成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 顧靜玲 甘 濤 郭浩攀 王裕迪 陳玉林

一種基于Zig Bee的戶外旅游團(tuán)體定位系統(tǒng)

成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 顧靜玲 甘 濤 郭浩攀 王裕迪 陳玉林

針對(duì)戶外旅行團(tuán)體人員眾多、隨意性大的特點(diǎn)，導(dǎo)致容易走失等安全事故，給出了一種戶外旅游團(tuán)體定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。搭建了采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)，通過優(yōu)化濾波算法，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間距離測(cè)量的準(zhǔn)確性；并且編寫了相應(yīng)的安卓終端軟件，提供了友好的交互界面和可視化信息顯示。

ZigBee；旅游安全；星型拓?fù)?；距離測(cè)定；安卓終端

0 引言

戶外旅游團(tuán)人數(shù)較多，分布散亂且無規(guī)律，往往有人由于跟不上隊(duì)伍而走失，導(dǎo)致發(fā)生意外事故[3]。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，為戶外旅游團(tuán)體設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)游助手系統(tǒng)，讓導(dǎo)游知曉團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員的位置信息，而目前可以應(yīng)用在多人情況下的定位技術(shù)一般都是利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)[4-6]，但這些定位方式都需要根據(jù)事先布好節(jié)點(diǎn)的位置作為參考，多用于礦井、醫(yī)院等固定地點(diǎn)，并不適用于戶外旅游團(tuán)。因此，本文提出以ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合改進(jìn)的RSSI測(cè)距算法，用安卓手機(jī)作為終端，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)，旨在保障旅游者的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)的概念框架主要由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和安卓監(jiān)護(hù)終端兩個(gè)部分組成。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的管理者，負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和配置節(jié)點(diǎn)成員信息。協(xié)調(diào)器組建好局域網(wǎng)絡(luò)之后，該無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)進(jìn)行通信，將其收集到的信息經(jīng)過處理后發(fā)送過去。安卓終端不論是導(dǎo)游還是游客，用戶可以登錄軟件提交和查看相關(guān)信息。

2 ZigBee測(cè)距網(wǎng)絡(luò)

ZigBee測(cè)距網(wǎng)絡(luò)是該系統(tǒng)的底層核心部分。

ZigBee聯(lián)盟規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn)，ZigBee技術(shù)專注于低成本、低速率和低功耗的無線通信市場(chǎng)，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過65000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)的物理傳輸范圍一般在10-100米之間，在增加RF發(fā)射功率之后，可以達(dá)到1000米，具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示能力。而戶外旅游團(tuán)體一般在10-20人左右，活動(dòng)范圍100米以內(nèi)，因此ZigBee技術(shù)特點(diǎn)與這種情境的適配性最好。

2.1 星型網(wǎng)絡(luò)的組建

ZigBee自組織網(wǎng)的形成和網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸，都要遵守協(xié)議棧的規(guī)范來執(zhí)行。TI公司為Z-Stack協(xié)議棧提供了一個(gè)名為OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）的協(xié)議棧調(diào)度程序。 OSAL的程序流程圖如圖1所示。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)，所需求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，因此選擇星型網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，由導(dǎo)游攜帶，它首先組建一個(gè)局域網(wǎng)，一旦有節(jié)點(diǎn)加入，及時(shí)接收由終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中獲取節(jié)點(diǎn)設(shè)備號(hào)，并且檢測(cè)能量強(qiáng)度，然后將數(shù)據(jù)打包通過藍(lán)牙串口模塊發(fā)送給手機(jī)，其工作流程如圖1所示；終端節(jié)點(diǎn)開啟后就尋找并加入網(wǎng)絡(luò)，每過一段時(shí)間向協(xié)調(diào)器發(fā)送節(jié)點(diǎn)設(shè)備號(hào)等數(shù)據(jù)信息。

圖1 OSAL程序流程圖

2.2 測(cè)距算法的改進(jìn)

Signal Strength Indication接收的信號(hào)強(qiáng)度指示)的定位技術(shù)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中占據(jù)了非常重要的地位。

為了得到最優(yōu)估算值，需要對(duì)RSSI值進(jìn)行數(shù)字濾波。因此，采用混合濾波模型處理RSSI值，即將接收的一組數(shù)據(jù)，從小到大排序，剔除最大值和最小值。剩余的數(shù)值，通過高斯模型進(jìn)行濾波，最后得到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

3 安卓終端

安卓手機(jī)終端的程序分為兩種：游客部分和導(dǎo)游部分。在點(diǎn)擊進(jìn)入軟件之后就要選擇好，若選擇為游客，則需要輸入登錄信息以及自己攜帶的ZigBee設(shè)備的相關(guān)信息，軟件將其通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端服務(wù)器；若選擇為導(dǎo)游，與藍(lán)牙模塊配對(duì)，獲取游客信息，將距離以雷達(dá)圖的形式顯示在手機(jī)上。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

目前常用的無線電信號(hào)傳播損耗模型為對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型，如下式所示：

其中，η為路徑衰減因子，不同環(huán)境下取值不同；P(d0)是距離為d0時(shí)信號(hào)的強(qiáng)度，d0典型值為1 m。為服從高斯分布的隨機(jī)噪聲，其均值為零，標(biāo)準(zhǔn)差為σ；P(d)為距離為d時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，即RSSI值。

采用兩臺(tái)ZigBee設(shè)備進(jìn)行通信。首先測(cè)試相距1 m時(shí)的RSSI值，從而得出P(1)；假定路徑損耗因子η=2。采集10 m、20 m、30 m、40 m、50 m處的數(shù)據(jù)，每處進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)采集15個(gè)RSSI測(cè)量值作為一組數(shù)據(jù)，分別用均值法、中值法和混合濾波法進(jìn)行處理。處理后的絕對(duì)誤差的百分比如圖2所示。

由該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，無論是近距離還是遠(yuǎn)距離，混合濾波模型對(duì)RSSI值的處理效果都要優(yōu)于單一濾波模型。

圖2 各種濾波模型效果對(duì)比

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，本文所提出的基于ZigBee的智能導(dǎo)游助手實(shí)時(shí)性較好，由改進(jìn)算法所得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，分析結(jié)果的可信度較高，能夠較好地滿足戶外旅游團(tuán)體的定位需求。同時(shí)，系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，易于導(dǎo)游隨時(shí)了解安全狀況，對(duì)突發(fā)情況作出及時(shí)反應(yīng)，對(duì)于旅游安全領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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顧靜玲（1996—），女，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于成都理工大學(xué)。

甘濤（1994—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于成都理工大學(xué)。

郭浩攀（1997—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于成都理工大學(xué)。

王裕迪（1998—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于成都理工大學(xué)。

陳玉林（1998—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于成都理工大學(xué)。