【正文】 圖 開發(fā)板和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口部分 圖 5V電平轉(zhuǎn) 鍵盤部分 圖 鍵盤部分 鍵盤部分用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信。 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。 LM1117 提供電流限制和熱保護(hù)，電路包含 1 個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在177。為了實(shí)現(xiàn)這一過程，選用 作為核心芯片。 圖 LED部分 開發(fā)板和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口部分 這一部分有兩部分組成：由于 nRF2401 的工作電壓為 ，工作電壓超過 就會(huì)燒壞芯片。 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 。 圖 串口電平轉(zhuǎn)換部分 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) 17 LED 部分 由于單片機(jī)復(fù)位后，各個(gè)引腳輸出都為高電平，因此選用共陰極的 LED 數(shù)碼管。 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。由于單片機(jī)的輸入、輸出電平為 TTL 電平，與 PC 機(jī) RS232 標(biāo)準(zhǔn)串行接口的電氣規(guī)范不一致，因此要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC 機(jī)之間的數(shù)據(jù)通讀，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 RS232 采用非平衡連接 (又稱為單端線路 )，在這個(gè)線路中，信 號(hào)電壓加到一條導(dǎo)線上，所有的信號(hào)電壓都使用一個(gè)公共的接地線。 圖 單片機(jī)最小系統(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) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 16 串行口電平轉(zhuǎn)換部分 大多數(shù) PC 機(jī)都有一個(gè)串行通訊端口 RS232 用于兩臺(tái)計(jì)算機(jī)間進(jìn)行串行通訊。 USB的即插即用特性，使對(duì)開發(fā)板供電非常方便。由于不使用外部存儲(chǔ)器，因此將 EA接高電平。電源采用 5V 供電，晶振為 12MHZ。原理圖由 Protel 99SE[18][19]繪制。 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。而且內(nèi)部集成了看門狗和Flash，簡化了 PCB板的制作。 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。 它具有以下特點(diǎn)： 1. 增強(qiáng)型 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期， 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期 8051 CPU（ Central Process Unit，中央處理器）。 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。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。圖 4 所示是 DuoCeiver TM 同時(shí)雙接收信道結(jié)構(gòu)圖。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 CE 保持高電平，則等待新的數(shù)據(jù)包。 ShockBurst TM 接收主要使用 MCU 接口引腳 CE、 DR CLK DATA 來實(shí)現(xiàn)。 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 ShockBurst TM 發(fā)射主要通過 MCU接口 引腳 CE、 CLK1 和 DATA 來完成。 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。它采用 5mm 5mm 的 24引腳 QFN封裝。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。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。 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。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)?，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。 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(shí) 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。 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。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，可最大限度地延長電池的壽命，減少 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。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。 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。 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。 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。 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。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。 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。 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。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。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) 。 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。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。 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。 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)。 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)。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)，而末端裝置由簡化功能裝置（ RFD）實(shí)現(xiàn)。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。這種 MAC 層的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)非常有效的功耗控制。 為了避免干擾，在各個(gè)頻段均使用 DSSS(Direct Sequence Spread