【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，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(luò)協(xié)調(diào)器由全功能裝置（FFD）實(shí)現(xiàn)，而末端裝置由簡(jiǎn)化功能裝置（RFD）實(shí)現(xiàn)。在組網(wǎng)方式上，ZigBee 主要采用圖 ：其一為主從方式的星形網(wǎng)，它需要一個(gè)能負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和不超過 65535個(gè)從屬裝置；其二為簇形網(wǎng)絡(luò)，它可以是擴(kuò)展的單個(gè)星形網(wǎng)或者互連多個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)；其三為網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh） ，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè) FFD可以做為路由器，根據(jù) AD hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議來優(yōu)化基于單片機(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8最短和最可靠的路徑。圖 三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4 應(yīng)用層 對(duì)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(duì)象（ZDO）以及裝置應(yīng)用行規(guī)。ZigBee 的應(yīng)用層架構(gòu)最重要的是已經(jīng)覆蓋了服務(wù)的觀念。 對(duì)于 ZigBee裝置而言，當(dāng)加入到一個(gè) WPAN（Wireless Personal Area Net，個(gè)人無線局域網(wǎng)）后，應(yīng)用層的 ZMO會(huì)發(fā)起一系列的初始化動(dòng)作，先通過 APS進(jìn)行裝置收尋以及服務(wù)收尋后，然后根據(jù)事先定義好的描述信息，將與其相關(guān)的裝置或是服務(wù)記錄在 APS里的綁定表中；之后所有服務(wù)的使用，都要通過這個(gè)綁定表來查詢資料的服務(wù)或者行規(guī)。而裝置應(yīng)用行規(guī)則是根據(jù)不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)出的不同的描述信息，以及 ZigBee各層協(xié)議的參數(shù)設(shè)定。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 ，用來保證 MAC層禎的機(jī)密性，一致性和真實(shí)性。另外 ZigBee聯(lián)盟也負(fù)責(zé) ZigBee產(chǎn)品互通性測(cè)試與認(rèn)證規(guī)則的制定，讓開發(fā)ZigBee產(chǎn)品的廠商有一個(gè)公開的場(chǎng)合，能夠互相測(cè)試互通性。而在認(rèn)證部分，ZigBee聯(lián)盟一共定義了三種層次的認(rèn)證，第一級(jí)認(rèn)證物理層和 MAC，與芯片廠有著最直接的關(guān)系；第二級(jí)認(rèn)證 ZigBee協(xié)議棧；第三級(jí)認(rèn)證 ZigBee產(chǎn)品。只有通過第三級(jí)認(rèn)證的產(chǎn)品才能貼上 ZigBee的標(biāo)志，所以也稱作 ZigBee注冊(cè)認(rèn)證。 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(duì)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。 ZigBee協(xié)議的優(yōu)點(diǎn) 功耗低：由于 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低，并且采用了休眠模式（當(dāng)不傳送數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)由 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)喚醒它們） ，可以確保兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月到兩年左右的使用時(shí)間。避免了頻繁更換電池或者充電，從而減輕了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的負(fù)擔(dān) 。數(shù)據(jù)傳輸可靠性高：采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。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?，最大限度地降低信息損失的概率。 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè) Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多 65536個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備 [14]，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多 100個(gè) Zigbee網(wǎng)絡(luò)。 時(shí)延?。横槍?duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為 30ms，休眠激活時(shí)延典型值為 15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為 15ms。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。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用 CSMACA方式進(jìn)行信道存取。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。 安全性：Zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用 AES128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性，是網(wǎng)絡(luò)安全得到有效的保障。 