基于ZigBee的无线管理系统设计

摘 要： 提出一种基于ZigBee技术的无线管理系统。该系统基于由ZigBee套件组建的无线网络实现区域内人员信息统计、管理以及位置识别功能，同时还可以完成紧急搜救工作。
关键词： ZigBee 无线网络 定位系统

ZigBee一词源自蜜蜂觅物。蜂群发现花粉位置时，通过简洁的ZigZag形舞蹈交换信息。人们借此将专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术称为ZigBee。ZigBee基于IEEE802.15.4标准，对其网络层协议和API进行了标准化；同时还增加了安全层，以保证这种便携式设备不会意外泄漏其标识，而且这种基于网络的远距离传输不会被其他节点获得。作为新兴的双向无线网络通信技术，ZigBee主要用于工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、物业自动化管理和医用设备控制等方面，填补了无线个人局域网和短距离无线应用市场的空白。由于通过各种非常简单的器件就能够实现联网，ZigBee标准为无线网络的实现创造了良好的条件。

本文通过分析旅游景点的人员情况，利用ZigBee技术设计了一种无线管理系统，实现对区域内人员的监控和管理。系统支持无线定位服务，在紧急情况下可进行搜救工作，弥补了现有无线导游系统的不足。

1 无线管理系统
本系统为智能无线管理系统，采用人机交互方式有效解决了旅游景点导游不足、游客走失等问题。系统主要由两部分构成，如图1所示。

主控系统由主控单元、子系统和基站构成。其中主控单元（协调器）负责汇总基站及子系统上传信息，并进行统计和分析；发布信息命令，并实时显示，动态管理。子系统（路由器）负责统计基站信息并进行预处理，然后根据主控单元命令进行上传和对基站操作。这样，一方面可扩大系统应用范围，另一方面还可以减少上传数据量，从而间接增大系统信息处理能力。这主要是因为系统带宽有限，它的最大传输速率仅为250kbps；如果要扩大应用范围，只需续接新的子系统即可（如图1中的子系统n1）。基站(路由器)负责对用户进行监控，发送本地信息（例如景点信息、服务信息），转发上级指令（例如告警信号、闭馆信息）和上传用户信息（尤其是迷路告警信息）。

用户系统接收基站传来的信息，并根据外部命令对信息进行分析、判断和处理。用户根据接收到的信号质量和接收内容进行判断，以决定与基站连接还是与子系统直接连接。

以上系统采用Chipcon AS公司提供的ZigBee开发套件并结合系统需要进行设计和开发。

2 主控系统关键技术
2.1 基于ZigBee的网络建模
要实现系统功能，网络建模需有严格的功能分配：首先要有协调器，它必须是FFD（全功能设备），同时也是整个网络的灵魂，它记录着每个设备(Device) 的地址；其次，需有路由设备，它也必须是FFD，用于接收与转发信息；最后，需有接收端，它可以采用FFD，也可以采用RFD（精简功能设备）。如果是 RFD，则此设备只能充当接收终端，而不再能转发数据。基于此而建立的应用网络如图2所示。下面简要介绍其实现机理。

从A点发送信息到O点，有多种路径可供选择，如图中的A-B-O和A-C-D-O及A-C-E-D-O。系统利用路由算法，根据以下原则选择最佳路径。

(1) 信息由一个节点传向下一个节点时（如图2中A-B），下一个节点会向上一个节点返回一个数据。该数据包括连接消耗（Link Cost），其数值大小与该传递过程中所消耗的能量大小成正比。每一条路径都有自己的连接消耗之和，最后汇总给发射端。从发射端到接收端的所有路径中，连接消耗值最小的就是最佳路径。ZigBee网络选择的是功耗最小的路径。
(2)信息传递过程中，路由器会自动产生一个路径列表（Route Table），此列表记录了经过该路由器的所有路径。如从A到O的通信过程中，C节点既记录了路径A-C-D-O，又记录了路径A-C-E-D-O。
(3)数据传输以帧为单位进行。帧中包含该数据所要到达的地点。全功能设备接收到数据帧时，会根据帧内地址判断数据是不是传给它的。如果是，则数据传递终止；否则，该设备会以接力的形式将数据帧传出去。
(4) 网络选择最佳路径的方法是：首先，发射端传送第一帧数据，此数据帧会经过所有的路径到达终点。这些路径的连接消耗会汇总给发射端，由发射端比较，选择功耗最小的路径。由图2可以看出，路径A-C-D-O的连接消耗总合最小，这正是ZigBee网络所要选择的最佳路径。接下来发送第二帧数据时，网络会记下由发射第一帧数据而得来的最佳路径，并由此路径发射及接收。以此类推，之后的每一次数据传输都按此运行。

