【正文】 于微波而低于可見光，是一種人的眼睛看不到的光線。IRDA 將紅外數(shù)據(jù)通訊所采用的光波波長的范圍限定在 850nm至 900nm 之內(nèi)。（3）主要是用來取代點對點的線纜連接；（4）新的通訊標(biāo)準(zhǔn)兼容早期的通訊標(biāo)準(zhǔn)；（5）小角度（30 度錐角以內(nèi)） ，短距離，點對點直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強（6） 傳輸速率較高，目前 4M 速率的 FIR 技術(shù)已被廣泛使用，16M 速率的 VFIR技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。但是由于紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，所以它只能用于視距傳輸，傳輸距離比較短，因此也不適合本系統(tǒng)的技術(shù)要求。而且目前支持 ZigBee 協(xié)議的廠商比較多，技術(shù)發(fā)展也很成熟，可以作成低成本的嵌入式產(chǎn)品。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)按照一定的格式編碼，然后調(diào)制到一約定的頻率后發(fā)送；接受端將接收到的信號經(jīng)過解調(diào)和解碼后，將數(shù)據(jù)還原。并詳細(xì)分析了平臺組成部分各自的原理以及功能?；趩纹瑱C的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第一章 緒論4 內(nèi)容安排 本文對無線電子電菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計進行了深入的研究，全文共分為五章，各章節(jié)的內(nèi)容安排如下： 第一章介紹了本文的研究背景和各章節(jié)的內(nèi)容安排情況。 第三章在上一章的基礎(chǔ)上提出了自己的硬件平臺，詳細(xì)介紹了平臺的組成部分和各自的功能。第五章是總結(jié)與展望?；趩纹瑱C的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析5第二章 ZigBee [7]協(xié)議分析ZigBee 協(xié)議是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在 IEEE 方面，2020 年 12 月IEEE 成立了 小組，負(fù)責(zé)制訂 MAC（Media Access Control,媒體存取控制層）與物理層規(guī)范， 2020 年 5 月通過 標(biāo)準(zhǔn)；在 ZigBee 聯(lián)盟方面，ZigBee[7]聯(lián)盟是在 2020 年 10 月由 Honeywell、Mitsubishi、Motorola、Philips與 Invensys 共同成立，ZigBee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)制訂網(wǎng)路層、安全管理、應(yīng)用界面規(guī)范，其次也肩負(fù)互通測試，目前 ZigBee 聯(lián)盟已推出第 版規(guī)范(Version )，成員已達 150 多個。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。 相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee 技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)，同時由于 ZigBee 技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點，也決定了 ZigBee 技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。 ZigBee 協(xié)議框架 ZigBee 協(xié)議同其它網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議一樣采用分層模型，對各層所實現(xiàn)的功能和在整個協(xié)議中起的作用做了明確的劃分，每層為其上層提供一組特定的服務(wù)。 表 ZigBee 的協(xié)議架構(gòu)第四層 應(yīng)用層第三層 網(wǎng)絡(luò)層第二層 媒體訪問層（MAC）第一層 物理層 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析6ZigBee 協(xié)議雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的七層 OSI（Open System Interconnect，開放式系統(tǒng)互聯(lián)）模型 [10]，但僅對那些涉及 ZigBee 的層予以定義。ZigBee 聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架的協(xié)議。以下是 ZigBee 協(xié)議套件的需求估計：硬件需要 8 位處理器，如廣泛使用的80C51 系列單片機 [12]；軟件需要 32KB 的 ROM（Read Only Memory，只讀存儲器） ，最小軟件需要 4KB 的 ROM；網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點需要更多的 ROM 以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的設(shè)備信息，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表，設(shè)備關(guān)聯(lián)表，與安全有關(guān)的密鑰存儲等。各個頻段可以使用的信道數(shù)目分別為11，各自提供 250kbps,40kbps 和 20kbps 的傳輸速率，其傳輸范圍介于 10100 米之間。2 媒體訪問層 標(biāo)準(zhǔn)在媒體訪問層（MAC）方面，主要沿用無線局域網(wǎng) WLAN 中 系列標(biāo)準(zhǔn)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。3 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)功能是 ZigBee 協(xié)議的重要特點，也是與其他無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同的地方。