楊秀增+楊仁桓

摘 要： 利用ZigBee技術(shù)和太陽能光伏充電技術(shù)，設(shè)計(jì)一款采用太陽能供電的無線智能電子導(dǎo)游系統(tǒng)。系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器、景點(diǎn)路由器和可移動(dòng)手持終端三種設(shè)備組成，景點(diǎn)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(qiáng)度（RSSI）定位算法選擇最近景點(diǎn)路由器。樣機(jī)測試表明，利用該方案設(shè)計(jì)的電子導(dǎo)游系統(tǒng)具有使用方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 電子導(dǎo)游系統(tǒng)； 太陽能電池； ZigBee； 接收信號強(qiáng)度； ZigBee?2006協(xié)議棧

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

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)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(wù)質(zhì)量，是旅游業(yè)所面臨的問題。目前旅游景點(diǎn)解說主要由解說員擔(dān)任，這種方式很難滿足游客游玩的自主性[2]。電子導(dǎo)游系統(tǒng)在旅游景點(diǎn)中推廣及應(yīng)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(dòng)力。本文利用ZigBee技術(shù)[5?7]和太陽能光伏充電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款基于太陽能供電的無線電子導(dǎo)游系統(tǒng)，具有使用方便，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本電子導(dǎo)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(shù)[8]，工作在免費(fèi)的2.4 GHz的 ISM頻段[8]。圖1是系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，主要由網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器、景點(diǎn)路由器和移動(dòng)手持終端三種設(shè)備組成。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器是無線傳感器中的第一個(gè)設(shè)備，負(fù)責(zé)建立一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)景點(diǎn)路由器和移動(dòng)手持終端開機(jī)工作時(shí)，這些設(shè)備會(huì)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)。景點(diǎn)路由器具有路由功能，被安置在每個(gè)景點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)手持終端與景點(diǎn)路由器之間的通信，景點(diǎn)路由器在周期性的廣播地址編碼，廣播半徑（radius）設(shè)為1跳（hop）。手持終端實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有MP3播放器功能的信號接收器。當(dāng)游客在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)時(shí)，手持終端會(huì)接收到所有相臨景點(diǎn)路由器發(fā)來的地址編碼信號。

通過RSSI定位算法[9?12]，計(jì)算游客的具體位置，找出離游客最近景點(diǎn)路由器，從SD儲(chǔ)存卡中讀取介紹此景點(diǎn)MP3語音文件，并把語音文件送到MP3語音解碼模塊進(jìn)行語音解碼，播放出景點(diǎn)語音。為了降低維護(hù)成本，在每個(gè)景點(diǎn)路由器上都安裝一塊太陽能電池板和儲(chǔ)電設(shè)備。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 手持接收終端設(shè)計(jì)

圖2為手持接收終端硬件結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(dǎo)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(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)型的8位8051微控制器內(nèi)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(dāng)游客進(jìn)入景點(diǎn)時(shí)，CC2430端收到從天線收到景點(diǎn)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(chǔ)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(diǎn)路由器設(shè)計(jì)

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的景點(diǎn)路由器，除了周期性廣播景點(diǎn)地址編碼之外，還承擔(dān)無線網(wǎng)絡(luò)的無線路由功能，因此，用電量較大。如果采用干電池給景點(diǎn)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(diǎn)路由器采用了太陽能電源供電方案。本系統(tǒng)的景點(diǎn)路由器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee?2006協(xié)議棧的移植

為了實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間自動(dòng)組建無線網(wǎng)絡(luò)，要在這些設(shè)備上移植無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。ZigBee?2006 協(xié)議棧是一個(gè)公開的半開源的短距離無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)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(yīng)用程序添加到協(xié)議棧中，擴(kuò)展相應(yīng)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(guān)協(xié)調(diào)器、景點(diǎn)路由器、手持接收終端。如圖4所示，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與手持終端設(shè)備的程序流程圖，其中圖（a）為網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器程序流程圖，圖（b）為手持終端設(shè)備程序流程圖。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器是無線網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它的主要任務(wù)是按設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)建立一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建成功之后，協(xié)調(diào)器允許其他路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中來，并給路由節(jié)點(diǎn)分配惟一的16位短地址。除此之外，網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器還負(fù)責(zé)收集由其他路由節(jié)發(fā)來的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過串口送到PC機(jī)中。手持終端設(shè)備是一個(gè)帶有MP3播放器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，被加上電后，首先初始化設(shè)備，然后尋找周圍是否存在合法的無線網(wǎng)絡(luò)，如果存在，則申請加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。入網(wǎng)成功之后，接收相鄰景點(diǎn)路由器節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度，計(jì)算出游客與相近景點(diǎn)的位置關(guān)系，自動(dòng)的播放最近景點(diǎn)的語音文件。

3.2 基于接收信號強(qiáng)度的定位算法

當(dāng)游客帶著手持終端設(shè)備在多個(gè)景點(diǎn)路由器附近走動(dòng)時(shí)，終端會(huì)收到這些景點(diǎn)路由器所發(fā)出的地址編碼，如何確定這些景點(diǎn)與游客之間的位置關(guān)系，播放最近的景點(diǎn)的語音文件，是實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)游的關(guān)鍵。在本設(shè)計(jì)中，采用了基于接收信號強(qiáng)度的定位算法來選擇最近景點(diǎn)的。接收信號強(qiáng)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(jìn)行定位的，這是因?yàn)殡姶挪芰看笮∨c電磁波傳輸距離的二次方成反比。如果接收到的信號強(qiáng)度越強(qiáng)，表示游客離發(fā)射節(jié)點(diǎn)越近，如果接收到的信號強(qiáng)度越弱，表示游客離發(fā)射節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)。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(jié)構(gòu)，在這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，定義了一個(gè)接收信號指示成員，其定義如下：

4 樣機(jī)及其測試

圖5為在實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的基于ZigBee的無線電子導(dǎo)游系統(tǒng)的樣機(jī)實(shí)物圖。利用IAR Embedded Workbench for MCS?51 開發(fā)工具，把移植好的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)程序，分別下載到相應(yīng)的類型的設(shè)備中，并對樣機(jī)進(jìn)行測試。在測試過程中，把5個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器放在實(shí)驗(yàn)室的不同位置，讓它們組建一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)這些設(shè)備組網(wǎng)成功后，帶著手持終端MP3節(jié)點(diǎn)在這些路由節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，手持終端MP3播放器能播放離它最近的路由節(jié)點(diǎn)的MP3音頻文件，與設(shè)計(jì)相符合，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的正確性。

5 結(jié) 語

本文以TI公司的CC2430射頻為硬件平臺，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的無線電子導(dǎo)游系統(tǒng)。采用基于接收信號強(qiáng)度（RISS）的定位算法，景點(diǎn)路由節(jié)點(diǎn)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(shù)電子導(dǎo)游系統(tǒng)定位不準(zhǔn)確的問題，有較好的實(shí)用價(jià)值與推廣價(jià)值。目前，本套系統(tǒng)已向中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局申請了實(shí)用新型專利，并獲得專利證書。

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