基于ZigBee的自助导游系统基站设计

I基于 ZigBee 的自助导游系统基站设计摘要我国旅游业发展规划将积极推动旅游业向产业化、市场化、国际化和现代化方向发展，以满足多样化的旅游业的需求。但目前我国旅游业市场上的导游产品及服务并未完全满足这一需求。随着无线网络的飞速发展，ZigBee 技术正显露出可作为中、短距离通信的一种重要的无线传感器网络解决方案，ZigBee 是一种新兴的小范围、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。通过 IEEE 802.15.4 协议设计的基于 ZigBee的自助导游系统，相对于传统人工导游来讲，该类系统是指旅游景区或城市的有关信息的静态文字显示设备，也包括那些具有动态显示效果的便携语音导游机。该系统分为手持端和基站，当游客进入基站传输范围后，手持端便会显示景区的景点信息以及游客所在地，同时可根据需要提供天气、景点客流量、附近景点实时情况等信息。自助导游系统不但可以节省人力资源，并使得游客对旅游景点的选择更具自主性，而且还具有定位功能。另外，该系统在一定程度可以起到统计客流量和疏导游客的作用。关键字：ZigBee；MSP430；自助导游；手持端；基站IIDesign of Base Station of the Self-Service Tourism System Based on ZigBeeAbstractIn order to meet the demands of diversified tourism, tourism development plan will actively promote tourism develops towards industrialization, marketization, internationalization and modernization in our country. But on the market of tourism,our guides products and services does not fully meet this requirement.With the development of wireless networks,ZigBee technology is showing as an important solutions for wireless sensor networks of medium and short distance communication, ZigBee is a small range,low power,low data rate,low cost and low complexity of rising wireless networking technology.Through the IEEE 802.15.4 protocol design aself-service tourism system based on ZigBee system,as opposed to traditional manual guide, this system is a static text display equipment with informationabout the scenic spotsor the cities, including those portable voice guide equipment with a dynamic display quality.This system is composed of the handheld terminal and the base station, as visitors enter the transmission range of the base station, the handheld terminal will display the information about scenic spots and tourists location,meanwhile the information about weather, passenger flow and time case of nearby attractions can be displayed if needed that.The self-service tourism system not only can savesthe manpower resourcesand makes the tourists choice of the attractions more autonomously, but the positioning function also. In addition, this system can play a role to statistics and dredgesthe passenger flow to