ZigBee一詞源自蜜蜂覓物,。蜂群發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí),，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(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)稱為ZigBee,。ZigBee基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),，對其網(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)備不會意外泄漏其標(biāo)識,，而且這種基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會被其他節(jié)點(diǎn)獲得。作為新興的雙向無線網(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、汽車自動化,、物業(yè)自動化管理和醫(yī)用設(shè)備控制等方面,，填補(bǔ)了無線個(gè)人局域網(wǎng)和短距離無線應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)為無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了良好的條件,。
本文通過分析旅游景點(diǎn)的人員情況，利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一種無線管理系統(tǒng),，實(shí)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(wù)，在緊急情況下可進(jìn)行搜救工作,，彌補(bǔ)了現(xiàn)有無線導(dǎo)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(jī)交互方式有效解決了旅游景點(diǎn)導(dǎo)游不足,、游客走失等問題,。系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成,，如圖1所示。

主控系統(tǒng)" title="主控系統(tǒng)">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" title="上傳">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" title="最大">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(jìn)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(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開發(fā)套件并結(jié)合系統(tǒng)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(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)?；诖硕⒌膽?yīng)用網(wǎng)絡(luò)如圖2所示,。下面簡要介紹其實(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)信息傳遞過程中，路由器會自動產(chǎn)生一個(gè)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(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" title="數(shù)據(jù)幀">數(shù)據(jù)幀時(shí),，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(shè)備會以接力的形式將數(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)幀會經(jīng)過所有的路徑到達(dá)終點(diǎn)。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(luò)所要選擇的最佳路徑。接下來發(fā)送第二幀數(shù)據(jù)時(shí),，網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行,。

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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(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)備對于接收到的信號進(jìn)行判決，如果該信號符合規(guī)定模式（景點(diǎn)播放,、清場播報(bào)等消息）,，就從提取到的信息播放對應(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 無線定位
無線定位是本系統(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)之間接收信號強(qiáng)度檢測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)也可以通過提供的用戶地址信息,，主動尋找失散人員,。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主控系統(tǒng)有用，對用戶系統(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,，在靠近最近景點(diǎn)時(shí),，它通過計(jì)算收到的最大RSSI信號進(jìn)行判決。如果達(dá)到預(yù)設(shè)門限值,，就可以啟動景點(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(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)自動進(jìn)行播放，在接收到其他外部信息或進(jìn)行手動操作時(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(wù)程序。