（电路与系统专业论文）基于无线通信技术的自助导游机和电子导游助理的设计与实现.pdf

硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 摘要 随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，以游客为主体的游客体验管理显 德尤为重要。将通信技术应用于旅游行业已经解决了旅游中存在的很多问题，但是 在游客体验管理方面，还有很多问题有待解决。如景点与游客之阅以及团队旅游中 导游与游客之间的多角度无线沟通等问题。解决这些问题的关键技术之一就是把无 线通信技术的最新发展成果应用到旅游行业。因此，将无线通信技术应用于自助导 游、游客管理，成为当前旅游行业研究的热点问题之一。 本文针对游客体验管理中存在的问题，采用无线通信技术，设计了两个应用系 统：自助导游机和电子导游助理。 自助导游机主要解决在嘈杂的环境中游客昕不清楚导游讲解的内容和游客能 自由选择路线和时间( 不受导游限制) 实时获得景点讲解信息的问题。系统由导游 机和信标两部分组成。信标被预先编号用于标示不同的景点，放置于需要进行导游 解说或说明的景点。导游机由游客携带，内部预存景点说明语音信息。信标不断无 线发送景点编号，当游客携带导游机进入信标覆盖的区域并接收到有效的信标编号 后，导游机把信标编号传递给其内部的m p 3 语音播放器，自动播放其对应的景点 讲解信息。 电子导游助理主要解决团队旅游中的游客安全管理问题。该系统由主机和分机 两部分组成。主机由导游携带，分机由游客携带。导游携带的主机定时向游客发送 自动点名、发车提醒等命令，通过接收分机( 游客) 反馈的信息，实时监控团队中 游客的状态信息( 该游客是否掉队) 。游客的状态信息在导游手持的p d a 上显示。 本文通过进行系统需求分析以及比较几种无线通信技术，确定了本文采用的无 线通信方案。射频收发芯片采用n o r d i c 公司的n r f 9 e 5 。基于n r f 9 e 5 本文设计并 实现了自助导游机和电子导游助理两个系统： ( 1 ) 自助导游机的设计：设计了基于n r f 9 e 5 的无线通信部分电路，实现了导 游机与信标的无线通信；设计了语音播放( m p 3 ) 控制电路，实现了语音播放能根 据接收到的信标编号实时更新；软件编程实现了导游机工作模式的选择以及对语音 播放的控制。导游机工作模式包括导游模式和m p 3 模式两种，导游模式指导游机 智能播放景点信息，m p 3 模式指游客手动控制语音播放内容。 ( 2 ) 电子导游助理的设计：设计了基于n r f 9 e 5 的无线通信部分电路，实现了 导游与游客的无线通信；利用蓝牙技术，实现了主机与p d a 的通信，并在p d a 上 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 编写了基于w i n d o w sc e 操作系统的主机对分机管理程序。 最后对两个系统样机进行测试，给出了系统功耗、通信距离的实测数据。其结 果表明，系统运行可靠、功耗低、各项指标符合设计要求。 关键词：无线通信；自助导游机：电子导游助理 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dt h ee n h a n c e m e n to fl i f eq u a l i t y , t r a v e l i n g e x p e r i e n c em a n a g e m e n tw h i c ht a k e st r a v e l e r sa si t sc e n t e ri sb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n t t h o u g hs o m ep r o b l e m si n t o u r i s mh a v eb e e ns o l v e db yu s i n gt h ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , s o m eo t h e r sa r es t i l ln o ts o | r e d , s u c ha sc o m m u n i c a t i b e t w e e nt r a v e l e r s a n ag u i d e s b e t w e e nt r a v e l e r sa n ds c e n i cs p o t sa n ds oo n a p p l y i n gt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e si n t ot o u r i s mi so n ew a yo ft h a to v e r c o m e st h o s ep r o b l e m s r e c e n ty e a r s , s e l f - h e l pg u i d ea n dt o u r i s mm a n a g e m e n th a v eb e e np r