基于Zigbee的太陽能無線電子導游系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

楊秀增+楊仁桓

摘 要： 利用ZigBee技術和太陽能光伏充電技術，設計一款采用太陽能供電的無線智能電子導游系統(tǒng)。系統(tǒng)由網(wǎng)關協(xié)調器、景點路由器和可移動手持終端三種設備組成，景點路由器采用太陽能電池板供電，采用CC2430芯片作為控制和射頻通信硬件平臺，并成功移植了ZigBee?2006協(xié)議棧，利用接收信號強度（RSSI）定位算法選擇最近景點路由器。樣機測試表明，利用該方案設計的電子導游系統(tǒng)具有使用方便、成本低廉等優(yōu)點，具有較好的實用價值。

關鍵詞： 電子導游系統(tǒng)； 太陽能電池； ZigBee； 接收信號強度； ZigBee?2006協(xié)議棧

中圖分類號： TN915?34； TN83 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0121?03

近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展[1]，觀光旅游成為人們生活中必不可少的休閑方式[1?2]。如何提高旅游業(yè)服務質量，是旅游業(yè)所面臨的問題。目前旅游景點解說主要由解說員擔任，這種方式很難滿足游客游玩的自主性[2]。電子導游系統(tǒng)在旅游景點中推廣及應用，為現(xiàn)代旅游業(yè)的智能化[3?4]和人性化[3?4]的發(fā)展注入了新動力。本文利用ZigBee技術[5?7]和太陽能光伏充電技術，設計了一款基于太陽能供電的無線電子導游系統(tǒng)，具有使用方便，成本低廉等優(yōu)點。

1 整體方案設計

本電子導游系統(tǒng)采用低成本、低功耗的ZigBee無線解決方案[8]。ZigBee是一種新興的短距離、低功率、低速率的無線接入技術[8]，工作在免費的2.4 GHz的 ISM頻段[8]。圖1是系統(tǒng)整體設計方案，主要由網(wǎng)關協(xié)調器、景點路由器和移動手持終端三種設備組成。網(wǎng)關協(xié)調器是無線傳感器中的第一個設備，負責建立一個無線傳感器網(wǎng)絡。當景點路由器和移動手持終端開機工作時，這些設備會自動加入網(wǎng)絡。景點路由器具有路由功能，被安置在每個景點。為了實現(xiàn)手持終端與景點路由器之間的通信，景點路由器在周期性的廣播地址編碼，廣播半徑（radius）設為1跳（hop）。手持終端實質上是一個具有MP3播放器功能的信號接收器。當游客在網(wǎng)絡中移動時，手持終端會接收到所有相臨景點路由器發(fā)來的地址編碼信號。

通過RSSI定位算法[9?12]，計算游客的具體位置，找出離游客最近景點路由器，從SD儲存卡中讀取介紹此景點MP3語音文件，并把語音文件送到MP3語音解碼模塊進行語音解碼，播放出景點語音。為了降低維護成本，在每個景點路由器上都安裝一塊太陽能電池板和儲電設備。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 手持接收終端設計

圖2為手持接收終端硬件結構原理圖，其主要由射頻天線、CC2430芯片、LCD顯示器、DS2762電源管理、STM8L03微控芯片、SD存儲卡、VS1003MP3解碼芯片、充電鋰電池和電源適配器接口等部分組成。

STM8L03是意法半導體公司生產(chǎn)的8位超低功耗微控制器；CC2430是TI公司的芯片，內部集成了一個增強型的8位8051微控制器內核；VS1003是芬蘭VISL公司生產(chǎn)的高性能高保真音頻解碼芯片；DS2762是MAXIM 公司新一代智能電源管理芯片。當游客進入景點時，CC2430端收到從天線收到景點路由器發(fā)出地址編碼信號，并通過串口把選取的信號送到STM8L03微控制器，微控制器讀取SD儲存卡中的音頻文件，通過VS1003音頻解碼芯片解碼音頻信號。

2.2 景點路由器設計

ZigBee無線網(wǎng)絡中的景點路由器，除了周期性廣播景點地址編碼之外，還承擔無線網(wǎng)絡的無線路由功能，因此，用電量較大。如果采用干電池給景點路由器供電，由于受到干電池容量限制，需要不定期更換電池，給用戶的使用帶來不便。本系統(tǒng)的景點路由器采用了太陽能電源供電方案。本系統(tǒng)的景點路由器設計框圖如圖3所示，其主要由太陽能電池板、LT1303充電與管理電路、可充電的鋰電池和CC2430芯片組成。

