基于ZigBee的無線管理系統(tǒng)設計

摘 要： 提出一種基于ZigBee技術的無線管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于由ZigBee套件組建的無線網(wǎng)絡實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)人員信息統(tǒng)計、管理以及位置識別功能，同時還可以完成緊急搜救工作。
關鍵詞： ZigBee 無線網(wǎng)絡 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，通過簡潔的ZigZag形舞蹈交換信息。人們借此將專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡通信技術稱為ZigBee。ZigBee基于IEEE802.15.4標準，對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化；同時還增加了安全層，以保證這種便攜式設備不會意外泄漏其標識，而且這種基于網(wǎng)絡的遠距離傳輸不會被其他節(jié)點獲得。作為新興的雙向無線網(wǎng)絡通信技術，ZigBee主要用于工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、物業(yè)自動化管理和醫(yī)用設備控制等方面，填補了無線個人局域網(wǎng)和短距離無線應用市場的空白。由于通過各種非常簡單的器件就能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，ZigBee標準為無線網(wǎng)絡的實現(xiàn)創(chuàng)造了良好的條件。

本文通過分析旅游景點的人員情況，利用ZigBee技術設計了一種無線管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)人員的監(jiān)控和管理。系統(tǒng)支持無線定位服務，在緊急情況下可進行搜救工作，彌補了現(xiàn)有無線導游系統(tǒng)的不足。

1 無線管理系統(tǒng)
本系統(tǒng)為智能無線管理系統(tǒng)，采用人機交互方式有效解決了旅游景點導游不足、游客走失等問題。系統(tǒng)主要由兩部分構成，如圖1所示。

主控系統(tǒng)由主控單元、子系統(tǒng)和基站構成。其中主控單元（協(xié)調(diào)器）負責匯總基站及子系統(tǒng)上傳信息，并進行統(tǒng)計和分析；發(fā)布信息命令，并實時顯示，動態(tài)管理。子系統(tǒng)（路由器）負責統(tǒng)計基站信息并進行預處理，然后根據(jù)主控單元命令進行上傳和對基站操作。這樣，一方面可擴大系統(tǒng)應用范圍，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。這主要是因為系統(tǒng)帶寬有限，它的最大傳輸速率僅為250kbps；如果要擴大應用范圍，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)負責對用戶進行監(jiān)控，發(fā)送本地信息（例如景點信息、服務信息），轉(zhuǎn)發(fā)上級指令（例如告警信號、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)接收基站傳來的信息，并根據(jù)外部命令對信息進行分析、判斷和處理。用戶根據(jù)接收到的信號質(zhì)量和接收內(nèi)容進行判斷，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開發(fā)套件并結(jié)合系統(tǒng)需要進行設計和開發(fā)。

2 主控系統(tǒng)關鍵技術
2.1 基于ZigBee的網(wǎng)絡建模
要實現(xiàn)系統(tǒng)功能，網(wǎng)絡建模需有嚴格的功能分配：首先要有協(xié)調(diào)器，它必須是FFD（全功能設備），同時也是整個網(wǎng)絡的靈魂，它記錄著每個設備(Device) 的地址；其次，需有路由設備，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（精簡功能設備）。如果是 RFD，則此設備只能充當接收終端，而不再能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)?；诖硕⒌膽镁W(wǎng)絡如圖2所示。下面簡要介紹其實現(xiàn)機理。

從A點發(fā)送信息到O點，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) 信息由一個節(jié)點傳向下一個節(jié)點時（如圖2中A-B），下一個節(jié)點會向上一個節(jié)點返回一個數(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)絡選擇的是功耗最小的路徑。
(2)信息傳遞過程中，路由器會自動產(chǎn)生一個路徑列表（Route Table），此列表記錄了經(jīng)過該路由器的所有路徑。如從A到O的通信過程中，C節(jié)點既記錄了路徑A-C-D-O，又記錄了路徑A-C-E-D-O。
(3)數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位進行。幀中包含該數(shù)據(jù)所要到達的地點。全功能設備接收到數(shù)據(jù)幀時，會根據(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，該設備會以接力的形式將數(shù)據(jù)幀傳出去。
(4) 網(wǎng)絡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)幀會經(jīng)過所有的路徑到達終點。這些路徑的連接消耗會匯總給發(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)絡所要選擇的最佳路徑。接下來發(fā)送第二幀數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡會記下由發(fā)射第一幀數(shù)據(jù)而得來的最佳路徑，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)傳輸都按此運行。

2.2 ZigBee網(wǎng)絡中的地址分配和應用
所有的 ZigBee設備都含有惟一的64位IEEE地址（長地址）以及可分配的16位短地址。為了延長電池的壽命，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，同時還可以縮短數(shù)據(jù)在設備中間的傳送時間，從而減小電量消耗，延長電池壽命。在設計時，短地址在信息轉(zhuǎn)換之前就已經(jīng)被分配完畢；地址范圍由三個棧參數(shù)確定，即ZigBee——網(wǎng)絡的最大深度(nwkMaxDepth)，每個路由器能最多連接子設備的數(shù)目 (nwkMaxChildren)，每個路由器能最多連接子路由器的數(shù)目(nwkMaxRouters)。同時，這三個棧參數(shù)也確定了網(wǎng)絡的整體結(jié)構。

由協(xié)議棧分析，一個路由器最大可以管理255個用戶。然而，在應用中需要考慮最惡劣的情況，即在用戶數(shù)超過255時的情況。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，如景點介紹，它不需要特定的管理，選用廣播信息方式即可。用戶端（游客）設備對于接收到的信號進行判決，如果該信號符合規(guī)定模式（景點播放、清場播報等消息），就從提取到的信息播放對應內(nèi)容。在特殊用途時，可以選用播放特殊消息模式，例如人員走失、限時集合等命令，這時它的用戶數(shù)不是很多，完全滿足路由器管理能力。

2.3 無線定位
無線定位是本系統(tǒng)的一個獨特點，它支持迷路用戶進行報警和尋找特定用戶位置。其原理根據(jù)各節(jié)點之間接收信號強度檢測RSSI（Received Signal Strength Indicator）實現(xiàn)。這里，該協(xié)議棧已將其最大值量化為150。如圖3，設盲節(jié)點是需要確認位置的用戶，參考節(jié)點1，2，…，n為已知位置信息的節(jié)點。由于已知節(jié)點之間的RSSI值已知，通過計算盲節(jié)點到參考節(jié)點的RSSI值，建立聯(lián)合方程，就可以推導出盲節(jié)點的大致位置。這樣，當盲節(jié)點需要確認位置(例如用戶迷路)時，可以發(fā)一個特殊命令，并迅速反饋給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)確認出它的大致位置，就可以及時搜求。主控系統(tǒng)也可以通過提供的用戶地址信息，主動尋找失散人員。最近chipcom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主控系統(tǒng)有用，對用戶系統(tǒng)也有用。用戶系統(tǒng)由于實時接收到不同位置的廣播信號，在靠近最近景點時，它通過計算收到的最大RSSI信號進行判決。如果達到預設門限值，就可以啟動景點播放模式。

3 用戶系統(tǒng)設計原理
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管理芯片構成；看門狗ASM706防止用戶系統(tǒng)死機，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法正常工作的現(xiàn)象。信息存儲器選用 128MB的三星閃存K9F1G08U0A，它負責提供景點信息和其他服務信息。當用戶在大的地方發(fā)現(xiàn)迷失方向時，只需一按搜索鍵，系統(tǒng)就進入報警模式。服務菜單鍵還可為用戶提供其他服務信息，如附近便利店、搜求電話等信息。當用戶進入景點時，該系統(tǒng)自動進行播放，在接收到其他外部信息或進行手動操作時才退出操作。

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

廣播模式需要根據(jù)RSSI算法進行評估，從鏈路質(zhì)量信息判斷是否達到播放條件。如果是，就通過MP3芯片啟動語音播放程序；如果接收到中斷消息就退出語音播放程序，根據(jù)中斷消息進行處理，返回時默認到接收外部信息模式。

本系統(tǒng)通過對旅游景點游客無線管理，系統(tǒng)運營和突發(fā)事故處理進行分析，提出一套基于ZigBee技術的無線管理機制。該系統(tǒng)可以根據(jù)各種景點不同場合需求采用相應措施，有效緩解導游不足問題。它還具有專有的失蹤人員跟蹤定位及報警模式，彌補現(xiàn)有景點無線導游系統(tǒng)的不足。由于采用ZigBee技術，系統(tǒng)成本較低，無協(xié)議專利費支出，同時功耗較低，在休眠模式下壽命可長達數(shù)年。該算法也適合于其他應用，例如無線抄表、設備監(jiān)控、酒店管理等。

參考文獻
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