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 ~，且 Zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的。 協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單：其具體實(shí)現(xiàn)的要求很低。Zigbee 協(xié)議套件的需求估計(jì)：8位微處理器，如 80C51[10]；全協(xié)議套件軟件需要 32K字節(jié)的 ROM；最小協(xié)議套件軟件大約 4K字節(jié)的 ROM。 ZigBee協(xié)議存在的問題及解決方案 ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)，用它實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集，主要有以下兩個(gè)問題： 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘需要同步，監(jiān)控系統(tǒng)的多傳感器信息融合時(shí)，上位機(jī)需要知道每個(gè)原始數(shù)據(jù)是何時(shí)采集的，采樣的觸發(fā)要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)有統(tǒng)一的時(shí)鐘；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10 其通信速率較低，而且又受到接口通信速率的限制，加之受糾錯(cuò)碼的編碼效率影響，真正的數(shù)據(jù)發(fā)送量是很低的。 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(jí)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。例如，對(duì)于平穩(wěn)狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)可以不發(fā)送到上位機(jī)中，只發(fā)送可疑狀態(tài)前后的原始數(shù)據(jù)，這樣就大大減少了數(shù)據(jù)的通信量。 ZigBee協(xié)議應(yīng)用前景ZigBee協(xié)議特別適合數(shù)據(jù)吞吐量小，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資少，網(wǎng)絡(luò)安全要求較高，不便頻繁更換電池或者充電的場(chǎng)合，預(yù)計(jì)將在消費(fèi)類電子設(shè)備，家庭智能化，工業(yè)控制，醫(yī)療設(shè)備控制，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和無線點(diǎn)菜系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。消費(fèi)類電子產(chǎn)品和家庭智能化將是 ZigBee技術(shù)最有潛力的市場(chǎng)，家庭可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備包括電視，錄象機(jī)，PC 外設(shè)，兒童玩具，游戲機(jī)，門禁系統(tǒng)，窗戶和窗簾，照明設(shè)備，空調(diào)設(shè)備和其他家用電器等。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。在工業(yè)控制領(lǐng)域，利用傳感器和 ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可是數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，分析和處理變得更加容易；可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分，例如危險(xiǎn)化學(xué)成分的檢測(cè)，火警的早期檢測(cè)和預(yù)報(bào)，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測(cè)和維護(hù)。這些應(yīng)用不需要很高的數(shù)據(jù)吞吐量和連續(xù)的狀態(tài)更新，重點(diǎn)在于低功耗，可最大限度地延長(zhǎng)電池的壽命，減少 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用傳感器和 ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)每個(gè)病人的血壓，心率等情況，有助于醫(yī)生快速做出反應(yīng)，減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，特別適合對(duì)重，危病患者的監(jiān)護(hù)和治療。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。本系統(tǒng)是將 ZigBee協(xié)議用于餐館的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)，這樣能夠提高餐館檔次、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)計(jì)信息、精簡(jiǎn)人手、管理庫(kù)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。2．3 基于 ZigBee協(xié)議的芯片 [1][4][5]2022年 8月 ZigBee聯(lián)盟成立時(shí) Honeywell，Invensys,三菱電器，摩托羅拉和基于單片機(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11飛利浦等國(guó)際上知名的大公司就是 ZigBee協(xié)議的支持者。目前，ZigBee 已經(jīng)吸引了上百家芯片研發(fā)公司和無線設(shè)備制造公司，并且不斷有新的公司加盟這一聯(lián)盟?，F(xiàn)在國(guó)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。例如挪威的 Nordic公司的 nRF系列芯片，還有 Chipcon公司的無線數(shù)據(jù)傳輸芯片等。各個(gè)公司的芯片原理基本相同，編程規(guī)則大致相同，因此選用 Nordic公司的nRF2401，下面詳細(xì)敘述一下 nRF2401芯片的特點(diǎn)。 nRF2401無線收發(fā)一體芯片和藍(lán)牙一樣，都工作在 ，能夠在全球無線市場(chǎng)暢通無阻。