【文章內(nèi)容簡介】 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(luò)主節(jié)點需要更多的 ROM 以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的設(shè)備信息，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表，設(shè)備關(guān)聯(lián)表，與安全有關(guān)的密鑰存儲等。 1 物理層 標(biāo)準(zhǔn)在物理層設(shè)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 1 1，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(shù) )[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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)在媒體訪問層（ MAC）方面，主要沿用無線局域網(wǎng) WLAN 中 系列標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計不但是多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡單，還可以實現(xiàn)非常有效的功耗控制。 3 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)功能是 ZigBee 協(xié)議的重要特點，也是與其他無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同的地方。在網(wǎng)絡(luò)層方面其主要工作在于負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機制的建 立與管理，并且具有自我組態(tài)與自我修復(fù)功能。在網(wǎng)絡(luò)層中 ZigBee 協(xié)議定義了三種角色：第一個是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立以及網(wǎng)絡(luò)位置的分配；第二個是路由器，主要負(fù)責(zé)找尋建立以及修復(fù)信息包的路由路徑，并負(fù)責(zé)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(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(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 個從屬裝置；其二為簇形網(wǎng)絡(luò)，它可以是擴展的單個星形網(wǎng)或者互連多個星形網(wǎng)絡(luò)；其三為網(wǎng)狀網(wǎng)（ Mesh） ，網(wǎng)絡(luò)中的每個 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)化最基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 8 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 對于應(yīng)用層，主要有三個部分：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)。 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。 對于 ZigBee 裝置而言，當(dāng)加入到一個 WPAN（ Wireless Personal Area Net， 個人無線局域網(wǎng)）后，應(yīng)用層的 ZMO 會發(fā)起一系列的初始化動作，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(biāo)準(zhǔn)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(fù)責(zé) ZigBee 產(chǎn)品互通性測試與認(rèn)證規(guī)則的制定，讓開發(fā)ZigBee 產(chǎn)品的廠商有一個公開的場合，能夠互相測試互通性。而在認(rèn)證部分， ZigBee聯(lián)盟一共定義了三種層次的認(rèn)證，第一級認(rèn)證物理層和 MAC，與芯片廠有著最直接的關(guān)系；第二級認(rèn)證 ZigBee 協(xié)議棧；第三級認(rèn)證 ZigBee 產(chǎn)品。只有通過第三級認(rèn)證的產(chǎn)品才能貼上 ZigBee 的標(biāo)志，所以也稱作 ZigBee 注冊認(rèn)證。 ZigBee 協(xié)議優(yōu)缺點和應(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(shè)計及實現(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 功耗低：由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(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)時處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時由 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)五號電池支持長達(dá)六個月到兩年左右的使用時間。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：采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。而且 MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機制，發(fā)送的每個數(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。 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多 65536 個從設(shè)備和一個主設(shè)備 [14]，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多 100 個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)。 時延?。横槍r延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延 典型值為 30ms，休眠激活時延典型值為 15ms，活動設(shè)備信道接入時延為 15ms。 表 Zigbee 與藍(lán)牙協(xié)議時延比較 設(shè)備收索時延典型值（ ms） 休眠激活時延典型值 (ms) 活動設(shè)備信道接入時延 (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，同時各個應(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。 實現(xiàn)成本低：模塊的初始成本估計在 6美元左右，很快就能降到 ~ 美元，且 Zigbee 協(xié)議是免專利費的。 協(xié)議套件緊湊而簡單：其具體實現(xiàn)的要求很低。 Zigbee 協(xié)議套件的需求估計： 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 標(biāo)準(zhǔn)是 ZigBee 協(xié)議的基礎(chǔ)，用它實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集， 主要有以下兩個問題： 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點時鐘需要同步，監(jiān)控系統(tǒng)的多傳感器信息融合時，上位機需要知道每個原始數(shù)據(jù)是何時采集的，采樣的觸發(fā)要求每個節(jié)點有統(tǒng)一的時鐘； 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(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)點采用 DSP 處理器，盡可能在傳感器節(jié)點一級多做些數(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。例如，對于平穩(wěn)狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)可以不發(fā)送到上位機中，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合，預(yù)計將在消費類電子設(shè)備，家庭智能化，工業(yè)控制，醫(yī)療設(shè)備控制，農(nóng)業(yè)自動化和無線點菜系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。 消費類電子產(chǎn)品和家庭智能化將是 ZigBee 技術(shù)最有潛力的市場，家庭可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備包括電視，錄象機， PC外設(shè)，兒童玩具，游戲機，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，例如危險化學(xué)成分的檢測，火警的早期檢測和預(yù)報，高速旋轉(zhuǎn)機器的檢測和維護(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，重點在于低功耗，可最大限度地延長電池的壽命，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，實時地監(jiān)測每個病人的血壓，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菜系統(tǒng)， 這樣 能夠提高餐館檔次、提高效率、自動結(jié)賬、避免人為錯誤、避免跑單、實時監(jiān)控餐館狀況、提供各種各樣統(tǒng)計信息、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) ,實現(xiàn)企業(yè)價值最大化同時又 使成本最低化 ,是餐飲行業(yè)向信息化發(fā)展的一個重要標(biāo)志。 2． 3 基于 ZigBee 協(xié)議的芯片 [1][4][5] 20xx 年 8 月 ZigBee 聯(lián)盟成立時 Honeywell， Invensys,三菱電器，摩托羅拉和飛利浦等國際上知名的大公司就是 ZigBee 協(xié)議的支持者。目前， ZigBee 已經(jīng)吸引了基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 11 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。現(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。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。 nRF2401 無線收發(fā)一體芯片和藍(lán)牙一樣，都工作在 自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。 nRF2401 支持多點間通信，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，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)級芯片。 nRF2401 的引腳排列如圖 （頂視圖）所示。它采用 5mm 5mm 的 24引腳 QFN封裝。 nRF2401 的主要特點如下： 圖 nRF2401 的引腳排列 (1)采用全球開放的 頻段，有 125 個頻道，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，只需一個晶振和一個電阻即可設(shè)計射頻電路； (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 輸出功率時的典型峰值電流為 ； 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(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，而且只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供一個中斷指示），同時編程也很方便； (9)內(nèi)置 CRC（ Cyclic Redundancy Check， 循環(huán) 冗余 校驗） [16]糾檢錯硬件電路和協(xié)議； (10)采 用 DuoCever 技術(shù)可同時接收兩個 nRF2401 的數(shù)據(jù)； (11)采用 ShockBurst TM 模式時，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； (14)帶有數(shù)據(jù)時隙和數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)功能。 nRF2401 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及外部組成框圖如圖 所示，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 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)率的時鐘同步和高數(shù)據(jù)率的傳輸，因此極大的降低了功耗。 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn)