì)應(yīng)內(nèi)容。在特殊用途時(shí)，可以選用播放特殊消息模式，例如人員走失、限時(shí)集合等命令，這時(shí)它的用戶數(shù)不是很多，完全滿足路由器管理能力。

2.3 無(wú)線定位
無(wú)線定位是本系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)特點(diǎn)，它支持迷路用戶進(jìn)行報(bào)警和尋找特定用戶位置。其原理根據(jù)各節(jié)點(diǎn)之間接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)RSSI（Received Signal Strength Indicator）實(shí)現(xiàn)。這里，該協(xié)議棧已將其最大值量化為150。如圖3，設(shè)盲節(jié)點(diǎn)是需要確認(rèn)位置的用戶，參考節(jié)點(diǎn)1，2，…，n為已知位置信息的節(jié)點(diǎn)。由于已知節(jié)點(diǎn)之間的RSSI值已知，通過(guò)計(jì)算盲節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值，建立聯(lián)合方程，就可以推導(dǎo)出盲節(jié)點(diǎn)的大致位置。這樣，當(dāng)盲節(jié)點(diǎn)需要確認(rèn)位置(例如用戶迷路)時(shí)，可以發(fā)一個(gè)特殊命令，并迅速反饋給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)確認(rèn)出它的大致位置，就可以及時(shí)搜求。主控系統(tǒng)也可以通過(guò)提供的用戶地址信息，主動(dòng)尋找失散人員。最近c(diǎn)hipcom專門推出一款定位芯片CCS2431，它將射頻芯片和8051內(nèi)核集成，精度為3米左右。該定位方案不僅僅是對(duì)主控系統(tǒng)有用，對(duì)用戶系統(tǒng)也有用。用戶系統(tǒng)由于實(shí)時(shí)接收到不同位置的廣播信號(hào)，在靠近最近景點(diǎn)時(shí)，它通過(guò)計(jì)算收到的最大RSSI信號(hào)進(jìn)行判決。如果達(dá)到預(yù)設(shè)門限值，就可以啟動(dòng)景點(diǎn)播放模式。

3 用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
用戶系統(tǒng)原理如圖4所示，它主要由用戶系統(tǒng)控制單元及其附屬單元組成。用戶系統(tǒng)控制單元選用由ATmega128L＋CCS2420組成的ZigBee套件和ATMEl的MP3管理芯片構(gòu)成；看門狗ASM706防止用戶系統(tǒng)死機(jī)，電源及監(jiān)控單元保證系統(tǒng)處于安全供電模式，從而防止因系統(tǒng)電壓較低而造成的無(wú)法正常工作的現(xiàn)象。信息存儲(chǔ)器選用 128MB的三星閃存K9F1G08U0A，它負(fù)責(zé)提供景點(diǎn)信息和其他服務(wù)信息。當(dāng)用戶在大的地方發(fā)現(xiàn)迷失方向時(shí)，只需一按搜索鍵，系統(tǒng)就進(jìn)入報(bào)警模式。服務(wù)菜單鍵還可為用戶提供其他服務(wù)信息，如附近便利店、搜求電話等信息。當(dāng)用戶進(jìn)入景點(diǎn)時(shí)，該系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行播放，在接收到其他外部信息或進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)才退出操作。

軟件流程如圖5所示。系統(tǒng)初始化后進(jìn)入信息接收模式，并對(duì)接收到的信息進(jìn)行判決。如果是廣播信息，則進(jìn)入廣播模式，其流程圖見(jiàn)圖6；如果接收到的信息是定位信息，就進(jìn)入報(bào)警模式，它會(huì)提示已找到用戶位置，以免用戶走出有效范圍，失去跟蹤對(duì)象。如果以上情況都不是，就根據(jù)系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)入其他服務(wù)程序。

廣播模式需要根據(jù)RSSI算法進(jìn)行評(píng)估，從鏈路質(zhì)量信息判斷是否達(dá)到播放條件。如果是，就通過(guò)MP3芯片啟動(dòng)語(yǔ)音播放程序；如果接收到中斷消息就退出語(yǔ)音播放程序，根據(jù)中斷消息進(jìn)行處理，返回時(shí)默認(rèn)到接收外部信息模式。

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)旅游景點(diǎn)游客無(wú)線管理，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)和突發(fā)事故處理進(jìn)行分析，提出一套基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線管理機(jī)制。該系統(tǒng)可以根據(jù)各種景點(diǎn)不同場(chǎng)合需求采用相應(yīng)措施，有效緩解導(dǎo)游不足問(wèn)題。它還具有專有的失蹤人員跟蹤定位及報(bào)警模式，彌補(bǔ)現(xiàn)有景點(diǎn)無(wú)線導(dǎo)游系統(tǒng)的不足。由于采用ZigBee技術(shù)，系統(tǒng)成本較低，無(wú)協(xié)議專利費(fèi)支出，同時(shí)功耗較低，在休眠模式下壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。該算法也適合于其他應(yīng)用，例如無(wú)線抄表、設(shè)備監(jiān)控、酒店管理等。

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