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。它采用 SOC方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。與藍(lán)牙不同的是，nRF2401 沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對(duì)用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401 比藍(lán)牙產(chǎn)品更便宜。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(jí)芯片。nRF2401的引腳排列如圖 （頂視圖）所示。它采用 5mm5mm 的 24引腳QFN封裝。nRF2401 的主要特點(diǎn)如下： 圖 nRF2401 的引腳排列(1)采用全球開放的 ，有 125個(gè)頻道，可滿足多頻及跳頻需要； (2)速率（1Mbps）高于藍(lán)牙，且具有高數(shù)據(jù)吞吐量； (3)外圍元件極少，只需一個(gè)晶振和一個(gè)電阻即可設(shè)計(jì)射頻電路； (4)發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)置； (5)電源電壓范圍為 ，功耗很低； (6)電流消耗很小，5dBm 輸出功率時(shí)的典型峰值電流為 ； 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12(7)芯片內(nèi)部設(shè)置有專門的穩(wěn)壓電路，因此，使用任何電源（包括 DC/DC開關(guān)電源）均有很好的通信效果； (8)每個(gè)芯片均可以通過軟件設(shè)置最多 40bit地址，而且只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)（提供一個(gè)中斷指示），同時(shí)編程也很方便； (9)內(nèi)置 CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗(yàn)） [16]糾檢錯(cuò)硬件電路和協(xié)議； (10)采用 DuoCever 技術(shù)可同時(shí)接收兩個(gè) nRF2401的數(shù)據(jù)； (11)采用 ShockBurst TM 模式時(shí)，能適用極低的功率操作和不嚴(yán)格的 MCU執(zhí)行； (12)無需外部 SAW濾波器； (13)可 100%RF檢驗(yàn)； (14)帶有數(shù)據(jù)時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)功能。nRF2401的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及外部組成框圖如圖 ，下面介紹其工作原理。 圖 nRF2401 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及外部組成框圖1 ShockBurst TM[16]模式 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13 nRF2401的 ShockBurst TM 模式采用片上 FIFO(FirstIn FirstOut，先進(jìn)先)出來進(jìn)行低數(shù)據(jù)率的時(shí)鐘同步和高數(shù)據(jù)率的傳輸，因此極大的降低了功耗。 ShockBurst TM 發(fā)射主要通過 MCU接口引腳 CE、CLK1 和 DATA來完成。當(dāng) MCU請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，置 CE為高電平，此時(shí)的接收機(jī)地址和有效載荷數(shù)據(jù)作為 nRF2401的內(nèi)部時(shí)鐘，可用請(qǐng)求協(xié)議或 MCU將速率調(diào)至 1Mbps；置 CE為低電平可激活ShockBurst TM發(fā)射。 ShockBurst TM接收主要使用 MCU接口引腳 CE、DRCLKDATA 來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)正確設(shè)置射頻包輸入載荷的地址和大小后，置 CE為高電平可激活 RX。此后便可在nRF2401監(jiān)測(cè)信息輸入 200μｓ，若收到有效數(shù)據(jù)包，則給 MCU一個(gè)中斷并置 DR1為高電平，以使 MCU 以時(shí)鐘形式輸出有效載荷數(shù)據(jù)，待系統(tǒng)收到全部數(shù)據(jù)后, nRF2401再置 DR1為低 此時(shí)如果 CE保持高電平，則等待新的數(shù)據(jù)包。若 CE置低電平，則開始接收新的序列nRF2401的 DuoCeiver TM [17]技術(shù)為 RX提供了兩個(gè)獨(dú)立的專用數(shù)字信道，因而可代替兩個(gè)單獨(dú)接收系統(tǒng)。圖 4所示是 DuoCeiver TM同時(shí)雙接收信道結(jié)構(gòu)圖。 nRF2401可以通過一個(gè)天線接口從相隔 8MHZ的兩 1Mbps接收機(jī)上接收數(shù)據(jù)。同時(shí)將兩個(gè)數(shù)字信道的輸出反饋到兩個(gè)單獨(dú)的 MCU接口。具體的兩個(gè)信道如下: 圖 DuoCeiver TM 同時(shí)雙接收信道 結(jié)構(gòu)圖數(shù)字信道１:CLK1,DATA,DR1； 數(shù)字信道２:CLK2,DOUT2,DR2； 應(yīng)當(dāng)說明的是,數(shù)字信道 2的頻率只有在比數(shù)字信道 1的頻率高出 8MHZ時(shí)，才能保證正常接收?；趩纹瑱C(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14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)15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。 STC89C58RD+[10]單片機(jī)概述STC89C58RD+系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾，高速，低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051單片機(jī)，12 時(shí)鐘/機(jī)器周期和 6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇。它具有以下特點(diǎn)：1. 增強(qiáng)型 6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12