基于ZigBee的无线管理系统设计

2008-03-27 16:05:08来源: www.chinaaet.com

  西安邮电学院 通信工程系,陕西 西安 7100612007-09-12

  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.

 

关键字:ZigBee  无线抄表  无线网络  网络建模  无线定位  A-B-O  chipcom

编辑:ssb 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2008/0327/article_703.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
ZigBee
无线抄表
无线网络
网络建模
无线定位
A-B-O
chipcom

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved