【正文】 確的劃分，每層為其上層提供一組特定的服務(wù)。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。 基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 6 第二章 ZigBee[7]協(xié)議分析 ZigBee 協(xié)議是一種近距離、低復(fù)雜度、低 功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 第三章在上一章的基礎(chǔ)上提出了自己的硬件平臺，詳細(xì)介紹了平臺的組成部分和各自的功能。并詳細(xì)分析了平臺組成部分各自的原理以及功能。而且目前支持 ZigBee 協(xié)議的廠商比較多，技術(shù)發(fā)展也很成熟，可以作成低成本的嵌入式產(chǎn)品。 （ 3）主要是用來取代點(diǎn)對點(diǎn)的線纜連接； （ 4）新的通訊標(biāo)準(zhǔn)兼容早期的通訊標(biāo)準(zhǔn)； （ 5）小角度（ 30 度錐角以內(nèi)），短距離，點(diǎn)對點(diǎn)直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強(qiáng) （ 6） 傳輸速率較高，目前 4M 速率的 FIR 技術(shù)已被廣泛使用， 16M 速率的 VFIR技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。 4 IrDA (infrared data association， 紅外數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 )技術(shù) [5][6] 紅外線是波長在 750nm 至 1mm 之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光，是一種人的眼睛看不到的光線。這一名 稱來源與蜜蜂的八字舞。所以對于商業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域， UWB 還是新鮮事物。它主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中。 UWB通過基帶脈沖作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸速率也不是很高，在當(dāng)今這個(gè)數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代，可能也會對它的發(fā)展有所影響。 3 PAN(Personal Area Net， 個(gè)人局域網(wǎng) )如圖 1 所示，主要用于個(gè)人網(wǎng)絡(luò)與信息的共享與交換。目前藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)重點(diǎn)是多點(diǎn)連接，即一臺設(shè)備同時(shí)與多臺（最多 7 臺）其他設(shè)備互聯(lián)。幾種常見的長距離無線通信系統(tǒng)如 GPRS 系統(tǒng)和我國即將投入使用的 3G 系統(tǒng)，它們都有一些共同的特點(diǎn)：使用專門的頻段，需要專門的 公司進(jìn)行運(yùn)營。因此微電子技術(shù)的發(fā)展對系統(tǒng)的性能有很大的限制，目前微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了 SOC（ System On Chip，片上系統(tǒng) ） ，集成度獲得了極大的提高。該系統(tǒng)能夠提高餐館檔次、提高效率、自動(dòng)結(jié)賬、避免人為錯(cuò)誤、避免跑單、實(shí)時(shí)監(jiān)控餐館狀況、提供各種各樣統(tǒng)基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第一章 緒論 2 計(jì)信息 、精簡人手、管理庫存、提高服務(wù)品質(zhì)等，為餐飲行業(yè)帶來嶄新的管理理念與服務(wù)手段 ,優(yōu)化業(yè)務(wù)流程 ,為客戶提供更好的服務(wù) ,實(shí)現(xiàn)企業(yè)價(jià)值最大化同時(shí)又使成本最低化 ,是餐飲行業(yè)向信息化發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。 無線電子點(diǎn)菜 系統(tǒng)是無線通信技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用。這些芯片一般工作在免費(fèi)頻段，采用專門的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，內(nèi)部集成了很多電路 。這也使電子產(chǎn)品向便攜式和低端市場發(fā)展。近數(shù)十年來 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展 ，無線通信技術(shù)更是以日新月異的速度向前發(fā)展，它也 成為了通信領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。文中還附帶簡要介紹了用到的軟件開發(fā)工具，以及系統(tǒng)的局限性，并提出了進(jìn)一步改進(jìn)的方案。 無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)是無線通信技術(shù)的典型應(yīng)用，把無線技術(shù)用于餐飲業(yè)將會極大提高餐館的工作效率和服務(wù)質(zhì)量。 論文給出了無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)的完整的硬件平臺的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。 為了使整個(gè)系統(tǒng)更加完善，用 Visual C++ 開發(fā)了串口調(diào)試工具，實(shí)現(xiàn)了將遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)并以窗口形式顯示和通過窗口形 式將計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端，基本達(dá)到了論文的設(shè)計(jì)目的。 現(xiàn)代的無線通信技術(shù)是建立在硬件電路的基礎(chǔ)上的，因此微電子技術(shù) [2]的發(fā)展直接制約著無線通信技術(shù)的發(fā)展。 雖然微電子的發(fā)展歷史已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)，但是射頻芯片 [1][2]的發(fā)展卻是近幾年的事。像 Nordic 公司的 NRF2401 芯片，它是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 ～ ISM（ Industry Science medicine，工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)） 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。