some extent.Keywords: ZigBee; MSP430; Self-service Tourism; TheHandheld Terminal; The Base StationIII目录1 绪论 .21.1 课题的背景及意义 .21.2 国内外研究现状及生产需求状况 .21.3 ZigBee 简介 .21.3.1 ZigBee 的定义及发展概述 .21.3.2 ZigBee 的特点 .21.3.3 ZigBee 技术的应用领域 .22 系统设计方案论证 .22.1 系统设计简介 .22.1.1 设计思路 .22.1.2 设计内容 .22.2 设计方案的比较与选择 .22.2.1 处理器的比较与选择 .22.2.2 MSP430 开发环境的比较与选择 .22.2.3 ZigBee 芯片的选择 .23 系统设计 .23.1 硬件设计 .23.1.1 硬件设计内容介绍 .23.1.2 硬件设计电路介绍 .23.2 软件设计 .23.2.1 开发环境 .23.2.2 主流程图 .24 基于 ZigBee 的自助导游系统基站的调试及仿真 .24.1 ZigBee 芯片的硬件修改 .24.2 LaunchPad 与 PC 机通信调试 .24.2 LaunchPad 与 ZigBee 模块的无线通信调试 .25 总结与展望 .25.1 总结 .25.2 展望 .26 参考文献 .27 致谢 .2附录 重新焊接后的 ZigBee 模块 .2IV附录 II 基站程序 .211 绪论1.1 课题的背景及意义随着现代无线网络和移动通信技术的蓬勃发展，无线引导和定位服务的需求与日俱增。无线定位服务是指通过无线网络和无线终端的配合，确定移动用户的实际位置信息及引导用户到达制定的位置，从而向用户提供其所需的位置信息或相关服务。无线定位服务的发展始于美国。1996 年，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)制定了 E-911 法规，要求所有移动通信运营商，在移动用户发出紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供用户的终端号码和位置信息，以便对用户实施紧急救援工作；还要求分阶段实施定位精度以不断提高用户的定位服务。此后，日本、德国、法国、瑞典等国家纷纷推出各种商用定位服务。现如今，实用的定位系统多半基于GPS (Global Positioning System)技术，因而导致应用成本较高。因而使得低成本、高可靠性的新型定位系统的研究开发变得非常紧迫。另一方面，我国地大物博，旅游资源丰富。据世贸组织不完全统计，2005 年上半年我国的国际游客流量已达到 4100 万人，预计到 2020 年，我国将成为世界最具吸引力的旅游目的地国家之一。然而，越来越多游客的涌入以及导游人员的缺乏，都给旅游行业带来了压力，就我国外语导游人员数量而言，很难满足外国游客需求，于是语言的障碍使得外国游客游览下来往往所知甚少，旅游满意度低。ZigBee 技术作为一种新兴的低成本、低功耗、低速率的短距离无线通信技术，它的独特技术特点使得其成为 WSN 中的理想通信技术选择。而通过 IEEE 802.15.4 协议设计的基于 ZigBee 的自助导游系统，相对于传统人工导游来讲，该类系统是指旅游景区或城市的有关信息的静态文字显示设备，也包括那些具有动态显示效果的便携语音导游机。自助导游系统系统分为手持端和基站，它可根据需要提供天气、景点客流量、附近景点实时情况等信息。该系统不但可以节省人力资源，并使得游客对旅游景点的选择更具自主性，而且还具有定位功能。另外，该系统在一定程度可以起到统计和疏导客流量的作用。本文试图利用 ZigBee 技术来设计并实现一种低成本、低功耗和低复杂度的自助导游系统。1.2 国内外研究现状及生产需求状况我国旅游资源丰富，随着我国旅游业的蓬勃兴起及快速发展，我国将成为世界最具吸引力的旅游目的地国家之一。越来越多游客的涌入以及导游人员的缺乏，都给旅游行业带来了压力。相对于随团旅游路线少、时间紧、购物多等不足，更多的游客选择自助游。但由于游客对景区景点不熟悉，经常会出现迷失方向，景点玩不全、不了解景点的人文背景等问题。不仅如此，在类似博物馆等展馆内，人工导游的高音喇叭很可能会影响到他人游览。上世纪 80 年代，西方的一些发达国家在某些景点内已经使用了非导游讲解器（游客2在景点入口处领取讲解器和说明书，游览完后归还） ，这就是电子导游系统的雏形。现在，在美国、加拿大、英国等一些发达国家，电子导游已经被旅游者广泛认可。非导游讲解器可以减少高声喇叭等造成的噪音污染，同时提供标准化的语音服务。电子导游机在欧美等发达国家的旅游景点普遍使用，当游客进入任一景点时，游客不用导游就可以通过手中的导游机自主点播相应的解说。这种先进的电子导游系统类似普通的掌上电脑，当游客经过相关景点时，该系统就会播放一段该景点的语音介绍，告诉游客相关的历史和故事。另外，该电子导游系统还可以告诉你如何行车到达目的地，前方有什么景点、餐馆或酒店。