【文章內(nèi)容簡介】 據(jù)通訊所采用的光波波長的范圍限定在 850nm至 900nm 之內(nèi)。IRDA 技術有以下特點：（1）它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無線連接技術，被眾多的硬件和軟件平臺所支持；（2）通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)。（3）主要是用來取代點對點的線纜連接；（4）新的通訊標準兼容早期的通訊標準；（5）小角度（30 度錐角以內(nèi)） ，短距離，點對點直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強（6） 傳輸速率較高，目前 4M 速率的 FIR 技術已被廣泛使用，16M 速率的 VFIR技術已經(jīng)發(fā)布。雖然目前 IRDA 技術發(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。但是由于紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，所以它只能用于視距傳輸，傳輸距離比較短，因此也不適合本系統(tǒng)的技術要求。綜合比較以上各個短距離無線通信協(xié)議的技術特點和本系統(tǒng)的要求，只有ZigBee 協(xié)議能基本滿足要求。而且目前支持 ZigBee 協(xié)議的廠商比較多，技術發(fā)展也很成熟，可以作成低成本的嵌入式產(chǎn)品。 論文的研究內(nèi)容無線電子點菜系統(tǒng)的實現(xiàn)是建立在硬件電路的基礎上的，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。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)按照一定的格式編碼，然后調(diào)制到一約定的頻率后發(fā)送；接受端將接收到的信號經(jīng)過解調(diào)和解碼后，將數(shù)據(jù)還原。本論文的研究內(nèi)容主要有兩部分組成：，在此基礎上，提出了基于 ZigBee 協(xié)議的硬件平臺。并詳細分析了平臺組成部分各自的原理以及功能。，開發(fā)出了相應的驅(qū)動程序?；趩纹瑱C的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第一章 緒論5 內(nèi)容安排 本文對無線電子電菜系統(tǒng)的硬件設計進行了深入的研究，全文共分為五章，各章節(jié)的內(nèi)容安排如下： 第一章介紹了本文的研究背景和各章節(jié)的內(nèi)容安排情況。 第二章介紹 ZigBee 協(xié)議的詳細內(nèi)容和一種基于 ZigBee 協(xié)議的芯片。 第三章在上一章的基礎上提出了自己的硬件平臺，詳細介紹了平臺的組成部分和各自的功能。 第四章和第三章相對應的，主要講了硬件平臺的驅(qū)動程序以及 PC 機端串行口調(diào)試工具的開發(fā)，并簡單介紹了相應的軟件開發(fā)工具。第五章是總結與展望。對本文工作進行了總結，并探討可以進一步深入研究的方向?；趩纹瑱C的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(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、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術。 在標準規(guī)范制訂方面，主要是 IEEE 小組與 ZigBee Alliance 兩個組織，兩者分別制訂硬體與軟體標準。在 IEEE 方面，2022 年 12 月IEEE 成立了 小組，負責制訂 MAC（Media Access Control,媒體存取控制層）與物理層規(guī)范， 2022 年 5 月通過 標準；在 ZigBee 聯(lián)盟方面，ZigBee[7]聯(lián)盟是在 2022 年 10 月由 Honeywell、Mitsubishi、Motorola、Philips與 Invensys 共同成立，ZigBee 聯(lián)盟負責制訂網(wǎng)路層、安全管理、應用界面規(guī)范，其次也肩負互通測試，目前 ZigBee 聯(lián)盟已推出第 版規(guī)范(Version )，成員已達 150 多個。 ZigBee 協(xié)議依據(jù) 標準 [8][9]，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。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)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。 規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率(250 kbps)、工作在 GHz 和 868/915 MHz 的無線技術，它是 ZigBee 應用層和網(wǎng)絡層協(xié)議的基礎。 相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee 技術將是最低功耗和成本的技術，同時由于 ZigBee 技術的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點，也決定了 ZigBee 技術適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務。所以 ZigBee 聯(lián)盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設備控制等。 ZigBee 協(xié)議框架 ZigBee 協(xié)議同其它網(wǎng)絡通信協(xié)議一樣采用分層模型，對各層所實現(xiàn)的功能和在整個協(xié)議中起的作用做了明確的劃分，每層為其上層提供一組特定的服務。ZigBee 的協(xié)議架構大致如表 所列。 表 ZigBee 的協(xié)議架構第四層 應用層第三層 網(wǎng)絡層第二層 媒體訪問層（MAC）第一層 物理層 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析7ZigBee 協(xié)議雖然是基于標準的七層 OSI（Open System Interconnect，開放式系統(tǒng)互聯(lián)）模型 [10]，但僅對那些涉及 ZigBee 的層予以定義。 