【正文】 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。這些應用不需要很高的數(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 網絡的維護成本。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。 ZigBee 協(xié)議應用前景 ZigBee 協(xié)議特別適合數(shù)據(jù)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。 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。 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。 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。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。 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。 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。而且 MAC 層采用了完全確認的數(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。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 。 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。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。 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。 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(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)。 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)。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。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。 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。 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。 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。 標準定義了最下面 的兩層：物理層和 MAC。 ZigBee的協(xié)議架構大致如表 所列。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、農業(yè)自動化和醫(yī)用設備控制等。 規(guī)范是一種經濟、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 應用層和網絡層協(xié)議的基礎。 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)調實現(xiàn)通信。 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。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。 第四章和第三章相對應的，主要講了硬件平臺的驅動程序以及 PC 機端串行口調試工具的開發(fā)，并簡單介紹了相應的軟件開發(fā)工具。 第二章介紹 ZigBee 協(xié)議的詳細內容和一種基于 ZigBee 協(xié)議的芯片。 ，開發(fā)出了相應的驅動程序。 本論文的研究內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。 論文的研究內容 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。 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。 雖然目前 IRDA 技術發(fā)展已經很成熟，而且有很多公司的產品都支持這種協(xié)議。 IRDA 技術有以下特點： （ 1）它是目前在世界范圍內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換實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)。由于紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，所以更適合應用在需要短距離無線通訊的場合，進行點對點的直線數(shù)據(jù)傳輸， 傳輸速率最快可達 16Mbps。 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第一章 緒論 4 ZigBee 協(xié)議的技術特點和應用前景將在下一章詳細敘述。其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。 3 ZigBee [1][7] Zigbee 是一種短距離、低功耗的無線通信技術名稱。 UWB 有可能在 10m 范圍內，支持高達 110Mb／ s 的數(shù)據(jù)傳輸率，不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡單、經濟地完成視頻數(shù)據(jù)處理。直到 2002 年2 月 14 日，美國聯(lián)邦通信委員會才準許該技術進入民用領域。除此之外，這種新技術適用于對速率要求非常高（大于 100Mb／ s）的 LAN(Local Area Net，本地局域網 )s或 PANs。 UWB 被允許在 3． 1～ 10． 6GHz 的波段內工作。窄脈沖（小于 1ns）產生極大帶寬的信號。 