o p o s e da n dh a v e b e e nr e s e a r c h e d 惭d e l y a i m i n g a ts o l v i n gt r a v e l i n ge x p e r i e n c em a n a g e m e n lt h i st h e s i sd e s i g n st w os y s t e m s b yu s i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nl e c h n o l o g y ：t h es e l l - h e l pg u i d ea n dt h ee l e c t r o n i c g u i d e ra s s i s t a n t 确cs e l f - h e l pg u i d ec a l lh e l pt h et r a v e l e rt oc a t c ht h ea c c n i cs p o ti n f o r m a ：c i o ni n h e a v yn o i s ee n v i r o n m e n ta n dt os e l e c tl i m ea n ds c e n i cs p o tr o u t ef r e e l y ( n o tl i m i t e db y g u i d e ) 1 1 舱s y s t e mi sm a d eu po ft h eg u i d ea n dt h eb e a c o n t h eb e a c o ni sp u to nt h e 9 c e n i cs p o tw h e r ei tn e e d st ob ee x p l a i n e do ri l l u s t r a t e db yg u i d e r , a n di tt r a n s m i t st h e n u m b e ro ft h es c e n i cs p o tc o n t i n u a l l y n 峙g u i d ei sc a r d e db yi r a v e l e r s ，a n dt h e r ei s p h o n i ci n f o r m a t i o no fs c e n i cs p o ti nt h eg u i d e w h i c hi s s t o r e di na d v a n c e w h e n t r a v e l e r sw h ot a k eg u i d ei nt h ea r e ac o v e r e db yb e a c o n ，t h eg u i d ew i l lr e c e i v et h e n u m b e ro f t h eb e a c o na n dp a s so nt h en u m b e ro f t h es c e n i cs p o tt om p 3p l a y e rw h i c hi s i ng u i d e ，t h e nm p 3p l a y st h es c e n i cs p o ti n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l y 1 1 1 ee l e c t r o n i cg u i d e ra s s i s t a n tc a ns o l v et h ep r o b l e m so ft o u r i s ts a f em a n a g e m e n l n 坨s y s t e mi sm a d eu po f t h eh o s tm a c h i n ea n dt h ee x t e n s i o nm a c h i n e 1 1 h o s tm a c h i n e i sc a r r i e db yg u i d e ra n dt h ee x t e n s i o nm a c h i n ei sc a r r i e db yt r a v e l e r s t h eh o s tm a c h i n e c a ns e n do r d e r st ot r a v e l e r s ，s u c ha st oc h e c kt r a v e l e r sa u t o m a t i c l l yo rt ow a r nw a v e l e r s t ot a k eb u s a c c o r d i n gt ot h er e c e i v i n gi n f o r m a t i o nf e e d e db a c kb yt h ee x t e n s i o n m a c h i n e g u i d e rc a nm o n i t o rt h es t a t u si n f o r m a t i o no f t h et r a v e l e r s ( w h e t h e rt r