一種基于Zig Bee的戶外旅游團體定位系統

成都理工大學信息科學與技術學院 顧靜玲 甘 濤 郭浩攀 王裕迪 陳玉林

一種基于Zig Bee的戶外旅游團體定位系統

成都理工大學信息科學與技術學院 顧靜玲 甘 濤 郭浩攀 王裕迪 陳玉林

針對戶外旅行團體人員眾多、隨意性大的特點，導致容易走失等安全事故，給出了一種戶外旅游團體定位系統設計方案。搭建了采用ZigBee網絡拓撲結構的局域網，通過優化濾波算法，進一步提高了網絡節點之間距離測量的準確性；并且編寫了相應的安卓終端軟件，提供了友好的交互界面和可視化信息顯示。

ZigBee；旅游安全；星型拓撲；距離測定；安卓終端

0 引言

戶外旅游團人數較多，分布散亂且無規律，往往有人由于跟不上隊伍而走失，導致發生意外事故[3]。本文以此為出發點，為戶外旅游團體設計了一種導游助手系統，讓導游知曉團隊每個成員的位置信息，而目前可以應用在多人情況下的定位技術一般都是利用無線傳感網絡[4-6]，但這些定位方式都需要根據事先布好節點的位置作為參考，多用于礦井、醫院等固定地點，并不適用于戶外旅游團。因此，本文提出以ZigBee星型網絡結構的局域網為基礎，結合改進的RSSI測距算法，用安卓手機作為終端，設計了該系統，旨在保障旅游者的人身和財產安全。

1 系統整體框架

系統的概念框架主要由ZigBee無線網絡和安卓監護終端兩個部分組成。ZigBee無線網絡采用星型拓撲結構，包括一個協調器和多個終端節點。協調器作為網絡的管理者，負責啟動網絡和配置節點成員信息。協調器組建好局域網絡之后，該無線傳感網絡通過藍牙模塊與手機進行通信，將其收集到的信息經過處理后發送過去。安卓終端不論是導游還是游客，用戶可以登錄軟件提交和查看相關信息。

2 ZigBee測距網絡

ZigBee測距網絡是該系統的底層核心部分。

ZigBee聯盟規定的標準可以發現，ZigBee技術專注于低成本、低速率和低功耗的無線通信市場，一個ZigBee網絡最多可以支持超過65000個網絡節點，兩節點的物理傳輸范圍一般在10-100米之間，在增加RF發射功率之后，可以達到1000米，具有能量檢測和鏈路質量指示能力。而戶外旅游團體一般在10-20人左右，活動范圍100米以內，因此ZigBee技術特點與這種情境的適配性最好。

2.1 星型網絡的組建

ZigBee自組織網的形成和網絡中數據的傳輸，都要遵守協議棧的規范來執行。TI公司為Z-Stack協議棧提供了一個名為OSAL（操作系統抽象層）的協議棧調度程序。 OSAL的程序流程圖如圖1所示。

ZigBee網絡拓撲結構主要有星型網絡和網型網絡。本系統，所需求的拓撲結構較為簡單，因此選擇星型網絡。在該網絡中，只有一個協調器，由導游攜帶，它首先組建一個局域網，一旦有節點加入，及時接收由終端節點發送過來的數據，從數據中獲取節點設備號，并且檢測能量強度，然后將數據打包通過藍牙串口模塊發送給手機，其工作流程如圖1所示；終端節點開啟后就尋找并加入網絡，每過一段時間向協調器發送節點設備號等數據信息。

圖1 OSAL程序流程圖

2.2 測距算法的改進

Signal Strength Indication接收的信號強度指示)的定位技術，在無線傳感器網絡的應用中占據了非常重要的地位。

為了得到最優估算值，需要對RSSI值進行數字濾波。因此，采用混合濾波模型處理RSSI值，即將接收的一組數據，從小到大排序，剔除最大值和最小值。剩余的數值，通過高斯模型進行濾波，最后得到的數據更加準確、穩定。

3 安卓終端

安卓手機終端的程序分為兩種：游客部分和導游部分。在點擊進入軟件之后就要選擇好，若選擇為游客，則需要輸入登錄信息以及自己攜帶的ZigBee設備的相關信息，軟件將其通過GPRS網絡發送到云端服務器；若選擇為導游，與藍牙模塊配對，獲取游客信息，將距離以雷達圖的形式顯示在手機上。

4 實驗驗證

目前常用的無線電信號傳播損耗模型為對數-常態分布模型，如下式所示：

其中，η為路徑衰減因子，不同環境下取值不同；P(d0)是距離為d0時信號的強度，d0典型值為1 m。為服從高斯分布的隨機噪聲，其均值為零，標準差為σ；P(d)為距離為d時的信號強度，即RSSI值。

采用兩臺ZigBee設備進行通信。首先測試相距1 m時的RSSI值，從而得出P(1)；假定路徑損耗因子η=2。采集10 m、20 m、30 m、40 m、50 m處的數據，每處進行6次實驗。每次實驗采集15個RSSI測量值作為一組數據，分別用均值法、中值法和混合濾波法進行處理。處理后的絕對誤差的百分比如圖2所示。

由該實驗結果可知，無論是近距離還是遠距離，混合濾波模型對RSSI值的處理效果都要優于單一濾波模型。

圖2 各種濾波模型效果對比

5 結論

實驗表明，本文所提出的基于ZigBee的智能導游助手實時性較好，由改進算法所得的數據準確可靠，分析結果的可信度較高，能夠較好地滿足戶外旅游團體的定位需求。同時，系統具有良好的人機交互界面，易于導游隨時了解安全狀況，對突發情況作出及時反應，對于旅游安全領域具有一定的應用價值。

[1]謝朝武.我國旅游安全體系構建研究[A].中國安全科學學報,2010,20(8):170-176.

[2]汪傳才.旅游安全：一項永恒而又亟待深入的研究課題[J].旅游學刊,2010,25(3):11.

[3]黃旭慧.基于ZigBee技術的煤礦井下人員定位系統研究與應用[D].南昌:南昌大學,2007.

[4]陳瑞鑫,鄒傳云.有源RFID定位系統設計與實現[A].電子技術應用,2010,36(10):114-116.

[5]董海濤,屈玉貴,趙保華.ZigBee無線傳感網絡平臺的設計與實現[A].電子技術應用,2007,12:124-126.

[6]朱士虎,游春霞.一種改進的均值濾波算法[A].計算機應用與軟件,2013,30(12):97-100.

[7]朱明輝,張會清.基于RSSI的室內測距模型的研究[A].傳感器與微系統,2010,29(8):19-22.

顧靜玲（1996—），女，大學本科，現就讀于成都理工大學。

甘濤（1994—），男，大學本科，現就讀于成都理工大學。

郭浩攀（1997—），男，大學本科，現就讀于成都理工大學。

王裕迪（1998—），男，大學本科，現就讀于成都理工大學。

陳玉林（1998—），男，大學本科，現就讀于成都理工大學。