2 超寬帶技術 UWB（ Ultra Wide band） [6] 超寬帶技術 UWB（ Ultra Wide band）是另一個新發(fā)展起來的無線通信技術。目前主流的軟件和硬件平臺均不提供對藍牙的支持，這使得藍牙的應用成本升高，普及難度增大。 但是藍牙的傳輸距離比較短，而且藍牙是一種還沒有完全成熟的技術，盡管被描述得前景誘人，但還有待于實際使用的嚴格檢驗。 藍牙協(xié)議有以下技術特點： 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第一章 緒論 3 （ 1）藍牙工作在全球開放的 ISM 頻段； （ 2）使用跳頻頻譜擴展技術，把頻帶分成若干個跳頻信道 （ hop channel） ，在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個信道跳到另一個信道； （ 3）一臺藍牙設備可同時與其它七臺藍牙設備建立連接； （ 4）數(shù)據(jù)傳輸速率可達 1Mbit/s； （ 5）低功耗、通訊安全性好； （ 6）在有效范圍內可越過障礙物進行連接，沒有特別的通訊視角和方向要求； （ 7）支持語音傳輸； （ 8）組網簡單方便 正是由于藍牙協(xié)議有以上特點，藍牙產品涉及 PC、筆記本電腦、移動電話等信息設備和 A／ V設備、汽車電子、家用電器和 工業(yè)設備領域。 2 外圍設備互連 是指將各種設備通過藍牙鏈路連接到主機上。今后，市場上不同廠商的藍牙產品將能夠相互聯(lián)通。在此范圍內，采用藍牙技術的多臺設備，如手機、微機、激光打印機等能夠無線互聯(lián)，以約 1Mb／ s的速率相互傳遞數(shù)據(jù)，并能方便地接 入互聯(lián)網。由于本系統(tǒng)要求傳輸距離有限，而且對成本有限制，因此長距離無線通信協(xié)議不在考慮的范圍之內，下面就重點闡述幾種常見的短距離無線通信協(xié)議： 1 藍牙 [5] 愛立信在 1994 年開始研究一種能使手機與其附件（如耳機）之間互相通信的無線模塊， 4 年后，愛立信、諾基亞、 IBM 等公司共同推出了藍牙技術，主要用于通信和信息設備的無線連接。 無線通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀 按照發(fā)射功率的不同，無線通信技術可分為短距離無線通信技術和長距離無線通信技術，它們各自依托的硬件平臺和通信協(xié)議也有很大不同。同時，芯片的價格，體積和能耗進一步降低，這些都使 無線電子點菜 系統(tǒng)向移動化和大眾化方向發(fā)展。 無線電子點菜系統(tǒng) 基于目前很熱門的技術 —— 嵌入式技術 [3]，依托一定的硬件平臺。 由于 使用無線技術通信，可以不用進行復雜的布線，這也大大降低了餐館的建設成本，減少了對線路維護的開支。 無線電子點菜系統(tǒng)的目的就是利用最先進的 無線通信技術、嵌入式移動數(shù)據(jù)庫技術 [3][4]、以及觸摸屏的掌上電腦技術 , 為餐飲業(yè)走向全面數(shù)字化提供了完整的解決方案。近些年來， 隨著人民生活水平 的提高 和生活方式的轉變，餐飲業(yè)具有巨大的投資市場，被稱為中國的黃金產業(yè)。其 DuoCeiverTM 技術使 nRF2401 可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。像 Nordic 公司的 NRF2401 芯片，它是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 ～ ISM（ Industry Science medicine，工業(yè)、科學、醫(yī)學） 頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。目前國際上有很多專門生產射頻芯片的公司，例如 Nordic 公司和 Chipcon 公司。 雖然微電子的發(fā)展歷史已經有半個多世紀，但是射頻芯片 [1][2]的發(fā)展卻是近幾年的事。 隨著集程度的提高，芯片的體積能耗和成本在逐步降低。 現(xiàn)代的無線通信技術是建立在硬件電路的基礎上的，因此微電子技術 [2]的發(fā)展直接制約著無線通信技術的發(fā)展。但這時候的無線通信技術還只是處于萌芽階段，只有到 19 世紀末意大利人馬可尼發(fā)明無線電報開始，人類才真正開始大規(guī)模地利用無線通信技術 [1]。 為了使整個系統(tǒng)更加完善，用 Visual C++ 開發(fā)了串口調試工具，實現(xiàn)了將遠端數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機并以窗口形式顯示和通過窗口形 式將計算機上的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠端，基本達到了論文的設計目的。設計的硬件平臺時，首先詳細介紹了 平臺將要用到的一些芯片，然后使用 Protel 99 SE 設計出了系統(tǒng)的原理圖和 PCB(Print Circuit Broad,印刷電路板 )圖 ；在設計的硬件平臺的基礎上，依據(jù)所用芯片的編程原則，在 Windows 環(huán)境下，以 C51 語言為編程語言，開發(fā)出了無線通信系統(tǒng)的驅動程序來實現(xiàn)雙方約定的通信協(xié)議。 論文給出了無線電子點菜系統(tǒng)的完整的硬件平臺的設計和實現(xiàn)方案。 本科生畢業(yè)論文（設計） 題 目 基于單片機無線電子點菜系統(tǒng)硬件設計及實現(xiàn) 學生姓名 指導教師 學 院 專業(yè)班級 完成時間 II 目 錄 摘 要 ............................................................... IV ABSTRACT .............................................................. V 第一章 緒論 ........................................................... 1 研究背景和意義 ................................................. 1 論文的研究內容 ................................................. 4 內容安排 .......................................