这种系统现已深受广大游客朋友们的欢迎。近几年随着旅游业发展迅速，入境游客也不断增加，但是就我国外语导游人员数量来看，很难满足外国游客需求，从而使其旅游满意度低。因此电子导游产品对我们来说越来越有必要，例如在 2007 年 10 月在北海公园投入新型“多媒体导游机”的使用。当中外游客使用多媒体导游机时，只要在公园中的任意一个景点的刷卡点刷一下，导游机就自动用游客预先选择的语种，播放出解说该景点音频和视频图像。这样不仅有利于我国文化的传播，而且能对景区起到很好的宣传作用，最重要的是外国游客终于明白自己游览的到底是什么。但是，真正意义上的电子导游系统应该实现智能化，而国内的智能化电子导游还未普及，很多景点的电子导游系统仍停留在手触式讲解器上，只有在少数的景区内才提供，而且产品的性能还有待改善。1.3 ZigBee 简介1.3.1 ZigBee 的定义及发展概述ZigBee 是一种标准，该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所需要的一系列通信协议。而基于 ZigBee 的无线网络所使用的工作频段分别为 868MHz、915MHz 和2.4GHz，最大数据传输速率为 250kbps。近十年来，随着半导体技术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了多种新的短距离无线通信技术。为了满足对低功率、低价格无线网络的需求，2000 年 12 月，IEEE 标准委员会正式批准成立了 802.15.4 工作组，其目标是：在廉价的、便携的、移动的装置中，提出一个具有超低复杂度、超低价格、超低功耗、超低数据传输率的无线接入标准。2002 年，英国 Invensys 公司、日本三菱电气公司、荷兰飞利浦公司以及美国摩托罗拉等公司共同宣布组成 ZigBee 技术联盟，共同研究开发 ZigBee 技术。2003 年 11 月，IEEE 正式发布了该项技术的物理层和 MAC 层所采用的标准协议，并作为 ZigBee 技术物理层和媒体接入层的标准协议。2004 年 12 月，ZigBee 联盟在 IEEE802.15.4 协议基础上，正式发布了完整的 ZigBee标准。2006 年 IEEE 发布了 IEEE802.15.4 协议标准修订版31.3.2 ZigBee 的特点本次设计选用 ZigBee 技术进行自助导游系统的组建，是基于该技术所具有的诸多性能优势。总体而言，可总结如下：（1）数据传输速率低ZigBee 技术的最大传输速率为 250kbps，可专用于低速率传输通道的应用。（2）数据传输可靠性高ZigBee 联盟在制定 ZigBee 规范时已经考虑到这种无线数据传输过程中的内在的不确定性，并采取了一些措施来提高数据传输的可靠性。（3）数据传输安全性高为保证数据传输的安全性，ZigBee 技术采用 AES-128 加密技术。（4）“三低”ZigBee 技术具有低成本、低功耗和低复杂度的特点。该协议免专利费，可有效降低成本；该技术采用了多种节电的工作模式；该设备的复杂度低且网络易搭建。（5）网络容量大ZigBee 网络最多可支持 65000 个节点，适用于各种规模的无线传感器网络。通过 ZigBee、蓝牙和 IEEE802.11b 标准之间的对比（如表 1-1 所示）以及对各种无线数据传输协议进行对比（如图 1-2 所示）我们可以很容易的看出 ZigBee 在各方面的优劣。表 1-1 ZigBee、蓝牙及 IEEE802.11b 标准对比项目 数据速率 数据传输距离/m 典型应用领域ZigBee 20250kbps 10100 无线传感器网络蓝牙 13Mbps 210无线手持设备、无线鼠标IEEE802.11b 111Mbps 30100 无线 Internet 接入4图 1-2 各种无线数据传输协议对比图51.3.3 ZigBee 技术的应用领域ZigBee 技术是基于小型无线网络而开发的通信协议标准，尤其是伴随 ZigBee2007 协议的逐渐成熟，ZigBee 技术在智能家居和商业楼宇自动化方面有较大的应用前景。ZigBee 技术的出现弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，总体而言，在一下应用场合可以考虑采用 ZigBee 技术：需要进行数据采集和控制的节点较多；应用对数据传输速率和成本要求不高；设备需要电池供电几个月的时间，且设备体积较小；野外布置网络节点，进行简单的数据传输。62 系统设计方案论证2.1 系统设计简介2.1.1 设计思路基于 ZigBee 的自助导游系统可以缓和目前旅游景点客流量过大及导游过少的矛盾。它不但可以节省人力资源，并使得游客对要旅游的景点的选择更具有自主性，而且还具有定位功能。另外，该系统在一定程度可以起到疏导客流量的作用。（1）根据系统的功能需求规划该系统的总体设计方案并确定所需元器件的型号以及功能模块的种类；（2）确定各功能模块的开发方案以及与外围辅助电路的搭建方案；（3）对系