基于Zigbee的太阳能无线电子导游系统的设计与实现

杨秀增+杨仁桓

摘 要： 利用ZigBee技术和太阳能光伏充电技术，设计一款采用太阳能供电的无线智能电子导游系统。系统由网关协调器、景点路由器和可移动手持终端三种设备组成，景点路由器采用太阳能电池板供电，采用CC2430芯片作为控制和射频通信硬件平台，并成功移植了ZigBee?2006协议栈，利用接收信号强度（RSSI）定位算法选择最近景点路由器。样机测试表明，利用该方案设计的电子导游系统具有使用方便、成本低廉等优点，具有较好的实用价值。

关键词： 电子导游系统； 太阳能电池； ZigBee； 接收信号强度； ZigBee?2006协议栈

中图分类号： TN915?34； TN83 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0121?03

近年来，随着我国经济的飞速发展[1]，观光旅游成为人们生活中必不可少的休闲方式[1?2]。如何提高旅游业服务质量，是旅游业所面临的问题。目前旅游景点解说主要由解说员担任，这种方式很难满足游客游玩的自主性[2]。电子导游系统在旅游景点中推广及应用，为现代旅游业的智能化[3?4]和人性化[3?4]的发展注入了新动力。本文利用ZigBee技术[5?7]和太阳能光伏充电技术，设计了一款基于太阳能供电的无线电子导游系统，具有使用方便，成本低廉等优点。

1 整体方案设计

本电子导游系统采用低成本、低功耗的ZigBee无线解决方案[8]。ZigBee是一种新兴的短距离、低功率、低速率的无线接入技术[8]，工作在免费的2.4 GHz的 ISM频段[8]。图1是系统整体设计方案，主要由网关协调器、景点路由器和移动手持终端三种设备组成。网关协调器是无线传感器中的第一个设备，负责建立一个无线传感器网络。当景点路由器和移动手持终端开机工作时，这些设备会自动加入网络。景点路由器具有路由功能，被安置在每个景点。为了实现手持终端与景点路由器之间的通信，景点路由器在周期性的广播地址编码，广播半径（radius）设为1跳（hop）。手持终端实质上是一个具有MP3播放器功能的信号接收器。当游客在网络中移动时，手持终端会接收到所有相临景点路由器发来的地址编码信号。

通过RSSI定位算法[9?12]，计算游客的具体位置，找出离游客最近景点路由器，从SD储存卡中读取介绍此景点MP3语音文件，并把语音文件送到MP3语音解码模块进行语音解码，播放出景点语音。为了降低维护成本，在每个景点路由器上都安装一块太阳能电池板和储电设备。

2 硬件系统设计

2.1 手持接收终端设计

图2为手持接收终端硬件结构原理图，其主要由射频天线、CC2430芯片、LCD显示器、DS2762电源管理、STM8L03微控芯片、SD存储卡、VS1003MP3解码芯片、充电锂电池和电源适配器接口等部分组成。

STM8L03是意法半导体公司生产的8位超低功耗微控制器；CC2430是TI公司的芯片，内部集成了一个增强型的8位8051微控制器内核；VS1003是芬兰VISL公司生产的高性能高保真音频解码芯片；DS2762是MAXIM 公司新一代智能电源管理芯片。当游客进入景点时，CC2430端收到从天线收到景点路由器发出地址编码信号，并通过串口把选取的信号送到STM8L03微控制器，微控制器读取SD储存卡中的音频文件，通过VS1003音频解码芯片解码音频信号。

2.2 景点路由器设计

ZigBee无线网络中的景点路由器，除了周期性广播景点地址编码之外，还承担无线网络的无线路由功能，因此，用电量较大。如果采用干电池给景点路由器供电，由于受到干电池容量限制，需要不定期更换电池，给用户的使用带来不便。本系统的景点路由器采用了太阳能电源供电方案。本系统的景点路由器设计框图如图3所示，其主要由太阳能电池板、LT1303充电与管理电路、可充电的锂电池和CC2430芯片组成。

3 系统程序的设计软件设计

3.1 ZigBee?2006协议栈的移植

为了实现不同设备之间自动组建无线网络，要在这些设备上移植无线传感器网络通信协议。ZigBee?2006 协议栈是一个公开的半开源的短距离无线网络协议，在无线传感器网络中得到广泛应用。

利用IAR Embedded Workbench for MCS?51 开发工具，打开ZigBee?2006协议栈，并且可以把自已的应用程序添加到协议栈中，扩展相应的功能。在本系统的开发过程中，成功移植了 ZigBee?2006 协议栈到网关协调器、景点路由器、手持接收终端。如图4所示，为网络协调器与手持终端设备的程序流程图，其中图（a）为网关协调器程序流程图，图（b）为手持终端设备程序流程图。网关协调器是无线网络中第一个网络设备，它的主要任务是按设定的网络参数建立一个无线网络。当网络创建成功之后，协调器允许其他路由节点加入网络中来，并给路由节点分配惟一的16位短地址。除此之外，网关协调器还负责收集由其他路由节发来的网络状态数据，并把数据通过串口送到PC机中。手持终端设备是一个带有MP3播放器的网络设备，被加上电后，首先初始化设备，然后寻找周围是否存在合法的无线网络，如果存在，则申请加入这个网络中。入网成功之后，接收相邻景点路由器节点发出的地址数据，根据接收的数据及接收信号强度，计算出游客与相近景点的位置关系，自动的播放最近景点的语音文件。

3.2 基于接收信号强度的定位算法

当游客带着手持终端设备在多个景点路由器附近走动时，终端会收到这些景点路由器所发出的地址编码，如何确定这些景点与游客之间的位置关系，播放最近的景点的语音文件，是实现智能导游的关键。在本设计中，采用了基于接收信号强度的定位算法来选择最近景点的。接收信号强度（RSSI）定位算法是根据接收到的电磁波能量大小[10?12]来进行定位的，这是因为电磁波能量大小与电磁波传输距离的二次方成反比。如果接收到的信号强度越强，表示游客离发射节点越近，如果接收到的信号强度越弱，表示游客离发射节点越远。在ZigBee?2006协议栈中，在AF.h文件中定义了afIn? afIncomingMSGPacket_t数据结构，在这个数据结构中，定义了一个接收信号指示成员，其定义如下：

4 样机及其测试

图5为在实验室中开发的基于ZigBee的无线电子导游系统的样机实物图。利用IAR Embedded Workbench for MCS?51 开发工具，把移植好的协调器节点程序、路由节点和终端节点程序，分别下载到相应的类型的设备中，并对样机进行测试。在测试过程中，把5个路由节点和1个协调器放在实验室的不同位置，让它们组建一个网状网络。当这些设备组网成功后，带着手持终端MP3节点在这些路由节点移动时，手持终端MP3播放器能播放离它最近的路由节点的MP3音频文件，与设计相符合，验证了本设计的正确性。

5 结 语

本文以TI公司的CC2430射频为硬件平台，设计了基于ZigBee的无线电子导游系统。采用基于接收信号强度（RISS）的定位算法，景点路由节点采用了太阳能供电方案，有效解决传统基于无线射频识别（RFID）技术电子导游系统定位不准确的问题，有较好的实用价值与推广价值。目前，本套系统已向中华人民共和国国家知识产权局申请了实用新型专利，并获得专利证书。

参考文献

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