樂山旅游景區(qū)信息化解決方案

摘要：基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一種智能旅游系統(tǒng)，通過該方法構(gòu)建的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠方便地與外部設(shè)備進(jìn)行連接，并提供SMT與DIP接口，同時(shí)可直接連接TTL接口設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。該系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，最低功耗小于1 mA，能應(yīng)用于旅游景區(qū)的安全管理、客流量控制、票務(wù)管理和智能導(dǎo)游系統(tǒng)中。
關(guān)鍵字：ZigBee；智能旅游：CC2530；無線網(wǎng)絡(luò)

0 引言
    ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，底層是采用IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體存取層與實(shí)體層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支援大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、支援多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee協(xié)定層從下到上分別為實(shí)體層(PHY)、媒體存取層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。網(wǎng)絡(luò)裝置的角色可分為ZigBee Coordinator、ZigBee Router、ZigBee End Device等三種。
    ZigBee模塊是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，可利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能。組建一個(gè)完整的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通常包括網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)等兩個(gè)步驟，其中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個(gè)步驟：一是通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)；二是通過已有父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。

1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)要組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，必須要滿足兩點(diǎn)要求：第一是節(jié)點(diǎn)是FFD節(jié)點(diǎn)，并具備ZigBee協(xié)調(diào)器的能力；第二是節(jié)點(diǎn)還沒有與其他網(wǎng)絡(luò)連接，也就是說，當(dāng)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，此節(jié)點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橐粋€(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。圖1所示是一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)圖。

    ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化的流程如下：
    (1)確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。首先判斷節(jié)點(diǎn)是否是FFD節(jié)點(diǎn)，接著判斷此FFD節(jié)點(diǎn)是否在其他網(wǎng)絡(luò)里或者網(wǎng)絡(luò)里是否已經(jīng)存在協(xié)調(diào)器，然后通過主動(dòng)掃描發(fā)送一個(gè)信標(biāo)請(qǐng)求命令(Beaconrequest command)，設(shè)置一個(gè)掃描期限(T_scan_duration)。如果在掃描期限內(nèi)沒有檢測(cè)到信標(biāo)，那么就認(rèn)為FFD在其pos內(nèi)沒有協(xié)調(diào)器，此時(shí)就可以建立自己的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并且作為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器不斷地產(chǎn)生信標(biāo)并廣播出去。
    (2)進(jìn)行信道掃描過程。主要包括能量掃描和主動(dòng)掃描兩個(gè)過程：在能量掃描過程，首先對(duì)指定的信道或者默認(rèn)的信道進(jìn)行能量檢測(cè)，以避免可能的干擾，然后以遞增的方式對(duì)所測(cè)量的能量值進(jìn)行信道排序，拋棄那些能量值超出可允許能量水平的信道，選擇可允許能量水平的信道并標(biāo)注這些信道是可用信道；接著進(jìn)行主動(dòng)掃描，搜索節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息，這些信息會(huì)以信標(biāo)幀的形式在網(wǎng)絡(luò)中廣播，節(jié)點(diǎn)通過主動(dòng)信道掃描方式獲得這些信標(biāo)幀，然后根據(jù)這些信息找到一個(gè)最好的、相對(duì)安靜的信道，再通過記錄的結(jié)果選擇一個(gè)信道，該信道應(yīng)存在最少的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，最好是沒有ZigBee設(shè)備。在主動(dòng)掃描期間，mac層將丟棄phy層數(shù)據(jù)服務(wù)接收到的除信標(biāo)以外的所有幀。
    (3)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID。找到合適的信道后，協(xié)調(diào)器將為網(wǎng)絡(luò)選定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符(PAN ID，取值<=0x3FFF)。這個(gè)ID在所使用的信道中必須是唯一的，也不能和其他ZigBee網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生沖突，而且不能是廣播地址oxFFFF(此地址為保留地址，不能使用)。PAN ID可以通過偵聽其他網(wǎng)絡(luò)的ID然后選擇一個(gè)不會(huì)沖突的ID的方式來獲取，也可以人為指定掃描的信道后來確定不和其他網(wǎng)絡(luò)沖突的PAN ID。

