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畢業(yè)設計基于單片機無線電子點菜系統(tǒng)硬件設計及實現(xiàn)(編輯修改稿)

2025-01-08 18:00 本頁面
 

【文章內容簡介】 Read Only Memory,只讀存儲器),最小軟件需要 4KB 的 ROM;網絡主節(jié)點需要更多的 ROM以容納網絡內所有節(jié)點的設備信息,數據包轉發(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 )[13],以化整為零方式將一個信號分為多個信號,再經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 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 網絡層 網絡功能是 ZigBee 協(xié)議的重要特點,也是與其他無線局域網標準不同的地方。在網 絡層方面其主要工作在于負責網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。在網絡層中 ZigBee 協(xié)議定義了三種角色:第一個是網絡協(xié)調器,負責網絡的建立以及網絡位置的分配;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,并負責轉發(fā)信息包;第三個是末端裝置,只能選擇加入他人已經形成的網絡,可以收發(fā)信息包,但是不能轉發(fā),不具備路由的功能。通常,路由器和網絡協(xié)調器由全功能裝置( 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,它需要一個能負責管理和維護網絡的網絡協(xié)調器和不超過 65535 個從屬裝置;其二為簇形網絡,它可以是擴展的單個星形網或者互連多個星形網絡;其三為網狀網( Mesh) ,網絡中的每個 FFD 可以做為路由器,根據 AD hoc 網絡路由協(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 三種網絡拓撲結構 4 應用層 對于應用層,主要有三個部分:與網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)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)則是根據不同的產品設計出的不同的描述信息,以及 ZigBee 各層協(xié)議的參數設定。 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 產品互通性測試與認證規(guī)則的制定,讓開發(fā)ZigBee 產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 產品。只有通過第三級認證的產品才能貼上 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 ZigBee 協(xié)議的使用范圍。 ZigBee 協(xié)議的優(yōu)點 功耗低:由于 ZigBee 網絡節(jié)點設備工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低,并且采用了休眠模式(當不傳送數據時處于休眠狀態(tài),當需要接收數據時由 ZigBee 網絡中的協(xié)調器設備負責喚醒它們),可以確保兩節(jié)五號電池支持長達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,從而減輕了網絡維護的負擔 。 數據傳輸可靠性高:采用了碰撞避免機制,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突。而且 MAC 層采用了完全確認的數據傳輸機制,發(fā)送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息,從而從根本上確保了數據傳輸的可靠性,最大限度地降低信息損失的概率。 網絡容量大:一個 Zigbee 網絡可以容納最多 65536 個從設備和一個主設備 [14],一個區(qū)域內可以同時存在最多 100 個 Zigbee 網絡。 時延?。横槍r延敏感的應用做了優(yōu)化,通信時延和休 眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為 30ms,休眠激活時延典型值為 15ms,活動設備信道接入時延為 15ms。 表 Zigbee與藍牙協(xié)議時延比較 設備收索時延典型值( ms) 休眠激活時延典型值 (ms) 活動設備信道接入時延 (ms) ZigBee 技術 30 15 15 藍牙技術 =3000 3000 2 兼容性:與現(xiàn)有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協(xié)調器 (Coordinator)自動建立網絡,采用 CSMACA 方式進行信道存取。為了可靠傳遞,提供全握手協(xié)議。 安全性: Zigbee 提供了數據完整性檢查和鑒權功能,加密算法采用 AES128,同時各個應用可以靈活確定其安全屬性,是網絡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 標準是 ZigBee 協(xié)議的基礎,用它實現(xiàn)無線數據采集,主要有以下兩個問題: 網絡內傳感器節(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據是何時采集的,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,真正的數據發(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)點一級多做些數據處理工作,盡量減少原始數據的發(fā)送量,只發(fā)送有用信息。例如,對于平穩(wěn)狀態(tài)的原始數據可以不發(fā)送到上位機中,只 發(fā)送可疑狀態(tài)前后的原始數據,這樣就大大減少了數據的通信量。 ZigBee 協(xié)議應用前景 ZigBee 協(xié)議特別適合數據吞吐量小,網絡建設投資少,網絡安全要求較高,不便頻繁更換電池或者充電的場合,預計將在消費類電子設備,家庭智能化,工業(yè)控制,醫(yī)療設備控制,農業(yè)自動化和無線點菜系統(tǒng)等領域獲得廣泛的應用。 消費類電子產品和家庭智能化將是 ZigBee 技術最有潛力的市場,家庭可以聯(lián)網的設備包括電視,錄象機, PC外設,兒童玩具,游戲機,門禁系統(tǒng),窗戶和窗簾,照明設備,空調設備和其他家用電器等。家用設備引進 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)控制領域,利用傳感器和 ZigBee 網絡,可是數據的自動采集,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,例如危險化學成分的檢測,火警的早期檢測和預報,高速旋轉機器的檢測和維護。這些應用不需要很高的數據吞吐量和連續(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 網絡的維護成本。 在醫(yī)學領域,利用傳感器和 ZigBee 網絡可以準確,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,減少醫(yī)生查房的工作負擔,特別 適合對重,危病患者的監(jiān)護和治療。 在現(xiàn)代農業(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由 ZigBee 網絡傳送到中央的控制部分,使農民能及早而且準確地發(fā)現(xiàn)問題,從而有助于保持并提高農作物的產量,減少發(fā)生災害的概率。 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、提高服務品質等,為餐飲行業(yè)帶來嶄新的管理理念與服務手段 ,優(yōu)化業(yè)務流程 ,為客戶提 供更好的服務 ,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)展的一個重要標志。 2. 3 基于 ZigBee 協(xié)議的芯片 [1][4][5] 2021 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 已經吸引了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 11 上百家芯片研發(fā)公司和無線設備制造公司,并且不斷有新的公司加盟這一聯(lián)盟?,F(xiàn)在國際上有很多公司生產基于 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 公司的無線數據傳輸芯片等。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,下面詳細敘述一下 nRF2401 芯片的特點。 nRF2401 無線收發(fā)一體芯片和藍牙一樣,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,而且比藍牙具有更高的傳輸速度。它采用 SOC 方法設計,只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。與藍牙不同的是, nRF2401 沒有復雜的通信協(xié)議,它完全對用戶透明,同種產品 之間可以自由通信。更重要的是, nRF2401 比藍牙產品更便宜。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)高于藍牙,且具有高數據吞吐量; (3)外圍元件極少,只需一個晶振和一個電阻即可設計射頻電路; (4)發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數可全部通過軟件設置; (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)的硬件設計及實 現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 12 (7)芯片內部設置有專門的穩(wěn)壓電路,因此,使用任何電源(包括 DC/DC 開關電源)均有很好的通信效果; (8)每個芯片均可以通過軟件設置最多 40bit 地址,而且只有收到本機地址時才會輸出數據(提供一個中斷指示),同時編程也很方便; (9)內置 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 技術可同時接收兩個 nRF2401 的數據; (11)采用 ShockBurst TM 模式時,能適用極低的功率操作和不嚴格的 MCU 執(zhí)行; (12)無需外部 SAW 濾波器; (13)可 100%RF 檢驗; (14)帶有數據時隙和數據時鐘恢復功能。 nRF2401 的內部結構原理及外部組成框圖如圖 所示,下面介紹其工作原理。 圖 nRF2401的內部結構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,先進先 )出來進行低數據率的時鐘同步和高數據率的傳輸,因此極大的降低了功耗。 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實 現(xiàn) 第
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