【正文】 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(guò) 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(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(lái)越高。2．3 基于 ZigBee 協(xié)議的芯片 [1][4][5]2020 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(wú)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飛利浦等國(guó)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(zhǎng)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(wú)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(guò)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(wú)縫集成。 時(shí)延小：針對(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(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(guò)來(lái)的，經(jīng)過(guò)近幾年來(lái) 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(wú)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(lái)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(wú)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(guò) 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(guò)這個(gè)綁定表來(lái)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(jiǎn)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(jiǎn)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 Spectrum，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)) [13]，以化整為零方式將一個(gè)信號(hào)分為多個(gè)信號(hào)，再經(jīng)由編碼方式傳送信號(hào)以避免干擾，這對(duì)大部分較低端的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，直接序列的應(yīng)用可以使模擬電路更加簡(jiǎn)單，具有更高的容錯(cuò)性能。1 物理層 標(biāo)準(zhǔn)在物理層設(shè)計(jì)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(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee 協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單，具體實(shí)現(xiàn)的要求很低。 標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層和 MAC。ZigBee 的協(xié)議架構(gòu)大致如表 所列。所以 ZigBee 聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等。 規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(250 kbps)、工作在 GHz 和 868/915 MHz 的無(wú)線技術(shù)，它是 ZigBee 應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。 ZigBee 協(xié)議依據(jù) 標(biāo)準(zhǔn) [8][9]，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。 在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂方面，主要是 IEEE 小組與 ZigBee Alliance 兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬體與軟體標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)本文工作進(jìn)行了總結(jié)，并探討可以進(jìn)一步深入研究的方向。 第四章和第三章相對(duì)應(yīng)的，主要講了硬件平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序以及 PC 機(jī)端串行口調(diào)試工具的開發(fā)，并簡(jiǎn)單介紹了相應(yīng)的軟件開發(fā)工具。 第二章介紹 ZigBee 協(xié)議的詳細(xì)內(nèi)容和一種基于 ZigBee 協(xié)議的芯片。，開發(fā)出了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。本論文的研究?jī)?nèi)容主要有兩部分組成：，在此基礎(chǔ)上，提出了基于 ZigBee 協(xié)議的硬件平臺(tái)。 論文的研究?jī)?nèi)容無(wú)線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是建立在硬件電路的基礎(chǔ)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(gè)短距離無(wú)線通信協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)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(shù)發(fā)展已經(jīng)很成熟，而且有很多公司的產(chǎn)品都支持這種協(xié)議。IRDA 技術(shù)有以下特點(diǎn)：（1）它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無(wú)線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺(tái)所支持；（2）通過(guò)數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無(wú)線的數(shù)據(jù)收發(fā)。由于紅外線的波長(zhǎng)較短，對(duì)障礙物的衍射能力差，所以更適合應(yīng)用在需要短距離無(wú)線通訊的場(chǎng)合，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直線數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率最快可達(dá) 16Mbps。ZigBee 協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用前景將在下一章詳細(xì)敘述。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)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(wú)線通信技術(shù)名稱。UWB 有可能在 10m 范圍內(nèi)，支持高達(dá) 110Mb／s 的數(shù)據(jù)傳輸率，不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)地完成視頻數(shù)據(jù)處理。直到 2020年 2 月 14 日，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)才準(zhǔn)許該技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域。除此之外，這種新技術(shù)適用于對(duì)速率要求非常高（大于 100Mb／s）的 LAN(Local Area Net，本地局域網(wǎng)) s 或 PANs。UWB 被允許在 3．1～10．6GHz 的波段內(nèi)工作。窄脈沖（小于 1ns）產(chǎn)生極大帶寬的信號(hào)。2 超寬帶技術(shù) UWB（Ultra Wide band） [6]超寬帶技術(shù) UWB（Ultra Wide band）是另一個(gè)新發(fā)展起來(lái)的無(wú)線通信技術(shù)。