2 數(shù)據(jù)收發(fā)的流程及步驟
2．1 查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器
    首先應(yīng)主動(dòng)掃描查找周圍網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，如果在掃描期限內(nèi)檢測(cè)到信標(biāo)，那么將獲得協(xié)調(diào)器的有關(guān)信息，這時(shí)就可向協(xié)調(diào)器發(fā)出連接請(qǐng)求。在選擇合適的網(wǎng)絡(luò)之后，上層將請(qǐng)求mac層對(duì)物理層和mac層的phyCurrentChannel、macPANID等PIB屬性進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。如果沒有檢測(cè)到，則在間隔一段時(shí)間后，由節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起掃描。
2．2 發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令(Associate request command)
    節(jié)點(diǎn)將關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器后，協(xié)調(diào)器將立即回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀(ACK)，同時(shí)向它的上層發(fā)送連接指示原語，以表示已經(jīng)收到節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求。但是，這并不意味著已經(jīng)建立了連接，而只表示協(xié)調(diào)器已經(jīng)收到節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求。當(dāng)協(xié)調(diào)器的mac層的上層接收到連接指示原語后，將根據(jù)自己的資源情況(存儲(chǔ)空間和能量)決定是否同意此節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求，然后再給節(jié)點(diǎn)的mac層發(fā)送響應(yīng)。
2．3 等待協(xié)調(diào)器處理
    當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器加入請(qǐng)求命令的ACK后，節(jié)點(diǎn)mac將等待一段時(shí)間，接收協(xié)調(diào)器的連接響應(yīng)。在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，如果接收到連接響應(yīng)，便將這個(gè)響應(yīng)向它的上層通告。而協(xié)調(diào)器給節(jié)點(diǎn)的mac層發(fā)送響應(yīng)時(shí)會(huì)設(shè)置一個(gè)等待響應(yīng)時(shí)間(T_ResponseWaitTime)，以等待協(xié)調(diào)器對(duì)其加入請(qǐng)求命令的處理。若協(xié)調(diào)器的資源足夠，協(xié)調(diào)器會(huì)給節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16位的短地址，并產(chǎn)生包含新地址和連接成功狀態(tài)的連接響應(yīng)命令，至此，此節(jié)點(diǎn)將成功地和協(xié)調(diào)器建立連接并可以開始通信。若協(xié)調(diào)器資源不夠，則待加入的節(jié)點(diǎn)將重新發(fā)送請(qǐng)求信息，直至入網(wǎng)成功。
2．4 發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令
    如果協(xié)調(diào)器在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)同意節(jié)點(diǎn)加入，那么將產(chǎn)生關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令(Associate response command)并存儲(chǔ)這個(gè)命令。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間過后，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令(Data request command)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到后立即回復(fù)ACK，然后將存儲(chǔ)的關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令發(fā)給節(jié)點(diǎn)。如果在響應(yīng)時(shí)間到后，協(xié)調(diào)器還沒有決定是否同意節(jié)點(diǎn)加入，那么，節(jié)點(diǎn)將試圖從協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀中提取關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令，成功的話，就可以成功入網(wǎng)，否則重新發(fā)送請(qǐng)求信息直到入網(wǎng)成功。

