ZigBee一詞源自蜜蜂覓物。蜂群發現花粉位置時，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絡通信技術稱為ZigBee。ZigBee基于IEEE802.15.4標準，對其網絡層協議和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，而且這種基于網絡的遠距離傳輸不會被其他節點獲得。作為新興的雙向無線網絡通信技術，ZigBee主要用于工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、物業自動化管理和醫用設備控制等方面，填補了無線個人局域網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實現聯網，ZigBee標準為無線網絡的實現創造了良好的條件。

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，實現對區域內人員的監控和管理。系統支持無線定位服務，在緊急情況下可進行搜救工作，彌補了現有無線導游系統的不足。

1、無線管理系統

本系統為智能無線管理系統，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。系統主要由兩部分構成，如圖1所示。

主控系統由主控單元、子系統和基站構成。其中主控單元（協調器）負責匯總基站及子系統上傳信息，并進行統計和分析；發布信息命令，并實時顯示，動態管理。子系統（路由器）負責統計基站信息并進行預處理，然后根據主控單元命令進行上傳和對基站操作。這樣，一方面可擴大系統應用范圍，另一方面還可以減少上傳數據量，從而間接增大系統信息處理能力。這主要是因為系統帶寬有限，它的最大傳輸速率僅為250kbps；如果要擴大應用范圍，只需續接新的子系統即可（如圖1中的子系統n1）。基站（路由器）負責對用戶進行監控，發送本地信息（例如景點信息、服務信息），轉發上級指令（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）。

用戶系統接收基站傳來的信息，并根據外部命令對信息進行分析、判斷和處理。用戶根據接收到的信號質量和接收內容進行判斷，以決定與基站連接還是與子系統直接連接。

以上系統采用Chipcon AS公司提供的ZigBee開發套件并結合系統需要進行設計和開發。

2、主控系統關鍵技術

2.1 基于ZigBee的網絡建模

要實現系統功能，網絡建模需有嚴格的功能分配：首先要有協調器，它必須是FFD（全功能設備），同時也是整個網絡的靈魂，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，用于接收與轉發信息；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，而不再能轉發數據。基于此而建立的應用網絡如圖2所示。下面簡要介紹其實現機理。

從A點發送信息到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。系統利用路由算法，根據以下原則選擇最佳路徑。

（1）信息由一個節點傳向下一個節點時（如圖2中A-B），下一個節點會向上一個節點返回一個數據。該數據包括連接消耗（Link Cost），其數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，最后匯總給發射端。從發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，路由器會自動產生一個路徑列表（Route Table），此列表記錄了經過該路由器的所有路徑。如從A到O的通信過程中，C節點既記錄了路徑A-C-D-O，又記錄了路徑A-C-E-D-O。

（3）數據傳輸以幀為單位進行。幀中包含該數據所要到達的地點。全功能設備接收到數據幀時，會根據幀內地址判斷數據是不是傳給它的。如果是，則數據傳遞終止；否則，該設備會以接力的形式將數據幀傳出去。

（4）網絡選擇最佳路徑的方法是：首先，發射端傳送第一幀數據，此數據幀會經過所有的路徑到達終點。這些路徑的連接消耗會匯總給發射端，由發射端比較，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網絡所要選擇的最佳路徑。接下來發送第二幀數據時，網絡會記下由發射第一幀數據而得來的最佳路徑，并由此路徑發射及接收。以此類推，之后的每一次數據傳輸都按此運行。

2.2 ZigBee網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在局域網內一般采用短地址。這樣既可以縮小數據包的大小，同時還可以縮短數據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，短地址在信息轉換之前就已經被分配完畢；地址范圍由三個棧參數確定，即ZigBee——網絡的最大深度（nwkMaxDepth），每個路由器能最多連接子設備的數目（nwkMaxChildren），每個路由器能最多連接子路由器的數目（nwkMaxRouters）。同時，這三個棧參數也確定了網絡的整體結構。

由協議棧分析，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，即在用戶數超過255時的情況。這里采用優化處理，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。其原理根據各節點之間接收信號強度檢測RSSI（Received Signal Strength Indicator）實現。這里，該協議棧已將其最大值量化為150。如圖3，設盲節點是需要確認位置的用戶，參考節點1，2，…，n為已知位置信息的節點。由于已知節點之間的RSSI值已知，通過計算盲節點到參考節點的RSSI值，建立聯合方程，就可以推導出盲節點的大致位置。這樣，當盲節點需要確認位置（例如用戶迷路）時，可以發一個特殊命令，并迅速反饋給主控系統，主控系統確認出它的大致位置，就可以及時搜求。主控系統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內核集成，精度為3米左右。該定位方案不僅僅是對主控系統有用，對用戶系統也有用。用戶系統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、用戶系統設計原理

用戶系統原理如圖4所示，它主要由用戶系統控制單元及其附屬單元組成。用戶系統控制單元選用由ATmega128L＋CCS2420組成的ZigBee套件和ATMEl的MP3管理芯片構成；看門狗ASM706防止用戶系統死機，電源及監控單元保證系統處于安全供電模式，從而防止因系統電壓較低而造成的無法正常工作的現象。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現迷失方向時，只需一按搜索鍵，系統就進入報警模式。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，就根據系統要求轉入其他服務程序。

廣播模式需要根據RSSI算法進行評估，從鏈路質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。

本系統通過對旅游景點游客無線管理，系統運營和突發事故處理進行分析，提出一套基于ZigBee技術的無線管理機制。該系統可以根據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，彌補現有景點無線導游系統的不足。由于采用ZigBee技術，系統成本較低，無協議專利費支出，同時功耗較低，在休眠模式下壽命可長達數年。該算法也適合于其他應用，例如無線抄表、設備監控、酒店管理等。

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