在網(wǎng)絡(luò)層中 ZigBee 協(xié)議定義了三種角色：第一個是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立以及網(wǎng)絡(luò)位置的分配；第二個是路由器，主要負(fù)責(zé)找尋建立以及修復(fù)信息包的路由路徑，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息包；第三個是末端裝置，只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，可以收發(fā)信息包，但是不能轉(zhuǎn)發(fā)，不具備路由的功能。在組網(wǎng)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(wǎng)，它需要一個能負(fù)責(zé)管理和維護網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和不超過 65535 個從屬裝置；其二為簇形網(wǎng)絡(luò)，它可以是擴展的單個星形網(wǎng)或者互連多個星形網(wǎng)絡(luò)；其三為網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh） ，網(wǎng)絡(luò)中的每個 FFD 可以做為路由器，根據(jù) AD hoc 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議來優(yōu)化基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析7最短和最可靠的路徑。ZigBee 的應(yīng)用層架構(gòu)最重要的是已經(jīng)覆蓋了服務(wù)的觀念。而裝置應(yīng)用行規(guī)則是根據(jù)不同的產(chǎn)品設(shè)計出的不同的描述信息，以及 ZigBee 各層協(xié)議的參數(shù)設(shè)定。另外 ZigBee 聯(lián)盟也負(fù)責(zé) ZigBee 產(chǎn)品互通性測試與認(rèn)證規(guī)則的制定，讓開發(fā)ZigBee 產(chǎn)品的廠商有一個公開的場合，能夠互相測試互通性。只有通過第三級認(rèn)證的產(chǎn)品才能貼上 ZigBee 的標(biāo)志，所以也稱作 ZigBee 注冊認(rèn)證。 ZigBee 協(xié)議的優(yōu)點 功耗低：由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)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(dāng)不傳送數(shù)據(jù)時處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時由 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)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。數(shù)據(jù)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(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多 65536 個從設(shè)備和一個主設(shè)備 [14]，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多 100 個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備搜索時延典型值為 30ms，休眠激活時延典型值為 15ms，活動設(shè)備信道接入時延為 15ms。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用 CSMACA 方式進行信道存取。 安全性：Zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用 AES128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性，是網(wǎng)絡(luò)安全得到有效的保障。 協(xié)議套件緊湊而簡單：其具體實現(xiàn)的要求很低。 ZigBee 協(xié)議存在的問題及解決方案 標(biāo)準(zhǔn)是 ZigBee 協(xié)議的基礎(chǔ)，用它實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集，主要有以下兩個問題： 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(shù)據(jù)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(shè)計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析9 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(shù)據(jù)發(fā)送量是很低的。例如，對于平穩(wěn)狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，這樣就大大減少了數(shù)據(jù)的通信量。消費類電子產(chǎn)品和家庭智能化將是 ZigBee 技術(shù)最有潛力的市場，家庭可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備包括電視，錄象機，PC 外設(shè)，兒童玩具，游戲機，門禁系統(tǒng)，窗戶和窗簾，照明設(shè)備，空調(diào)設(shè)備和其他家用電器等。在工業(yè)控制領(lǐng)域，利用傳感器和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，可是數(shù)據(jù)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(xué)成分的檢測，火警的早期檢測和預(yù)報，高速旋轉(zhuǎn)機器的檢測和維護。