a v e l e r sa r e d r o p p e do rn 0 0 i nr e a lt i m e , a n di tc a nb ed i s p l a y e di np d ac a r r i e db yg u i d e i nt h i st h e s i s w ed e s i g n e da n dr e a l i z e dt w os y s t e m s ：t h es e l f - h e l pg u i d ea n dt h e e l e c t r o n i cg u i d e ra s s i s t a n tb a s e do nt h en r f 9 e 5 ( 1 ) n l ed e s i g no f t h es e l f - h e l pg u i d e i nt h i st h e s i s , f i r s t t y , w ed e s i g nt h ec k c n i to f t h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np a r tb a s e do nt h en r f 9 e 5t or e a l i z ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h eg u i d ea n dt h eb e a c o n s e c o n d l y ，w ed e s i g nt h ec o n t r o l l i n gc i r c u i to fm p 3 p l a y e r 1 1 抡m p 3p l a y e rc a l lr e f r e s ha c c o r d i n gt ot h en u m b e ro ft h eb e a c o nw h i c h i s 1 i i r e c e i v e di nr e a lt i m e t h i r d l y , w er e a l i z et h a tt h et r a v e l e r sc 孤s e l e e r e dt h ew o r km o d eo f t h eg u i d e ra n dm p 3p l a y e rc o n t r o l l i n g 。t h e r ea r et w ow o r km o d e si nt h eg u i d e r o n ei s t h eg u i d e rm o d ei nw h i c ht h eg u i d e rc a np l a yt h es c e n i cs p o ti n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l y , a n dt h eo t h e ri st h em p 3m o d ei nw h i c ht r a v e l e r sc a l lc o n t r o lt h ep h o n i cp l a y e rm a n u a l l y ( 2 ) t h ed e s i g no f t h ee l e c t r o n i cg u i d e ra s s i s t a n t w 色d e s i g nt h ec i r c u i to ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o np a r tb a s e do i lt h en r f 9 e 5t or e a l i z ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e 慨t h e g u i d ea n dt r a v e l e r s t h e nw er e a l i z ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s tm a c h i n ea n dt h e p d ab yb l u e t o o t h b a s e do nt h ew i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e m w er e a l i z et h e m a n a g e m e n to f t h eh o s tm a c h i n et ot h ee x t e n s i o nm a c h i n e a tt h ee n do f t h i st h e s i s , w ea n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo f t h et w os y s t e m sa n dg i v et h e p r a c t i c a ld a t ao fp o w e rc o n s u m p t i o na n dt