【正文】 ，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r(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。 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 Spectrum， 直接序列擴(kuò)頻技術(shù) )[13]，以化整為零方式將一個(gè)信號分為多個(gè)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(shí)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(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。 相比于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)， ZigBee 協(xié)議套件緊湊而簡單，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。 本論文的研究內(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)。 論文的研究內(nèi)容 無線電子點(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線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺(tái)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(zhuǎn)換實(shí)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(yīng)用在需要短距離無線通訊的場合，進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的直線數(shù)據(jù) 傳輸，傳輸速率最快可達(dá) 16Mbps。 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) 第一章 緒論 4 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、簡單、經(jīng)濟(jì)地完成視頻數(shù)據(jù)處理。直到 2021 年2 月 14 日，美國聯(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。 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)展起來的無線通信技術(shù)。目前主流的軟件和硬件平臺(tái)均不提供對藍(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)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第一章 緒論 3 （ 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）支持語音傳輸； （ 8）組網(wǎng)簡單方便 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)備通過藍(lán)牙鏈路連接到主機(jī)上。今后，市場上不同廠商的藍(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(nèi)，下面就重點(diǎn)闡述幾種常見的短距離無線通信協(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)備的無線連接。 無線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 按照發(fā)射功率的不同，無線通信技術(shù)可分為短距離無線通信技術(shù)和長距離無線通信技術(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 無線電子點(diǎn)菜 系統(tǒng)向移動(dòng)化和大眾化方向發(fā)展。 無線電子點(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，減少了對線路維護(hù)的開支。 無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)的目的就是利用最先進(jìn)的 無線通信技術(shù)、嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫技術(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， 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，被稱為中國的黃金產(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程序進(jìn)行配置。目前國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)展直接制約著無線通信技術(shù)的發(fā)展。但這時(shí)候的無線通信技術(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)明無線電報(bào)開始，人類才真正開始大規(guī)模地利用無線通信技術(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 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 語言為編程語言，開發(fā)出了無線通信系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)雙方約定的通信協(xié)議。 論文給出了無線電子點(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。 中南大學(xué) 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 基于單片機(jī)無線電子點(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 完成時(shí)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(nèi)容 ................................................. 4 內(nèi)容安排 .......................................................