近些年來， 隨著人民生活水平 的提高 和生活方式的轉(zhuǎn)變，餐飲業(yè)具有巨大的投資市場，被稱為中國的黃金產(chǎn)業(yè)。 由于 使用無線技術(shù)通信，可以不用進(jìn)行復(fù)雜的布線，這也大大降低了餐館的建設(shè)成本，減少了對線路維護(hù)的開支。同時(shí)，芯片的價(jià)格，體積和能耗進(jìn)一步降低，這些都使 無線電子點(diǎn)菜 系統(tǒng)向移動(dòng)化和大眾化方向發(fā)展。由于本系統(tǒng)要求傳輸距離有限，而且對成本有限制，因此長距離無線通信協(xié)議不在考慮的范圍之內(nèi)，下面就重點(diǎn)闡述幾種常見的短距離無線通信協(xié)議： 1 藍(lán)牙 [5] 愛立信在 1994 年開始研究一種能使手機(jī)與其附件（如耳機(jī)）之間互相通信的無線模塊， 4 年后，愛立信、諾基亞、 IBM 等公司共同推出了藍(lán)牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接。今后，市場上不同廠商的藍(lán)牙產(chǎn)品將能夠相互聯(lián)通。 藍(lán)牙協(xié)議有以下技術(shù)特點(diǎn)： 基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第一章 緒論 3 （ 1）藍(lán)牙工作在全球開放的 ISM 頻段； （ 2）使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)，把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道 （ hop channel） ，在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個(gè)信道跳到另一個(gè)信道； （ 3）一臺藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與其它七臺藍(lán)牙設(shè)備建立連接； （ 4）數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 1Mbit/s； （ 5）低功耗、通訊安全性好； （ 6）在有效范圍內(nèi)可越過障礙物進(jìn)行連接，沒有特別的通訊視角和方向要求； （ 7）支持語音傳輸； （ 8）組網(wǎng)簡單方便 正是由于藍(lán)牙協(xié)議有以上特點(diǎn)，藍(lán)牙產(chǎn)品涉及 PC、筆記本電腦、移動(dòng)電話等信息設(shè)備和 A／ V設(shè)備、汽車電子、家用電器和 工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。目前主流的軟件和硬件平臺均不提供對藍(lán)牙的支持，這使得藍(lán)牙的應(yīng)用成本升高，普及難度增大。窄脈沖（小于 1ns）產(chǎn)生極大帶寬的信號。除此之外，這種新技術(shù)適用于對速率要求非常高（大于 100Mb／ s）的 LAN(Local Area Net，本地局域網(wǎng) )s或 PANs。 UWB 有可能在 10m 范圍內(nèi)，支持高達(dá) 110Mb／ s 的數(shù)據(jù)傳輸率，不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡單、經(jīng)濟(jì)地完成視頻數(shù)據(jù)處理。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。由于紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，所以更適合應(yīng)用在需要短距離無線通訊的場合，進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的直線數(shù)據(jù)傳輸， 傳輸速率最快可達(dá) 16Mbps。 雖然目前 IRDA 技術(shù)發(fā)展已經(jīng)很成熟，而且有很多公司的產(chǎn)品都支持這種協(xié)議。 論文的研究內(nèi)容 無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是建立在硬件電路的基礎(chǔ)上的，為了降低誤碼率，提高頻率資源的利用律， 數(shù)據(jù)必須按照一定協(xié)議傳輸。 ，開發(fā)出了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。 第四章和第三章相對應(yīng)的，主要講了硬件平臺的驅(qū)動(dòng)程序以及 PC 機(jī)端串行口調(diào)試工具的開發(fā)，并簡單介紹了相應(yīng)的軟件開發(fā)工具。 在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂方面，主要是 IEEE 小組與 ZigBee Alliance 兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬體與軟體標(biāo)準(zhǔn)。 規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率 (250 kbps)、工作在 GHz 和 868/915 MHz的無線技術(shù)，它是 ZigBee 應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。 ZigBee的協(xié)議架構(gòu)大致如表 所列。 相比于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)， ZigBee 協(xié)議套件緊湊而簡單，具體實(shí)現(xiàn)的要求很低。 為了避免干擾，在各個(gè)頻段均使用 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum， 直接序列擴(kuò)頻技術(shù) )[13]，以化整為零方式將一個(gè)信號分為多個(gè)信號，再經(jīng)由編碼方式傳送信號以避免干擾，這對大部分較低端的實(shí)現(xiàn)來說，直接序列的應(yīng)用可以使模擬電路更 加簡單，具有更高的容錯(cuò)性能。在網(wǎng)絡(luò)層方 面其主要工作在于負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立與管理，并且具有自我組態(tài)與自我修復(fù)功能。 圖 三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 4 應(yīng)用層 對于應(yīng)用層，主要有三個(gè)部分：與網(wǎng)絡(luò)層相連的應(yīng)用支持（ APS）， ZigBee 設(shè)備對象（ ZDO）以及裝置應(yīng)用行規(guī)。 