《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 業(yè)界動態(tài) > 基于ZigBee的無線管理系統(tǒng)設(shè)計

基于ZigBee的無線管理系統(tǒng)設(shè)計

《電子技術(shù)應(yīng)用》2007年第1期
2007-09-12
作者:姚引娣

摘 要: 提出一種基于ZigBee技術(shù)的無線管理系統(tǒng)" title="無線管理系統(tǒng)">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(luò)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(guān)鍵詞: ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)? 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(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(shù)設(shè)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(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(fù)責(zé)統(tǒng)計基站信息并進(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。這主要是因為系統(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),同時也是整個網(wǎng)絡(luò)的靈魂,它記錄著每個設(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)。基于此而建立的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。下面簡要介紹其實現(xiàn)機(jī)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(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(jìn)行。幀中包含該數(shù)據(jù)所要到達(dá)的地點。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,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。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,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)傳輸都按此運行。

?


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,同時還可以縮短數(shù)據(jù)在設(shè)備中間的傳送時間,從而減小電量消耗,延長電池壽命。在設(shè)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(luò)的最大深度(nwkMaxDepth),每個路由器能最多連接子設(shè)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(luò)的整體結(jié)構(gòu)。
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(yīng)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(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(景點播放、清場播報等消息),就從提取到的信息播放對應(yīng)內(nèi)容。在特殊用途時,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(jìn)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(qiáng)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(shè)盲節(jié)點是需要確認(rèn)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(dǎo)出盲節(jié)點的大致位置。這樣,當(dāng)盲節(jié)點需要確認(rèn)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(rèn)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(jìn)行判決。如果達(dá)到預(yù)設(shè)門限值,就可以啟動景點播放模式。


3 用戶系統(tǒng)設(shè)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(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,只需一按搜索鍵,系統(tǒng)就進(jìn)入報警模式。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)入景點時,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。


廣播模式需要根據(jù)RSSI算法進(jìn)行評估,從鏈路質(zhì)量信息判斷是否達(dá)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(jìn)行處理,返回時默認(rèn)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(jìn)行分析,提出一套基于ZigBee技術(shù)的無線管理機(jī)制。該系統(tǒng)可以根據(jù)各種景點不同場合需求采用相應(yīng)措施,有效緩解導(dǎo)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(bǔ)現(xiàn)有景點無線導(dǎo)游系統(tǒng)的不足。由于采用ZigBee技術(shù),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(dá)數(shù)年。該算法也適合于其他應(yīng)用,例如無線抄表、設(shè)備監(jiān)控、酒店管理等。
參考文獻(xiàn)
[1] EGAN D.The emergence of ZigBee in building automation?and industrial control.Computing & Control engineering?journal,2005,16(4-5).
[2] 原 羿,蘇宏根.基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究.計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2004,21(6).
[3] CIARDIELLO T.Wireless communications for industrial controland monitoring.Computing & Control engineering journal,2005,16(4-5):12-13.

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,請及時通過電子郵件或電話通知我們,以便迅速采取適當(dāng)措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。聯(lián)系電話:010-82306118;郵箱:aet@chinaaet.com。