標準定義了最下面的兩層：物理層和 MAC。ZigBee 聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡層和應用層框架的協(xié)議。相比于常見的無線通信標準，ZigBee 協(xié)議套件緊湊而簡單，具體實現(xiàn)的要求很低。以下是 ZigBee 協(xié)議套件的需求估計：硬件需要 8 位處理器，如廣泛使用的80C51 系列單片機 [12]；軟件需要 32KB 的 ROM（Read Only Memory，只讀存儲器） ，最小軟件需要 4KB 的 ROM；網(wǎng)絡主節(jié)點需要更多的 ROM 以容納網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點的設備信息，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表，設備關聯(lián)表，與安全有關的密鑰存儲等。1 物理層 標準在物理層設計中面向低成本和更高層次的集成需求，才用的工作頻段分別為 GHz 和 868/915 MHz。各個頻段可以使用的信道數(shù)目分別為11，各自提供 250kbps,40kbps 和 20kbps 的傳輸速率，其傳輸范圍介于 10100 米之間。為了避免干擾，在各個頻段均使用 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻技術) [13]，以化整為零方式將一個信號分為多個信號，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現(xiàn)來說，直接序列的應用可以使模擬電路更加簡單，具有更高的容錯性能。2 媒體訪問層 標準在媒體訪問層（MAC）方面，主要沿用無線局域網(wǎng) WLAN 中 系列標準的 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，載波監(jiān)聽多路訪問與沖突避免)方式以提高系統(tǒng)的兼容性。這種 MAC 層的設計不但是多種拓撲結構網(wǎng)絡的應用變得簡單，還可以實現(xiàn)非常有效的功耗控制。3 網(wǎng)絡層網(wǎng)絡功能是 ZigBee 協(xié)議的重要特點，也是與其他無線局域網(wǎng)標準不同的地方。在網(wǎng)絡層方面其主要工作在于負責網(wǎng)絡機制的建立與管理，并且具有自我組態(tài)與自我修復功能。在網(wǎng)絡層中 ZigBee 協(xié)議定義了三種角色：第一個是網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，負責網(wǎng)絡的建立以及網(wǎng)絡位置的分配；第二個是路由器，主要負責找尋建立以及修復信息包的路由路徑，并負責轉(zhuǎn)發(fā)信息包；第三個是末端裝置，只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡，可以收發(fā)信息包，但是不能轉(zhuǎn)發(fā)，不具備路由的功能。通常，路由器和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器由全功能裝置（FFD）實現(xiàn)，而末端裝置由簡化功能裝置（RFD）實現(xiàn)。在組網(wǎng)方式上，ZigBee 主要采用圖 所示三種方式：其一為主從方式的星形網(wǎng)，它需要一個能負責管理和維護網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和不超過 65535 個從屬裝置；其二為簇形網(wǎng)絡，它可以是擴展的單個星形網(wǎng)或者互連多個星形網(wǎng)絡；其三為網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh） ，網(wǎng)絡中的每個 FFD 可以做為路由器，根據(jù) AD hoc 網(wǎng)絡路由協(xié)議來優(yōu)化基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析8最短和最可靠的路徑。圖 三種網(wǎng)絡拓撲結構4 應用層 對于應用層，主要有三個部分：與網(wǎng)絡層相連的應用支持（APS） ，ZigBee 設備對象（ZDO）以及裝置應用行規(guī)。ZigBee 的應用層架構最重要的是已經(jīng)覆蓋了服務的觀念。 對于 ZigBee 裝置而言，當加入到一個 WPAN（Wireless Personal Area Net，個人無線局域網(wǎng)）后，應用層的 ZMO 會發(fā)起一系列的初始化動作，先通過 APS 進行裝置收尋以及服務收尋后，然后根據(jù)事先定義好的描述信息，將與其相關的裝置或是服務記錄在 APS 里的綁定表中；之后所有服務的使用，都要通過這個綁定表來查詢資料的服務或者行規(guī)。而裝置應用行規(guī)則是根據(jù)不同的產(chǎn)品設計出的不同的描述信息，以及 ZigBee 各層協(xié)議的參數(shù)設定。5 安全層 安全層并非單獨獨立的協(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 標準的安全元素，用來保證 MAC 層禎的機密性，一致性和真實性。另外 ZigBee 聯(lián)盟也負責 ZigBee 產(chǎn)品互通性測試與認證規(guī)則的制定，讓開發(fā)ZigBee 產(chǎn)品的廠商有一個公開的場合，能夠互相測試互通性。而在認證部分，ZigBee 聯(lián)盟一共定義了三種層次的認證，第一級認證物理層和 MAC，與芯片廠有著最直接的關系；第二級認證 ZigBee 協(xié)議棧；第三級認證 ZigBee 產(chǎn)品。只有通過第三級認證的產(chǎn)品才能貼上 ZigBee 的標志，所以也稱作 ZigBee 注冊認證。 ZigBee 協(xié)議優(yōu)缺點和應用前景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]對標準的不斷修改和完善，已經(jīng)顯示出了強大的生命力，但是本身還有一些缺點，這也限制基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析9了 Zi