乐山旅游景区信息化解决方案

摘要：基于ZigBee网络构建了一种智能旅游系统，通过该方法构建的智能网络系统能够方便地与外部设备进行连接，并提供SMT与DIP接口，同时可直接连接TTL接口设备，从而实现数据透明传输功能。该系统采用低功耗设计，最低功耗小于1 mA，能应用于旅游景区的安全管理、客流量控制、票务管理和智能导游系统中。
关键字：ZigBee；智能旅游：CC2530；无线网络

0 引言
    ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议，底层是采用IEEE802．15．4标准规范的媒体存取层与实体层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee协定层从下到上分别为实体层(PHY)、媒体存取层(MAC)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。网络装置的角色可分为ZigBee Coordinator、ZigBee Router、ZigBee End Device等三种。
    ZigBee模块是一种物联网无线数据终端，可利用ZigBee网络为用户提供无线数据传输功能。组建一个完整的ZigBee网状网络通常包括网络初始化和节点加入网络等两个步骤，其中节点加入网络又包括两个步骤：一是通过与协调器连接入网；二是通过已有父节点入网。

1 ZigBee网络初始化
    ZigBee网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个ZigBee节点要组建一个网络，必须要满足两点要求：第一是节点是FFD节点，并具备ZigBee协调器的能力；第二是节点还没有与其他网络连接，也就是说，当节点已经与其他网络连接时，此节点只能作为该网络的子节点，因为一个ZigBee网络中有且只有一个网络协调器。图1所示是一个ZigBee网络的组织结构图。

    ZigBee网络初始化的流程如下：
    (1)确定网络协调器。首先判断节点是否是FFD节点，接着判断此FFD节点是否在其他网络里或者网络里是否已经存在协调器，然后通过主动扫描发送一个信标请求命令(Beaconrequest command)，设置一个扫描期限(T_scan_duration)。如果在扫描期限内没有检测到信标，那么就认为FFD在其pos内没有协调器，此时就可以建立自己的ZigBee网络，并且作为这个网络的协调器不断地产生信标并广播出去。
    (2)进行信道扫描过程。主要包括能量扫描和主动扫描两个过程：在能量扫描过程，首先对指定的信道或者默认的信道进行能量检测，以避免可能的干扰，然后以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序，抛弃那些能量值超出可允许能量水平的信道，选择可允许能量水平的信道并标注这些信道是可用信道；接着进行主动扫描，搜索节点通信半径内的网络信息，这些信息会以信标帧的形式在网络中广播，节点通过主动信道扫描方式获得这些信标帧，然后根据这些信息找到一个最好的、相对安静的信道，再通过记录的结果选择一个信道，该信道应存在最少的ZigBee网络，最好是没有ZigBee设备。在主动扫描期间，mac层将丢弃phy层数据服务接收到的除信标以外的所有帧。
    (3)设置网络ID。找到合适的信道后，协调器将为网络选定一个网络标识符(PAN ID，取值<=0x3FFF)。这个ID在所使用的信道中必须是唯一的，也不能和其他ZigBee网络产生冲突，而且不能是广播地址oxFFFF(此地址为保留地址，不能使用)。PAN ID可以通过侦听其他网络的ID然后选择一个不会冲突的ID的方式来获取，也可以人为指定扫描的信道后来确定不和其他网络冲突的PAN ID。


2 数据收发的流程及步骤
2．1 查找网络协调器
    首先应主动扫描查找周围网络的协调器，如果在扫描期限内检测到信标，那么将获得协调器的有关信息，这时就可向协调器发出连接请求。在选择合适的网络之后，上层将请求mac层对物理层和mac层的phyCurrentChannel、macPANID等PIB属性进行相应的设置。如果没有检测到，则在间隔一段时间后，由节点重新发起扫描。
2．2 发送关联请求命令(Associate request command)
    节点将关联请求命令发送给协调器后，协调器将立即回复一个确认帧(ACK)，同时向它的上层发送连接指示原语，以表示已经收到节点的连接请求。但是，这并不意味着已经建立了连接，而只表示协调器已经收到节点的连接请求。当协调器的mac层的上层接收到连接指示原语后，将根据自己的资源情况(存储空间和能量)决定是否同意此节点的加入请求，然后再给节点的mac层发送响应。
2．3 等待协调器处理
    当节点收到协调器加入请求命令的ACK后，节点mac将等待一段时间，接收协调器的连接响应。在预定的时间内，如果接收到连接响应，便将这个响应向它的上层通告。而协调器给节点的mac层发送响应时会设置一个等待响应时间(T_ResponseWaitTime)，以等待协调器对其加入请求命令的处理。若协调器的资源足够，协调器会给节点分配一个16位的短地址，并产生包含新地址和连接成功状态的连接响应命令，至此，此节点将成功地和协调器建立连接并可以开始通信。若协调器资源不够，则待加入的节点将重新发送请求信息，直至入网成功。
2．4 发送数据请求命令
    如果协调器在响应时间内同意节点加入，那么将产生关联响应命令(Associate response command)并存储这个命令。当响应时间过后，节点发送数据请求命令(Data request command)给协调器，协调器收到后立即回复ACK，然后将存储的关联响应命令发给节点。如果在响应时间到后，协调器还没有决定是否同意节点加入，那么，节点将试图从协调器的信标帧中提取关联响应命令，成功的话，就可以成功入网，否则重新发送请求信息直到入网成功。