h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e t h ep r a c t i c a ld a t a s h o wt h a tt h ea b o v et w os y s t e m sh a v eg o o dr e l i a b i l i t i e s ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , a n da l l p a r a m e t e r sc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f t h es y s t e md e s i g n k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；s e l f - h e l pg u i d e ；e l e c t r o n i cg u i d e ra s s i s t a n t 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：囊是 日期：埘年6 月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：袁更 日期细降6 月5 日 导师签名：翮学叩 、 日期：碲6 月f 7 日 本人已经认真阅读“c a m s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回童途塞握銮蜃盗厦；旦圭生；旦= 生；堡垒生蕉查! 作者签名：友是 日期：，帕尹争石月5 日 导师签名：函易彳了导弼餐名：沙i 智1l b 翔：w 7 年6 旯l b 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 旅游目的地游客管理现状 游客管理是指旅游管理部门或机构运用科技、教育、经济、行政、法律等手段 组织和管理游客的行为过程【l j 。游客管理的目标是在不破坏旅游地资源环境质量的 前提下，最大限度地满足游客需求和提供高质量的游客体验，同时实现旅游地经济、 社会和环境三大系统的可持续发展i l 】。目前，国内外旅游目的地游客管理主要包括 以下几个方面：游客需求和偏好、游客行为管理、游客容量管理、游客安全管理、 游客体验管理、游客冲击管理【2 l 。本文主要针对游客体验管理来分析游客管理现状。 游客体验是指消费者对旅游过程的直接观察或参与，以及在此基础上形成的感 受。近年来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对旅游的质量提出 了更高的要求，而随着游客的增多，旅游目的地游客管理逐渐暴露出一些问题，如 团队旅游( 特别是在野外) 时，容易发生导游常常找不齐游客，部分游客也常常找不 到导游的现象，这样会影响旅游行程安排，延迟开车时间，有时还会发生游客走失 的情况；游客常常抱怨听不清导游的解说，影响了其对景点的理解，从而影响旅游 公司的声誉等。诸如此类的问题如果解决不好，势必会影响人们出游的热情，造成 游客人数下降，旅游业萧条等不良影响。 。 因此，增加游客满意度，加强以游客为中心的游客体验管理，已成为现阶段旅 谫管理者必须重视的问题。提高游客体验管理质量，可以从以下两方面进行考虑： 一方面是加强对前台人员培训，使其以真诚的态度对待游客，从而提高游客满意度； 加强对导游人员的培训，有计划、有组织地安排游客容量，并加以控制。但是这种 方法并不能从根本上解决目前旅游目的地游客管理中存在的问题，同时会导致旅游 工作人员无限扩张。另一方面是将先进科学技术应用于旅游目的地，设计些旅游 产品，这样既可以提高游客管理的效率与质量，节省人力物力；又可以真正提高游 客体验满意度，使游客在整个旅游过程中获得全身心的、愉悦的和难忘的旅游体验。 1 1 2 无线通信技术的发展 无线网络的初步应用，可以追溯到第二次世界大战期间，美国陆军采用无线电 信号作资料的传输。1 9 7 1 年，夏威夷大学投入运行的a l o h a n e t 首次将网络技术和 无线通信技术结合起来。夏威夷大学共有l o 个校区，分布在不同的岛屿，为了使 其它岛屿的计算机和用户终端能够共享主校区的大型计算机，需要构筑一个通信网 络把这些用户终端与计算机连入主校区的大型计算机上。为此校方租用了一条卫星 链路进行数据传输。a l o h a n e t 通过星型拓扑将中心计算机和远程工作站连接起来， 提供双向数据通信。远程工作站之间通过中心计算机相互通信。 2 0 世纪8 0 年代，美国和加拿大的业余无线电爱好者和无线电报务员们设计并 建立了终端节点控制器( t n c ) ，将各自的计算机通过无线发报设备连接起来。t n c 工作起来像电话m o d e m 一样，把计算机数字信号转换为无线电收发报机可以调制 并铯利用分组交换技术通过广播频道发送出去的信号b 1 。 1 9 9 7 年6 月，第一个无线局域网标准i e e e s 0 2 1 1 正试颁布实施。