3 旅游景區(qū)信息化系統(tǒng)的應(yīng)用
3．1 游客流量的管理
    旅游景區(qū)的客流量控制包括區(qū)內(nèi)游客總量的控制和景區(qū)內(nèi)各個(gè)景點(diǎn)的客流量控制。區(qū)內(nèi)游客總量的控制直接通過電子門票技術(shù)就可以輕松獲取當(dāng)前景區(qū)內(nèi)的游客總數(shù)量，以便在超過景區(qū)最大承載量時(shí)可以采取停止售票、放緩售票等方式進(jìn)行相應(yīng)控制；而對(duì)于景區(qū)內(nèi)各個(gè)景點(diǎn)的客流量控制，則可以根據(jù)景區(qū)內(nèi)各個(gè)景點(diǎn)的分布情況，將景區(qū)劃分為相對(duì)獨(dú)立的小區(qū)域，在小區(qū)域內(nèi)一些關(guān)鍵的位置點(diǎn)設(shè)置RFID讀寫器，并配置多對(duì)天線，比如將天線配置在門(或是其他關(guān)鍵點(diǎn))的位置來覆蓋關(guān)鍵點(diǎn)。這樣，當(dāng)游客通過關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，RFID讀寫器就可以通過不同的天線獲取游客的ID號(hào)，這樣，經(jīng)過位置點(diǎn)的所有RFID標(biāo)簽都可以通過讀寫器獲取，并在第一時(shí)間將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)根據(jù)讀取信息的結(jié)果判定游客的進(jìn)出，實(shí)時(shí)了解景點(diǎn)的游客分布情況，做到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。一臺(tái)高性能的RFID讀寫器能夠每秒處理數(shù)百張電子門票，完全可以滿足大量的游客數(shù)據(jù)處理工作。
    這樣一來，就可以通過了解景點(diǎn)游客的實(shí)時(shí)分布情況調(diào)整游客量，當(dāng)景區(qū)內(nèi)游客分布不均勻時(shí)，就可以通過工作人員的適當(dāng)引導(dǎo)來緩解那些人氣較高景點(diǎn)的壓力。
3．2 安全管理
    根據(jù)不同類型的旅游景區(qū)，物聯(lián)網(wǎng)在安全管理方面的應(yīng)用形式也有所區(qū)別。對(duì)于森林公園、山岳等范圍較大的景區(qū)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)游客走散、失蹤等現(xiàn)象。對(duì)于這些地貌環(huán)境多變而復(fù)雜的地區(qū)，在有限的人手下，如何合理調(diào)配人手，以最快的速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)救護(hù)工作就顯得非常重要，也很有必要利用ZigBee技術(shù)來構(gòu)建一套旅游景區(qū)內(nèi)的游客定位系統(tǒng)，組建一個(gè)無線定位網(wǎng)絡(luò)。
    其具體方案如下：
    首先，可在旅游景區(qū)的合適位置布置適量的無線定位網(wǎng)絡(luò)的參考節(jié)點(diǎn)，可設(shè)計(jì)采用CC2530模塊。這一方面是因?yàn)镃C2530模塊能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)路由功能，作為無線定位網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)；另一方面，在景區(qū)適當(dāng)?shù)牡胤桨卜艆f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，也可以搜集相關(guān)的無線信號(hào)并最終通過以太網(wǎng)將這些搜集到的信息傳送到上位機(jī)，從而起到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的作用，它與參考節(jié)點(diǎn)的區(qū)別就是其內(nèi)部增加了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊。
其次，讓進(jìn)入景區(qū)的游客佩戴設(shè)計(jì)好的電子標(biāo)簽作為定位節(jié)點(diǎn)，并采用CC2530模塊內(nèi)置定位引擎。這樣，每一個(gè)電子標(biāo)簽就會(huì)擁有唯一的16位或者64位ID地址和地理位置信息；每個(gè)游客佩戴電子標(biāo)簽后，在數(shù)據(jù)終端庫中就會(huì)記錄游客的相關(guān)信息。
    最后，當(dāng)游客進(jìn)入某一景區(qū)內(nèi)后，電子標(biāo)簽觸發(fā)，定位節(jié)點(diǎn)就會(huì)啟動(dòng)內(nèi)置定位引擎進(jìn)行識(shí)別。這樣，相應(yīng)的定位信息、游客ID號(hào)等信息就會(huì)用多跳的方式經(jīng)過一定數(shù)量的路由節(jié)點(diǎn)傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過以太網(wǎng)傳送到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫作相應(yīng)的處理。
3．3 票務(wù)系統(tǒng)的管理
    在客流量比較集中的時(shí)段，會(huì)給游客的購票、檢票帶來很大的壓力，耽誤游客大量的時(shí)間。為了解決這些問題，我們可以利用RFID電子標(biāo)簽技術(shù)建立一個(gè)景區(qū)電子門票系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)售票、驗(yàn)票、查詢、匯總以及統(tǒng)計(jì)和報(bào)表等門票控制管理功能。一般的RFID標(biāo)簽門票具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
    可支持特殊信息的寫入和讀取，并可以回收利用，這樣就滿足了低碳環(huán)保和降低成本的要求；
    超高頻技術(shù)帶有一定的穿透性，而且讀取速度快，不用通過激光或紅外線瞄準(zhǔn)就能獲取數(shù)據(jù)，故可達(dá)到高效的人性化驗(yàn)票效果；
    在堆疊的情況下依然能夠讀取信息，可滿足大流量識(shí)別，識(shí)別距離可以達(dá)到10 m左右，能滿足景區(qū)內(nèi)對(duì)游客和車輛的管理。
3．4 景區(qū)智能導(dǎo)游
    通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能導(dǎo)游系統(tǒng)，可使得便攜終端與各個(gè)ZigBee子節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，從而實(shí)現(xiàn)便攜終端的一系列導(dǎo)游功能以及景區(qū)管理人員的宏觀監(jiān)控。圖2所示是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)智能導(dǎo)游系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