3 旅游景区信息化系统的应用
3．1 游客流量的管理
    旅游景区的客流量控制包括区内游客总量的控制和景区内各个景点的客流量控制。区内游客总量的控制直接通过电子门票技术就可以轻松获取当前景区内的游客总数量，以便在超过景区最大承载量时可以采取停止售票、放缓售票等方式进行相应控制；而对于景区内各个景点的客流量控制，则可以根据景区内各个景点的分布情况，将景区划分为相对独立的小区域，在小区域内一些关键的位置点设置RFID读写器，并配置多对天线，比如将天线配置在门(或是其他关键点)的位置来覆盖关键点。这样，当游客通过关键点时，RFID读写器就可以通过不同的天线获取游客的ID号，这样，经过位置点的所有RFID标签都可以通过读写器获取，并在第一时间将数据发送到数据中心。系统根据读取信息的结果判定游客的进出，实时了解景点的游客分布情况，做到系统的实时监控。一台高性能的RFID读写器能够每秒处理数百张电子门票，完全可以满足大量的游客数据处理工作。
    这样一来，就可以通过了解景点游客的实时分布情况调整游客量，当景区内游客分布不均匀时，就可以通过工作人员的适当引导来缓解那些人气较高景点的压力。
3．2 安全管理
    根据不同类型的旅游景区，物联网在安全管理方面的应用形式也有所区别。对于森林公园、山岳等范围较大的景区，经常会出现游客走散、失踪等现象。对于这些地貌环境多变而复杂的地区，在有限的人手下，如何合理调配人手，以最快的速度进行现场救护工作就显得非常重要，也很有必要利用ZigBee技术来构建一套旅游景区内的游客定位系统，组建一个无线定位网络。
    其具体方案如下：
    首先，可在旅游景区的合适位置布置适量的无线定位网络的参考节点，可设计采用CC2530模块。这一方面是因为CC2530模块能进行数据的传输和转发，实现路由功能，作为无线定位网络的路由节点；另一方面，在景区适当的地方安放协调器节点，也可以搜集相关的无线信号并最终通过以太网将这些搜集到的信息传送到上位机，从而起到网关节点的作用，它与参考节点的区别就是其内部增加了网络扩展模块。
其次，让进入景区的游客佩戴设计好的电子标签作为定位节点，并采用CC2530模块内置定位引擎。这样，每一个电子标签就会拥有唯一的16位或者64位ID地址和地理位置信息；每个游客佩戴电子标签后，在数据终端库中就会记录游客的相关信息。
    最后，当游客进入某一景区内后，电子标签触发，定位节点就会启动内置定位引擎进行识别。这样，相应的定位信息、游客ID号等信息就会用多跳的方式经过一定数量的路由节点传送至网关节点，通过以太网传送到上位机数据库作相应的处理。
3．3 票务系统的管理
    在客流量比较集中的时段，会给游客的购票、检票带来很大的压力，耽误游客大量的时间。为了解决这些问题，我们可以利用RFID电子标签技术建立一个景区电子门票系统，实现计算机售票、验票、查询、汇总以及统计和报表等门票控制管理功能。一般的RFID标签门票具有以下技术特点：
    可支持特殊信息的写入和读取，并可以回收利用，这样就满足了低碳环保和降低成本的要求；
    超高频技术带有一定的穿透性，而且读取速度快，不用通过激光或红外线瞄准就能获取数据，故可达到高效的人性化验票效果；
    在堆叠的情况下依然能够读取信息，可满足大流量识别，识别距离可以达到10 m左右，能满足景区内对游客和车辆的管理。

3．4 景区智能导游
    通过ZigBee无线网络的智能导游系统，可使得便携终端与各个ZigBee子节点之间实现实时通信，从而实现便携终端的一系列导游功能以及景区管理人员的宏观监控。图2所示是ZigBee无线网络智能导游系统的系统框图。

    本系统运行时，游客通过使用便携终端取得使用权限。这样，在游览开始时，游客就可以选择系统提供的游览路线，也可以根据个人爱好选择景点，此时，便携终端软件会根据游客兴趣、各个景点的客流量等情况给出各景点的推荐指数，同时根据特定算法，计算出游览的最优路径为游客做向导。在游客接近某一景点时，该景点处的ZigBee子节点会自动识别便携终端，并且向该终端发送指令开启终端上的电子解说语音设备，对游客进行实时讲解。对于组团旅游的游客，通过给该团成员所持客户端进行统一编号，还可以使该团负责人通过向管理员PC端请求数据，来动态获得该团旅客的分布情况，同时也可以获得权限给该团旅客发送消息。
    如果游客有就餐、休息、购物、去洗手间等需求的时候，游客只要在便携终端的软件上进行选择，终端就可以通过算法给出前往距离最近、排队时间最短的目的地的路径。此外，如果游客不幸受伤或发生意外，只要在便携终端选择相应服务，数据就可以由ZigBee无线网络传送到终端服务器，从而使景区管理人员通过PC得到消息，进而派出工作人员立即赶往现场进行处理。

4 结语
    无线传感网络的兴起，促进着很多行业的发展和技术更新。利用ZigBee技术来组建一个旅游景区内的智能系统，就可以用低廉的设备成本、较高的定位精度和简单系统设计，很好地实现一个无线的二维定位。实际使用证明，本ZigBee无线网络智能导游系统较其他无线传感网络来说，比在一维定位上的应用具有较大的优势。