1 9 9 9 年9 月 8 0 2 1 1 b 技术标准正式发布，8 0 2 1 1 带来了网络建设的一场“革命”，为无线局域网 的物理层和m a c 层提供了统一的标准，为无线网络市场迅速发展奠定基础，1 9 9 6 年中国无线电管理委员会开放了2 4 - 2 4 8 3 5 g h z ( i e e e 标准1 的i s m 频段【4 j 。无线 局域网( w l a n , w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) 采用无线通信技术代替传统电缆网络， 以9 0 0 m h z 、2 4 g h z 和5 g h z 为主频率。 1 1 3 无线通信技术在旅游行业应用现状 信息技术的蓬勃发展与广泛应用对人类的社会生活和经济生活产生了根本性 的、普遍的影响，有人将这一历史进程比喻为发生了一场“信息技术革命”。信息技 术在社会经济各部门的应用在不同层次上促使原有的运作机制发生了改变，其最终 结果是效率的提高和效果的改善。由于信息技术的应用表现出普遍性的特点，没有 哪一个部门能够避免参与到这一“革命”性的进程中来，旅游业也不例外强1 。 信息时代旅游业发展已经出现了与传统旅游业不同的面貌和现象。例如航空公 司的订票系统和饭店的预订系统在旅游行业中的运用，这种将电子商务应用于旅游 行业的举措，已使得旅游业的服务与管理进一步快捷、规范，并取得了显著的成效。 但是目前旅游行业中旅游目的地游客管理方面仍存在一些问题，如景点与游客 之间、团队旅游中导游与游客之问的实时沟通问题等。 丽随着信息通信技术的不断发展，通信技术在旅游行业中的应用会具有极大的 潜力。其中无线通信技术相对有线通信技术而言，具有可移动性，能随时随地进行 通信，如能将无线通信技术的最新发展成果应用于旅游行业将是解决上述问题的主 要途径之一。 目前，将无线通信技术应用于旅游目的地游客管理的解决方案还不成熟，但是 无线通信技术有着极为广阔的应用前景。以下为目前无线通信技术应用于旅游目的 地游客体验管理的一些实现方案； 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 1 ) 为了解决游客在嘈杂的环境中听不清楚人工导游讲解的问题，人们研制了 人工讲解功能的导游系统。系统由主机和游客机组成，导游通过话筒，由主机将语 音信号发送出去；游客机具有语音接收功能，游客通过耳机可听到清晰舒适的语音 信号。 ( 2 ) 随着自助游的出现，人们研制了红外感应式自助导游机。当游客携带导游 机靠近某一景点时，导游机自动播放该景点的信息。和传统人工导游比起来，游客 可以根据自己喜好选择游玩路线，具有极大的自主性。 可见，将无线通信技术应用于旅游目的地游客体验管理，可以极大地增强游客 满意度。同时，由于在我国旅游目的地游客管理主要是从游客活动客体( 即旅游资 源与环境) 的角度来考虑，很少从旅游活动主体( 即游客) ，特别是游客体验管理 的角度来考虑，所以旅游目的地游客体验管理近年来才受到重视，因此将无线通信 技术应用于游客体验管理的研究并不多。目前，如何将通信技术，尤其是无线通信 技术更好地应用到游客目的地游客体验管理中，成为当前旅游行业研究的热点问题 之一。 1 2 本文课题的提出 本文提出了两种将无线通信技术应用于旅游目的地游客体验管理的方案。 1 、方案一 传统的团队旅游采用人工导游的方式，导游带着扩音器对景点进行解说，当同 一景点范围内出现多个不同的团队时会有不同的导游同时解说，这样，在嘈杂的环 境中，游客无法听清所在团队导游的讲解。为了解决这个问题，人们研制出了人工 讲解功能的导游系统。 但这仍属于人工导游方式，人工导游方式对游客的行动有很大的局限。目前， 出现了新型的旅游方式一自助游，即游客自己携带自助导游机，自由选择路线进 行参观。游客可以在任何时候停留在不同的展台前，重复地收听该景点的相关信息。 同时，自助导游机替代原有的高音喇叭，大大降低了景点的嘈杂声，营造出优良的 旅游环境。 目前国内自助导游机主要有按键式、红外感应式、g p s 全球定位式、无线射频 感应式等。按键式自助导游机采用游客自己按键选择的方式，无需网络、无线发射 支持即可独立工作。红外感应式自动导游机采用红外进行自动感应，带有红外感应 自助导游机的游客进入景点，导游机自动感应并播放与该景点编号对应的景点信 息。g p s 全球定位自助导游机是采用全球卫星定位系统g p s 定位技术的新型智能导 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 游系统。这类导游机无须在地面建设无线发射基站，减小了施工难度，避免了各种 无线电干扰。无线射频自助导游机则是通过无线射频进行自动感应，带有无线射频 自助导游机的游客进入景点，导游机自动感应并播放与该景点编号对应的景点信 息。 比较以上几类导游机，按键式自助导游机使用比较麻烦；红外感应式自助导游 机具有很强的方向性，且抗干扰性较差：g p s 全球定位自助导游机在遮挡比较严重 的区域，其定位精度下降甚至失效，需要在使用前期进行实地勘察，也比较麻烦； 而无线射频自助导游机不受方向等因素的限制，自动感应信号，并且操作简单，具 有明显的优势。但是，受技术因素影响，目前国内生产这种自助导游机的厂家比较 少。 综合以上因素，本文提出了一种具有无线自动讲解功能的自助导游机的实现方 案。