    本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，游客通過使用便攜終端取得使用權(quán)限。這樣，在游覽開始時(shí)，游客就可以選擇系統(tǒng)提供的游覽路線，也可以根據(jù)個(gè)人愛好選擇景點(diǎn)，此時(shí)，便攜終端軟件會(huì)根據(jù)游客興趣、各個(gè)景點(diǎn)的客流量等情況給出各景點(diǎn)的推薦指數(shù)，同時(shí)根據(jù)特定算法，計(jì)算出游覽的最優(yōu)路徑為游客做向?qū)?。在游客接近某一景點(diǎn)時(shí)，該景點(diǎn)處的ZigBee子節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)識(shí)別便攜終端，并且向該終端發(fā)送指令開啟終端上的電子解說語音設(shè)備，對(duì)游客進(jìn)行實(shí)時(shí)講解。對(duì)于組團(tuán)旅游的游客，通過給該團(tuán)成員所持客戶端進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，還可以使該團(tuán)負(fù)責(zé)人通過向管理員PC端請(qǐng)求數(shù)據(jù)，來動(dòng)態(tài)獲得該團(tuán)旅客的分布情況，同時(shí)也可以獲得權(quán)限給該團(tuán)旅客發(fā)送消息。
    如果游客有就餐、休息、購物、去洗手間等需求的時(shí)候，游客只要在便攜終端的軟件上進(jìn)行選擇，終端就可以通過算法給出前往距離最近、排隊(duì)時(shí)間最短的目的地的路徑。此外，如果游客不幸受傷或發(fā)生意外，只要在便攜終端選擇相應(yīng)服務(wù)，數(shù)據(jù)就可以由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送到終端服務(wù)器，從而使景區(qū)管理人員通過PC得到消息，進(jìn)而派出工作人員立即趕往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。

4 結(jié)語
    無線傳感網(wǎng)絡(luò)的興起，促進(jìn)著很多行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)更新。利用ZigBee技術(shù)來組建一個(gè)旅游景區(qū)內(nèi)的智能系統(tǒng)，就可以用低廉的設(shè)備成本、較高的定位精度和簡單系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很好地實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線的二維定位。實(shí)際使用證明，本ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)智能導(dǎo)游系統(tǒng)較其他無線傳感網(wǎng)絡(luò)來說，比在一維定位上的應(yīng)用具有較大的優(yōu)勢(shì)。