目前主流的軟件和硬件平臺(tái)均不提供對(duì)藍(lán)牙的支持，這使得藍(lán)牙的應(yīng)用成本升高，普及難度增大。但是藍(lán)牙的傳輸距離比較短，而且藍(lán)牙是一種還沒有完全成熟的技術(shù)，盡管被描述得前景誘人，但還有待于實(shí)際使用的嚴(yán)格檢驗(yàn)。 藍(lán)牙協(xié)議有以下技術(shù)特點(diǎn)：基于單片機(jī)的無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第一章 緒論2（1）藍(lán)牙工作在全球開放的 ISM 頻段； （2）使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)，把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道（hop channel） ，在一次連接中，無(wú)線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個(gè)信道跳到另一個(gè)信道；（3）一臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與其它七臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備建立連接；（4）數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 1Mbit/s； （5）低功耗、通訊安全性好； （6）在有效范圍內(nèi)可越過(guò)障礙物進(jìn)行連接，沒有特別的通訊視角和方向要求； （7）支持語(yǔ)音傳輸； （8）組網(wǎng)簡(jiǎn)單方便正是由于藍(lán)牙協(xié)議有以上特點(diǎn)，藍(lán)牙產(chǎn)品涉及 PC、筆記本電腦、移動(dòng)電話等信息設(shè)備和 A／V 設(shè)備、汽車電子、家用電器和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。2 外圍設(shè)備互連　是指將各種設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙鏈路連接到主機(jī)上。今后，市場(chǎng)上不同廠商的藍(lán)牙產(chǎn)品將能夠相互聯(lián)通。在此范圍內(nèi)，采用藍(lán)牙技術(shù)的多臺(tái)設(shè)備，如手機(jī)、微機(jī)、激光打印機(jī)等能夠無(wú)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(wǎng)。由于本系統(tǒng)要求傳輸距離有限，而且對(duì)成本有限制，因此長(zhǎng)距離無(wú)線通信協(xié)議不在考慮的范圍之內(nèi)，下面就重點(diǎn)闡述幾種常見的短距離無(wú)線通信協(xié)議：1 藍(lán)牙 [5]愛立信在 1994 年開始研究一種能使手機(jī)與其附件（如耳機(jī)）之間互相通信的無(wú)線模塊，4 年后，愛立信、諾基亞、IBM 等公司共同推出了藍(lán)牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無(wú)線連接。 無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 按照發(fā)射功率的不同，無(wú)線通信技術(shù)可分為短距離無(wú)線通信技術(shù)和長(zhǎng)距離無(wú)線通信技術(shù)，它們各自依托的硬件平臺(tái)和通信協(xié)議也有很大不同。同時(shí)，芯片的價(jià)格，體積和能耗進(jìn)一步降低，這些都使無(wú)線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)向移動(dòng)化和大眾化方向發(fā)展。無(wú)線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)基于目前很熱門的技術(shù)——嵌入式技術(shù) [3]，依托一定的硬件平臺(tái)。由于使用無(wú)線技術(shù)通信，可以不用進(jìn)行復(fù)雜的布線，這也大大降低了餐館的建設(shè)成本，減少了對(duì)線路維護(hù)的開支。無(wú)線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)的目的就是利用最先進(jìn)的 無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) [3][4]、以及觸摸屏的掌上電腦技術(shù), 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(lái)，隨著人民生活水平的提高和生活方式的轉(zhuǎn)變，餐飲業(yè)具有巨大的投資市場(chǎng)，被稱為中國(guó)的黃金產(chǎn)業(yè)。其 DuoCeiverTM 技術(shù)使 nRF2401 可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)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(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。目前國(guó)際上有很多專門生產(chǎn)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(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)，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(wú)線通信技術(shù)是建立在硬件電路的基礎(chǔ)上的，因此微電子技術(shù) [2]的發(fā)展直接制約著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展。但這時(shí)候的無(wú)線通信技術(shù)還只是處于萌芽階段，只有到 19 世紀(jì)末意大利人馬可尼發(fā)明無(wú)線電報(bào)開始，人類才真正開始大規(guī)模地利用無(wú)線通信技術(shù) [1]。為了使整個(gè)系統(tǒng)更加完善，用 Visual C++ 開發(fā)了串口調(diào)試工具，實(shí)現(xiàn)了將遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)并以窗口形式顯示和通過(guò)窗口形式將計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端，基本達(dá)到了論文的設(shè)計(jì)目的。設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)時(shí)，首先詳細(xì)介紹了平臺(tái)將要用到的一些芯片，然后使用 Protel 99 SE 設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)的原理圖和 PCB(Print Circuit Broad,印刷電路板) 圖；在設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，依據(jù)所用芯片的編程原則，在 Windows環(huán)境下，以 C51 語(yǔ)言為編程語(yǔ)言，開發(fā)出了無(wú)線通信系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)雙方約定的通信協(xié)議。論文給出了無(wú)線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)的完整的硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目基于單片機(jī)無(wú)線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師學(xué) 院專業(yè)班級(jí)完成時(shí)間II目 錄摘 要 ................................................................IVABSTRACT ...............................................................V第一章 緒論 ............................................................1 研究背景和意義 ..................................................1 論文的研究?jī)?nèi)容 ..................................................4 內(nèi)容安排 .........................