自助导游机采用无线射频感应的方式，将无线传输与数字控制相结合，实现语 音播放，并使语音播放内容能根据接收到的景点编号实时更新；同时，自助导游机 还可以由游客自主选择功能，重播或预昕相关的景点信息；可由游客自主选择播放 语言，满足国内外游客的需求，这都有利于提高游客对景点的认知和理解。 2 、方案二 自助导游机取代人工导游是一个必然的趋势。但就目前我国实际情况面言，国 内虽然有几家公司在生产自助导游机，但自助导游机仍处于起步阶段，且其开发成 本较高，所以国内旅游市场上只有少数旅游景点配备了自助导游设备，并且这些设 备应用水平低，功能单一，远远不能满足游客的需求和旅游信息化产业的发展。在 国内，大部分旅游景点还是处于人工服务阶段。 而人工导游带队团队旅游时( 特别是在野外旅游) ，容易发生导游常常找不齐游 客，而个别游客也常常找不到导游的现象。这样会影响整个团队旅游行程的安排， 有时还会出现游客走失的情况，引发一些不安全的因素；同时，由于导游寻找掉队 游客延误时间，也会降低其他游客的满意度。因此，如何良好的实施游客安全管理， 提高游客满意度，成了目前亟需解决的问题。 本文针对这类问题，提出了电子导游助理的实现方案，将无线通信技术应用到 人工导游中，导游和游客之间通过电子导游助理通信，导游定时向游客发送自动点 名、发车提醒等命令，同时接收分机( 游客) 反馈的信息，实时监控团队中游客的 状态( 该游客是否掉队) 并显示在手持p d a 上。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文提出了两种将无线通信应用于自助导游、游客管理中的应用系统，一种为 自助导游机，一种为电子导游助理。这两个系统均采用无线通信技术，但它们应用 场合以及实现的功能有所不同。 自助导游机主要应用于景点相对距离比较近的旅游景区，例如：主题公园、游 乐场、自然风景区、历史名胜古迹、博物馆、大型的会展场合等。电子导游助理主 要应用于景点相对距离比较远的旅游景区，例如大型自然风景区。自助导游机主要 解决旅游景区环境嘈杂，游客听不清楚导游辑说和人工导游带队时游客游览路线和 时间受限制的问题；电子导游助理则是解决团队旅游中的游客安全管理问题。 本文设计并完成了自助导游机和电子导游助理这两个系统，论文结构安排如 下： 第一章：结合当前旅游目的地游客体验管理中存在的问题，分析了本文设计自 助导游机和电子导游助理的必要性。 第二章：首先分析了自助导游机的系统设计目标，在比较几种常用的无线通信 技术及分析其适用场合的基础上，确定设计中采用的无线通信方案。在射频芯片方 面，根据系统体积、功耗等需求进行选择。并对文中选择的射频芯片n r f 9 e 5 进行 了总体概述。 第三章、第四章：分别为自助导游机的硬件设计和软件设计系统硬件设计包 括导游机、信标和天线设计三部分，文中给出了部分接口电路框图及电路原理图， 对p c b 设计进行了深入研究。系统软件设计中，在分析n r f 9 e 5 无线收发子系统和 m p 3 模块数据格式的基础上，编程实现了导游机能根据接收到的信标编号自动更新 播教内容，实现了导游机工作模式静选择以及对语音撂放的控铋。 第五章：电子导游助理系统的设计。首先分析了电子导游助理的系统设计目标，并 确定本设计采用的无线通信方案；其次详细介绍了电子导游助理的系统设计，包括 硬件设计和软件设计两部分组成。系统硬件设计包括主机和分机两部分，文中给出 了部分接口电路框图及电路原理图。软件设计包括下位机程序设计和上位机程序设 计两部分。下位机程序分为主机程序与分机程序，用以实现主机和分机、主机无线 收发模块与蓝牙模块之间的通信以及主机、分机对其l e d 、按键以及蜂鸣器的控制。 上位机程序为p d a 应用程序，用以接l 殳蓝牙数据并在屏幕上显示。 第六章：对样机进行功耗、通信距离等测试，并对测试结果进行分析。 第七章：总结了本文主要完成的研究性工作，对更进一步的研究进行了展望。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章自助导游机通信方案选择及芯片选型 2 1 自助导游机系统方案及需求分析 2 1 1 系统设计方案 自助导游杌总体设计见图2 1 。系统由两部分组成：( 1 ) 信标。信标被预先编 号，放置于需要进行导游解说或说明的景点。信标持续发送其编号。( 2 ) 导游机。 导游机由游客携带，内部预存景点说明语音信息。导游机有两种工作模式；导游模 式和m p 3 模式，通过导游机上的功能选择键可以在两种模式之问切换。工作于导 游模式时，游客携带导游机进入信标覆盖的区域并接收到有效的信标编号后，自动 播放导游机内预存的信标编号对应的景点的讲解内容。工作于m p 3 模式时，导游 机不接收射频信号，游客通过语言选择、上一醢、下一曲等功能键，自主选择播放 的语言以及景点讲解内容。 图2 1 自助导游机总体设计 2 1 2 系统需求分析 根据系统设计方案，系统设计目标如下： l 、信标设计目标 ( 1 ) 能与导游机进行无线通信。 ( 2 ) 各景区景点间距离不定，要求信标发射功率可调。 ( 3 ) 无线通信覆盖面广。 ( 4 ) 信标持续发送数据，且由电池供电，要求信标功耗尽可能低。 2 、导游机设计目标 ( 1 ) 能与信标进行无线通信。 