2.2 ZigBee网络中的地址分配和应用
所有的 ZigBee设备都含有惟一的64位IEEE地址（长地址）以及可分配的16位短地址。为了延长电池的寿命，ZigBee在局域网内一般采用短地址。这样既可以缩小数据包的大小，同时还可以缩短数据在设备中间的传送时间，从而减小电量消耗，延长电池寿命。在设计时，短地址在信息转换之前就已经被分配完毕；地址范围由三个栈参数确定，即ZigBee——网络的最大深度(nwkMaxDepth)，每个路由器能最多连接子设备的数目 (nwkMaxChildren)，每个路由器能最多连接子路由器的数目(nwkMaxRouters)。同时，这三个栈参数也确定了网络的整体结构。

由协议栈分析，一个路由器最大可以管理255个用户。然而，在应用中需要考虑最恶劣的情况，即在用户数超过255时的情况。这里采用优化处理，将信息分为两类：一类是广播信息，另一类是特殊信息。在普及型介绍时，如景点介绍，它不需要特定的管理，选用广播信息方式即可。用户端（游客）设备对于接收到的信号进行判决，如果该信号符合规定模式（景点播放、清场播报等消息），就从提取到的信息播放对应内容。在特殊用途时，可以选用播放特殊消息模式，例如人员走失、限时集合等命令，这时它的用户数不是很多，完全满足路由器管理能力。

2.3 无线定位
无线定位是本系统的一个独特点，它支持迷路用户进行报警和寻找特定用户位置。其原理根据各节点之间接收信号强度检测RSSI（Received Signal Strength Indicator）实现。这里，该协议栈已将其最大值量化为150。如图3，设盲节点是需要确认位置的用户，参考节点1，2，…，n为已知位置信息的节点。由于已知节点之间的RSSI值已知，通过计算盲节点到参考节点的RSSI值，建立联合方程，就可以推导出盲节点的大致位置。这样，当盲节点需要确认位置(例如用户迷路)时，可以发一个特殊命令，并迅速反馈给主控系统，主控系统确认出它的大致位置，就可以及时搜求。主控系统也可以通过提供的用户地址信息，主动寻找失散人员。最近chipcom专门推出一款定位芯片CCS2431，它将射频芯片和8051内核集成，精度为3米左右。该定位方案不仅仅是对主控系统有用，对用户系统也有用。用户系统由于实时接收到不同位置的广播信号，在靠近最近景点时，它通过计算收到的最大RSSI信号进行判决。如果达到预设门限值，就可以启动景点播放模式。

3 用户系统设计原理
用户系统原理如图4所示，它主要由用户系统控制单元及其附属单元组成。用户系统控制单元选用由ATmega128L＋CCS2420组成的ZigBee套件和ATMEl的MP3管理芯片构成；看门狗ASM706防止用户系统死机，电源及监控单元保证系统处于安全供电模式，从而防止因系统电压较低而造成的无法正常工作的现象。信息存储器选用 128MB的三星闪存K9F1G08U0A，它负责提供景点信息和其他服务信息。当用户在大的地方发现迷失方向时，只需一按搜索键，系统就进入报警模式。服务菜单键还可为用户提供其他服务信息，如附近便利店、搜求电话等信息。当用户进入景点时，该系统自动进行播放，在接收到其他外部信息或进行手动操作时才退出操作。

软件流程如图5所示。系统初始化后进入信息接收模式，并对接收到的信息进行判决。如果是广播信息，则进入广播模式，其流程图见图6；如果接收到的信息是定位信息，就进入报警模式，它会提示已找到用户位置，以免用户走出有效范围，失去跟踪对象。如果以上情况都不是，就根据系统要求转入其他服务程序。

广播模式需要根据RSSI算法进行评估，从链路质量信息判断是否达到播放条件。如果是，就通过MP3芯片启动语音播放程序；如果接收到中断消息就退出语音播放程序，根据中断消息进行处理，返回时默认到接收外部信息模式。

本系统通过对旅游景点游客无线管理，系统运营和突发事故处理进行分析，提出一套基于ZigBee技术的无线管理机制。该系统可以根据各种景点不同场合需求采用相应措施，有效缓解导游不足问题。它还具有专有的失踪人员跟踪定位及报警模式，弥补现有景点无线导游系统的不足。由于采用ZigBee技术，系统成本较低，无协议专利费支出，同时功耗较低，在休眠模式下寿命可长达数年。该算法也适合于其他应用，例如无线抄表、设备监控、酒店管理等。

参考文献
[1] EGAN D.The emergence of ZigBee in building automation and industrial control.Computing & Control engineering journal，2005，16(4-5).
[2] 原 羿，苏宏根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究.计算机应用与软件，2004，21(6).
[3] CIARDIELLO T.Wireless communications for industrial controland monitoring.Computing & Control engineering journal，2005，16(4-5)：12-13.