3 系統(tǒng)程序的設計軟件設計

3.1 ZigBee?2006協(xié)議棧的移植

為了實現(xiàn)不同設備之間自動組建無線網(wǎng)絡，要在這些設備上移植無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議。ZigBee?2006 協(xié)議棧是一個公開的半開源的短距離無線網(wǎng)絡協(xié)議，在無線傳感器網(wǎng)絡中得到廣泛應用。

利用IAR Embedded Workbench for MCS?51 開發(fā)工具，打開ZigBee?2006協(xié)議棧，并且可以把自已的應用程序添加到協(xié)議棧中，擴展相應的功能。在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，成功移植了 ZigBee?2006 協(xié)議棧到網(wǎng)關協(xié)調器、景點路由器、手持接收終端。如圖4所示，為網(wǎng)絡協(xié)調器與手持終端設備的程序流程圖，其中圖（a）為網(wǎng)關協(xié)調器程序流程圖，圖（b）為手持終端設備程序流程圖。網(wǎng)關協(xié)調器是無線網(wǎng)絡中第一個網(wǎng)絡設備，它的主要任務是按設定的網(wǎng)絡參數(shù)建立一個無線網(wǎng)絡。當網(wǎng)絡創(chuàng)建成功之后，協(xié)調器允許其他路由節(jié)點加入網(wǎng)絡中來，并給路由節(jié)點分配惟一的16位短地址。除此之外，網(wǎng)關協(xié)調器還負責收集由其他路由節(jié)發(fā)來的網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過串口送到PC機中。手持終端設備是一個帶有MP3播放器的網(wǎng)絡設備，被加上電后，首先初始化設備，然后尋找周圍是否存在合法的無線網(wǎng)絡，如果存在，則申請加入這個網(wǎng)絡中。入網(wǎng)成功之后，接收相鄰景點路由器節(jié)點發(fā)出的地址數(shù)據(jù)，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)及接收信號強度，計算出游客與相近景點的位置關系，自動的播放最近景點的語音文件。

3.2 基于接收信號強度的定位算法

當游客帶著手持終端設備在多個景點路由器附近走動時，終端會收到這些景點路由器所發(fā)出的地址編碼，如何確定這些景點與游客之間的位置關系，播放最近的景點的語音文件，是實現(xiàn)智能導游的關鍵。在本設計中，采用了基于接收信號強度的定位算法來選擇最近景點的。接收信號強度（RSSI）定位算法是根據(jù)接收到的電磁波能量大小[10?12]來進行定位的，這是因為電磁波能量大小與電磁波傳輸距離的二次方成反比。如果接收到的信號強度越強，表示游客離發(fā)射節(jié)點越近，如果接收到的信號強度越弱，表示游客離發(fā)射節(jié)點越遠。在ZigBee?2006協(xié)議棧中，在AF.h文件中定義了afIn? afIncomingMSGPacket_t數(shù)據(jù)結構，在這個數(shù)據(jù)結構中，定義了一個接收信號指示成員，其定義如下：

4 樣機及其測試

圖5為在實驗室中開發(fā)的基于ZigBee的無線電子導游系統(tǒng)的樣機實物圖。利用IAR Embedded Workbench for MCS?51 開發(fā)工具，把移植好的協(xié)調器節(jié)點程序、路由節(jié)點和終端節(jié)點程序，分別下載到相應的類型的設備中，并對樣機進行測試。在測試過程中，把5個路由節(jié)點和1個協(xié)調器放在實驗室的不同位置，讓它們組建一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡。當這些設備組網(wǎng)成功后，帶著手持終端MP3節(jié)點在這些路由節(jié)點移動時，手持終端MP3播放器能播放離它最近的路由節(jié)點的MP3音頻文件，與設計相符合，驗證了本設計的正確性。

5 結 語

本文以TI公司的CC2430射頻為硬件平臺，設計了基于ZigBee的無線電子導游系統(tǒng)。采用基于接收信號強度（RISS）的定位算法，景點路由節(jié)點采用了太陽能供電方案，有效解決傳統(tǒng)基于無線射頻識別（RFID）技術電子導游系統(tǒng)定位不準確的問題，有較好的實用價值與推廣價值。目前，本套系統(tǒng)已向中華人民共和國國家知識產(chǎn)權局申請了實用新型專利，并獲得專利證書。

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