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用傳感器和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以準(zhǔn)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(yīng)，減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，特別適合對重，危病患者的監(jiān)護和治療。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(jié)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(wù)品質(zhì)等，為餐飲行業(yè)帶來嶄新的管理理念與服務(wù)手段,優(yōu)化業(yè)務(wù)流程,為客戶提供更好的服務(wù),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(biāo)志。目前，ZigBee 已經(jīng)吸引了上百家芯片研發(fā)公司和無線設(shè)備制造公司，并且不斷有新的公司加盟這一聯(lián)盟。例如挪威的 Nordic 公司的 nRF 系列芯片，還有 Chipcon 公司的無線數(shù)據(jù)傳輸芯片等。 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。它采用 SOC 方法設(shè)計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。更重要的是，nRF2401 比藍牙產(chǎn)品更便宜。nRF2401 的引腳排列如圖 （頂視圖）所示。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(shù)據(jù)吞吐量； (3)外圍元件極少，只需一個晶振和一個電阻即可設(shè)計射頻電路； (4)發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)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(shè)計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析11(7)芯片內(nèi)部設(shè)置有專門的穩(wěn)壓電路，因此，使用任何電源（包括 DC/DC 開關(guān)電源）均有很好的通信效果； (8)每個芯片均可以通過軟件設(shè)置最多 40bit 地址，而且只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供一個中斷指示），同時編程也很方便； (9)內(nèi)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(shù)可同時接收兩個 nRF2401 的數(shù)據(jù)； (11)采用 ShockBurst TM 模式時，能適用極低的功率操作和不嚴(yán)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(shù)據(jù)時隙和數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)功能。 圖 nRF2401 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及外部組成框圖1 ShockBurst TM[16]模式 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析12 nRF2401 的 ShockBurst TM 模式采用片上 FIFO(FirstIn FirstOut，先進先)出來進行低數(shù)據(jù)率的時鐘同步和高數(shù)據(jù)率的傳輸，因此極大的降低了功耗。當(dāng) MCU請求發(fā)送數(shù)據(jù)時，置 CE 為高電平，此時的接收機地址和有效載荷數(shù)據(jù)作為 nRF2401的內(nèi)部時鐘，可用請求協(xié)議或 MCU 將速率調(diào)至 1Mbps；置 CE 為低電平可激活ShockBurst TM 發(fā)射。當(dāng)正確設(shè)置射頻包輸入載荷的地址和大小后，置 CE 為高電平可激活 RX。若 CE 置低電平，則開始接收新的序列nRF2401 的 DuoCeiver TM [17]技術(shù)為 RX 提供了兩個獨立的專用數(shù)字信道，因而可代替兩個單獨接收系統(tǒng)。 nRF2401 可以通過一個天線接口從相隔 8MHZ 的兩 1Mbps 接收機上接收數(shù)據(jù)。具體的兩個信道如下: 圖 DuoCeiver TM 同時雙接收信道 結(jié)構(gòu)圖數(shù)字信道１:CLK1,DATA,DR1； 數(shù)字信道２:CLK2,DOUT2,DR2； 應(yīng)當(dāng)說明的是,數(shù)字信道 2 的頻率只有在比數(shù)字信道 1 的頻率高出 8MHZ 時，才能保證正常接收。 STC89C58RD+[10]單片機概述STC89C58RD+系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾，高速，低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機，12 時鐘/機器周期和 6 時鐘/機器周期可任意選擇。2. 工作電壓： （5V 單片機）3. 工作頻率范圍：0 40 MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～率可達 48MHz.4. 用戶應(yīng)用程序空間 32K 字節(jié)5. 片上集成 1280 字節(jié) RAM（Random Access Memory，隨機存儲器） 。7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程） ，無需專用編程器/ 仿真器 可通過串口（）直接下載用戶程序，8K 程序 3 秒即可完成一片8. EEPROM 功能9. 看門狗 3 個 16 位定時器/計數(shù)器，其中定時器 0 還可以當(dāng)成 2 個 8 位定時器使用 4 路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒12. 通用 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter ，通用串行接口） ，還可用定時器軟件實現(xiàn)