6 硕士学位论文 m a s t e r st i e s i s ( 2 ) 系统主要应用于景点相对距离较近的旅游景区，且多为室内，若通信距 离过远，则容易出现重叠区域( 导游机能够同时收到多个信标发送的信号) ，不利 于景区的管理。因此，通信距离满足室内最近可达3 - - 4 m ，室外1 0 0 m 以内。 ( 3 ) 导游机能控制内部m p 3 播放器，使m p 3 播放器能根据感应的信标编号自 动播放景点讲解内容，同时，导游杌内部m p 3 播放器支持多语言，可由游客自主 选择播放语言和播放内容。 2 2 无线通信方案选择 自助导游机需要进行无线通信，其通信距离在1 0 0 米范围内。在这个需求下的 无线传输主要有红外无线通信技术、蓝牙技术、i e 髓8 0 2 1l b 、z i g b e e 、r f 无线射 频收发一体芯片技术等。 ( 1 ) 红外无线通信技术1 6 j 红外无线通信是采用红外线作为通信载体的一种通信方式，一般采用波长为 $ 5 0 n m 的红外线，具有a s k 、q p s k 、p p m 等多种调制方式，其最高传输速率可达 1 6 m b p s ，非常适合于传输容量较大的数据，而且红外通信方式是电波法规之外的传 输方式，在通信速率和调制方式方面有充分的空间。 红外通信一般采用点对点的方式进行数据传输，其发射角度不超过3 0 度，通 信距离仅仅为l 3 m ，为视距传输。红外线的波长和可见光的波长很接近，因此它 不能穿透不透明的障碍物。这使得红外通信范围被局限在同一个房间内，如果在多 个房问之间进行通信，就得通过有线方式增加红外接入点，这样增加了系统复杂性。 另外，红外线易受到环境噪声的影响，如太阳光，电灯等。 ( 2 ) 蓝牙技术1 7 , t 9 1 蓝牙技术是一种短距离、低成本的无线接入技术，主要应用于近距离的语言和 数据传输业务。蓝牙设备的工作频段选用全世界通用的2 4 g h zi s m 频段，用户无需 申请频点。为了增强抗干扰性，蓝牙采用跳频技术。根据其发射功率的不同，蓝牙 设备之间的有效通讯距离约为1 0 - q 0 0 m 。蓝牙设备组网灵活，基于t d m a 原理组网， 可提供点对点和点对多点的无线连接，蓝牙技术安全除采用跳频扩展技术和低发射 功率等常规安全技术外还采用三级安全模式进行管理控制。随着近年来个人通信的 发展，蓝牙技术广泛应用于手机、耳机、笔记本电脑、p d a 等个人电子消费品中。 ( 3 ) i e e e8 0 2 1 i b ( w i 墒) l l o ，1 1 , 1 2 l i e e e8 0 2 1 l b 技术标准是无线局域网标准，使用2 4 g h zi s m 频段，采用直接序 列扩频d s s s 技术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传输速度。8 0 2 1 i b 无线 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上a p ( a c c e s sp o i n t ) ，就可以提 供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，象使用 有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。8 0 2 11 b 建网速度快，传输速率l1 m b i t s ， 可用来组建大型无线网络，目前此种设备还比较昂贵。 ( 4 ) z i g b e e ( i e e e 8 0 2 1 5 4 ) f 6 1 0 】 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低功率、低速率无线接入技术。工作在2 4 g h z i s m 频段，速率为2 5 0 k 1 0 m b s ，传输距离为1 0 - 7 5 m ，技术和蓝牙接近。但大多 时候处于睡眠模式，适合于不需实时传输或连续更新的场合。z i g b e e 是i e e e 8 0 2 1 5 4 的扩展集。物理层标准采用三个频段：北美2 4 g h z 、9 1 5 m h z 和欧洲 8 6 8 m h z 。z i 叠b 激活时延仅1 5 m s ，功耗低。 ( 5 ) r f 无线射频收发一体芯片技术m 它一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专 用或通用无线通信模块，一般射频芯片采用f s k 调制方式，通信模块包含简单透明 的数据传输协议并使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制进行 深入了解，只要依据命令字进行操作即可方便地实现基本的数据无线传输功能，因 其功率小，开发简单快速而应用广泛，但数据传输速率、流量较小，较适合搭建小 型网络，在工业，民用领域应用较为广泛。 比较以上几种无线通信方式，红外技术开发简单，成本很低，但其通信距离小 于l o 米，且具有方向性，难以满足系统所需的短距离但辐射面广的需求。