5 安全層 安全層并非單獨(dú)獨(dú)立的協(xié)議， ZigBee 為其提供了一套基于 128 位 AES 算法的安全類和軟件，并且集成了 標(biāo)準(zhǔn)的安全元素，用來保證 MAC 層禎的機(jī)密性，一致性和真實(shí)性。 ZigBee 協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用前景 ZigBee 協(xié)議是從 WLAN 發(fā)展過來的，經(jīng)過近幾年來 ZigBee 聯(lián)盟成員 [7]對標(biāo)準(zhǔn)的不斷修改和完善，已經(jīng)顯示出了強(qiáng)大的生命力，但是本身還有一些缺點(diǎn)，這也限制基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 9 了 ZigBee 協(xié)議的使用范圍。而且 MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，從而從根本上確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕畲笙薅鹊亟档托畔p失的概率。 表 Zigbee與藍(lán)牙協(xié)議時(shí)延比較 設(shè)備收索時(shí)延典型值（ ms） 休眠激活時(shí)延典型值 (ms) 活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延 (ms) ZigBee 技術(shù) 30 15 15 藍(lán)牙技術(shù) =3000 3000 2 兼容性：與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。 實(shí)現(xiàn)成本低：模塊的初始成本估計(jì)在 6美元左右，很快就能降到 ~ 美元，且 Zigbee 協(xié)議是免專利費(fèi)的。 解決此問題可以通過如下的途徑： 傳感器節(jié)點(diǎn)采用 DSP 處理器，盡可能在傳感器節(jié)點(diǎn)一級多做些數(shù)據(jù)處理工作，盡量減少原始數(shù)據(jù)的發(fā)送量，只發(fā)送有用信息。家用設(shè)備引進(jìn) ZigBee 協(xié)議后將極大改善人們的居住環(huán)境和舒適度。 在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，利用傳感器可以將土壤溫度，氮濃度， PH 值，降水量，氣溫，氣壓和采集信息的地理位置經(jīng)由 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳送到中央的控制部分，使農(nóng)民能及早而且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題，從而有助于保持并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，減少發(fā)生災(zāi)害的概率?，F(xiàn)在國際上有很多公司生產(chǎn)基于 ZigBee 協(xié)議的芯片，芯片的集成度也越來越高。 nRF2401 支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率超過 1Mbit/s，而且比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度。所以 nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。 nRF2401 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及外部組成框圖如圖 所示，下面介紹其工作原理。 ShockBurst TM 接收主要使用 MCU 接口引腳 CE、 DR CLK DATA 來實(shí)現(xiàn)。圖 4 所示是 DuoCeiver TM 同時(shí)雙接收信道結(jié)構(gòu)圖。 基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 及實(shí)現(xiàn) 14 第 三 章 基于 ZigBee 協(xié)議的硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 目前， 51 系列單片機(jī)非常流行，而且資料眾多，因此選用 51 系列單片機(jī)作為開發(fā)板的 MCU，通過附加一定的外圍電路后，來和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。 6. 通用 I/O 口 32 個(gè)，復(fù)位后為： P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）， P0口是開漏輸出，作 為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻。 開發(fā)板的各 個(gè)組成部分原理圖以及功能 整個(gè)開發(fā)板是由單片機(jī)最小系統(tǒng)和它的一些外圍電路組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)做為整個(gè)開發(fā)板的控制中心，控制各個(gè)外圍電路協(xié)調(diào)工作，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能。電源采用 5V 供電，晶振為 12MHZ。 USB 的即插即用特性，使對開發(fā)板供電非常方便。 RS232 采用非平衡連接 (又稱為單端線路 )，在這個(gè)線路中，信號電壓加到一條導(dǎo)線上，所有的信號電壓都使用一個(gè)公共的接地線。 由于 STC89C58RD+單片機(jī)支持 ISP 下載，因此通過這個(gè)串行口既可以用來和 PC 機(jī)通信，又能將程序下載到單片機(jī)，不用購買昂貴的編程器。 74LS244為三態(tài)輸出的八組緩沖器和總線驅(qū)動(dòng)器 ,選用的四位八段數(shù)碼管本身已經(jīng)集成了譯碼器，這樣既簡化了線路的連接，又降低了錯(cuò)誤發(fā)生的概率 。為了實(shí)現(xiàn)這一過程，選用 作為核心芯片。 LM1117 系列具有 LLP、 TO26 SOT22 TO220 和TO252 DPAK 封裝；此外為了使兩個(gè)模塊直接相連，將 P2 口的部分引腳用排針引到基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 及實(shí)現(xiàn) 18 一起，排針間距為 100mil,標(biāo)準(zhǔn) DIP 插針。當(dāng)鍵按下后，基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 及實(shí)現(xiàn) 19 輸出為低電平 。 nRF2401 芯片的典型應(yīng)用電路如圖 所示。 (2) 除電源 VCC 和接地端，其余腳都可以直接和普通的 5V 單片機(jī) IO 口直接相連，無需電平轉(zhuǎn)換。 圖 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與開發(fā)板的