蓝牙技术、 i e e e8 0 2 11 b 、g i g s e e 这三种方式传输速率大，且具有标准的通信协议，在未来的 短距离无线通信技术中，具有广阔的市场前景，但是他们都有其特定的应用场合， 且成本高，设计要求高，难以适合旅游景点开发的需求。r f 无线射频收发一体芯片 技术具有成本低、外围电路简单、体积小、通信可靠性高、抗干扰能力强、传输速 率快等诸多优点，同时，收发一体射频芯片普遍采用了标准的数字通讯接口，可以 方便与d s p 或单片机等数字信号处理芯片结合使用。因此本设计中，采用r f 射频无 线收发一体芯片技术实现景点与信标之间的无线连接。 2 3 射频芯片比较 随着射频技术和微电子技术不断发展，r f 无线收发一体射频芯片技术市场越来 越大，诸多公司开发出了各自的i 强无线收发一体射频收发芯片，以适应射频通信领 域的各种不同需要。目前主要有n o r d i c 公司的l l i 心9 e 5 1 1 3 1 、n r f 4 0 1 1 1 4 1 ，c h i p c o n ( 公 的c c l 0 1 0 i l s 等主流芯片。下面就这几种芯片的关键技术指标进行比较。 8 n r f 9 e 5 i 作于4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h zi s m 频段，接收灵敏度为1 0 0 d b m ，发射功率为 - 2 0 d b i l p l o d b m 范围内可调，内嵌8 0 5 1 控制器，工作电压为1 9 3 6 v ，数据传输时 提供s h o c k b r s t t m 模式，速率可达1 0 0 k b s 。芯片可提供接收数据地址匹配检测和 c r c 校验和添加引导码功能；芯片供电电流低，发射时典型值仅9 m a ( 1 0 d b m 输出 功率) ，接收时典型值为1 2 ：5 m a ；芯片采用q f n 3 2 封装。 n r f 4 0 i 工作于4 3 3 m h zi s m 频段，采用f s k 调制解调技术。其工作电压为 2 7 5 v ，最高通信速率可达2 0 k b s ，发射功率可调整，最大为1 0 d b m ，接收灵敏度 可达1 0 5 d b m 。芯片采用s s o c - 2 0 封装。 c c l 0 1 0 工作于3 1 5 4 3 3 8 6 8 和9 1 5 m h zi s m 频段，接收灵敏度可达1 0 7 d b m ，最 大发射功率为i o d b m ，通信速率为7 6 ，8 k b s 。芯片内嵌9 0 5 1 单片机且带有3 2 kf l a s h 存储器以及两块r a m ，一块1 2 8 字节可直接寻址r a m 和一块只能用外部寻址指令寻 址的2 k 字节r a l 讧。其工作电压为2 7 - - 3 6 v ，功耗非常低( 接收数据时工作电流只 有9 m a ) 。芯片采用t q f p - 6 4 封装。 从以下几个方面考虑芯片选型： ( 1 ) 发射距离和发射功率。从应用场合上考虑，信标要求能够调整通信距离， 因此选择的芯片最好是发送功率可调节。 ( 2 ) 功耗。信标和导游机均采用电池供电，为了减少电池更换次数，选择的射 频芯片功耗要低。 ( 3 ) 收发芯片的封装和管脚数。自助导游机为便携设备，因此选择的射频芯片 体积要小 ( 4 ) 成本。 从上述几款芯片来看，n r f 4 0 1 没有内置微处理器，其构成无线射频收发装置需 外扩m c u ，这将增加系统的复杂度和体积，降低系统的可靠性。c c l 0 1 0 虽然在射 频性能上与r l r f 9 e 5 很接近，且其数据存储空间还大于n r f 9 e 5 ，但其价格较高，引 脚多，体积较大。n r f 9 e 5 是一款嵌入了高性能单片机内核的高速、小体积、低功耗、 外围元器件少的低成本单片射频收发一体芯片，无需复杂的通信协议即可实现同种 产品之问的自由通信，并且它采用1 9 - 3 6 v 供电，可方便应用电池供电。较好地满 足了系统需求的性能要求。因此本设计采用n r f 9 e 5 作为射频收发芯片。 2 4 射频芯片n r f 9 e 5 的介绍1 1 砷 n r f 9 e 5 系统框图见图2 2 。 9 硕士擘位论文 m a s t e r s t h e s i $ 图2 2n r f 9 e 5 系统框图 l 、微控制器 n r f 9 e 5 的片内微控制器与标准8 0 5 1 兼容，指令时序与标准8 0 5 1 稍有区别。中 断控制器支持5 个扩展中断源；a d c 中断、s h 中断、r a d 0 1 中断、r a d 0 2 中断和唤 醒定时器中断。片内控制器还有3 个定时器，1 个u a r t ，此外，还扩展了2 个数据指 针，以方便于扶) 泳a m 区读取数据。 ( 1 ) 存储器结构 微处理器中有2 5 6 字节的数据r a m ( 与8 0 5 2 一致，高半部分只能通过寄存器间 接寻址) 和5 1 2 字节的r o m ，r o m 中为引导程序，上电复位后，处理器自动执行r o m 引导区中的代码。将用户程序从既弹r o m 加载到内部4 k br a m 中，这个4 k b 的r a m 也可用作存储数据用。 ( 2 ) 导入e e p r 0 ，f l a s h n r f 9 e 5 的程序代码必须从片外存储器装载，默