基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现毕业论文设计(编辑修改稿)

基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

软件需要 32KB 的 ROM（ Read Only Memory，只读存储器），最小软件需要 4KB 的 ROM；网络主节点需要更多的 ROM 以容纳网络内所有节点的设备信息，数据包转发表，设备关联表，与安全有关的密钥存储等。 1 物理层 标准在物理层设计中面向低成本和更高层次 的集成需求，才用的工作频段分别为 GHz 和 868/915 MHz。 各个频段可以使用的信道数目分别为 1 1，各自提供 250kbps,40kbps 和 20kbps 的传输速率，其传输范围介于 10100米之间。 为了避免干扰，在各个频段均使用 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum， 直接序列扩频技术 )[13]，以化整为零方式将一个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号以避免干扰，这对大部分较低端的实现来说，直接序列的应用可以使模拟电路更加简单，具有更高的容错性能。 2 媒体访问层 标准在媒体访问层（ MAC）方面，主要沿用无线局域网 WLAN 中 系列标准的 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，载波监听多路访问与冲突避免 )方式以提高系统的兼容性。 这种 MAC 层的设计不但是多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可以实现非常有效的功耗控制。 3 网络层 网络功能是 ZigBee 协议的重要特点，也是与其他无线局域网标准不同的地方。 在网络层方面其主要工作在于负责网络机制的建 立与管理，并且具有自我组态与自我修复功能。 在网络层中 ZigBee 协议定义了三种角色：第一个是网络协调器，负责网络的建立以及网络位置的分配；第二个是路由器，主要负责找寻建立以及修复信息包的路由路径，并负责转发信息包；第三个是末端装置，只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息包，但是不能转发，不具备路由的功能。 通常，路由器和网络协调器由全功能装置（ FFD）实现，而末端装置由简化功能装置（ RFD）实现。 在组网方式上， ZigBee 主要采用图 所示三种方式：其一为主从方式的星形网，它需要一个能负责管理和维护网 络的网络协调器和不超过 65535 个从属装置；其二为簇形网络，它可以是扩展的单个星形网或者互连多个星形网络；其三为网状网（ Mesh） ，网络中的每个 FFD 可以做为路由器，根据 AD hoc 网络路由协议来优化最基于单片机的无线点菜系统的硬件设计及实现 第二章 ZigBee 协议分析 8 短和最可靠的路径。 图 三种网络拓扑结构 4 应用层 对于应用层，主要有三个部分：与网络层相连的应用支持（ APS）， ZigBee 设备对象（ ZDO）以及装置应用行规。 ZigBee 的应用层架构最重要的是已经覆盖了服务的观念。 对于 ZigBee 装置而言，当加入到一个 WPAN（ Wireless Personal Area Net， 个人无线局域网）后，应用层的 ZMO 会发起一系列的初始化动作，先通过 APS 进行装置收寻以及服务收寻后，然后根据事先定义好的描述信息，将与其相关的装置或是服务记录在 APS 里的绑定表中；之后所有服务的使用，都要通过这个绑定表来查询资料的服务或者行规。 而装置应用行规则是根据不同的产品设计出的不同的描述信息，以及 ZigBee 各层协议的参数设定。 5 安全层 安全层并非单独独立的协议， ZigBee 为其提供了一套基于 128 位 AES 算法的安全类和软件，并且集成了 标准的安全元素，用来保证 MAC 层祯的机密性，一致性和真实性。 另外 ZigBee 联盟也负责 ZigBee 产品互通性测试与认证规则的制定，让开发ZigBee 产品的厂商有一个公开的场合，能够互相测试互通性。 而在认证部分， ZigBee联盟一共定义了三种层次的认证，第一级认证物理层和 MAC，与芯片厂有着最直接的关系；第二级认证 ZigBee 协议栈；第三级认证 ZigBee 产品。 只有通过第三级认证的产品才能贴上 ZigBee 的标志，所以也称作 ZigBee 注册认证。 ZigBee 协议优缺点和应用前景 ZigBee 协议是从 WLAN 发展过来的，经过近几年来 ZigBee 联盟成员 [7]对标准的不断修改和完善，已经显示出了强大的生命力，但是本身还有一些缺点，这也限制基于单片机的无线点菜系统的硬件设计及实现 第二章 ZigBee 协议分析 9 了 ZigBee 协议的使用范围。 ZigBee 协议的优点 功耗低：由于 ZigBee 网络节点设备工作周期较短、收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式（当不传送数据时处于休眠状态，当需要接收数据时由 ZigBee 网络中的协调器设备负责唤醒它们），可以确保两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。 避免了频繁更换电池或者充电，从而减轻了网络维 护的负担。 数据传输可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。 而且 MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，从而从根本上确保了数据传输的可靠性，最大限度地降低信息损失的概率。 网络容量大：一个 Zigbee 网络可以容纳最多 65536 个从设备和一个主设备 [14]，一个区域内可以同时存在最多 100 个 Zigbee 网络。 时延小：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。 设备搜索时延 典型值为 30ms，休眠激活时延典型值为 15ms，活动设备信道接入时延为 15ms。 表 Zigbee 与蓝牙协议时延比较 设备收索时延典型值（ ms） 休眠激活时延典型值 (ms) 活动设备信道接入时延 (ms) ZigBee 技术 30 15 15 蓝牙技术 =3000 3000 2 兼容性：与现有的控制网络标准无缝集成。 通过网络协调器 (Coordinator)自动建立网络，采用 CSMACA 方式进行信道存取。 为了可靠传递，提供全握手协议。 安全性： Zigbee 提供了数据完整性检查和鉴权功能， 加密算法采用 AES128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性，是网络安全得到有效的保障。 实现成本低：模块的初始成本估计在 6美元左右，很快就能降到 ~ 美元，且 Zigbee 协议是免专利费的。 协议套件紧凑而简单：其具体实现的要求很低。 Zigbee 协议套件的需求估计： 8位微处理器，如 80C51[10]；全协议套件软件需要 32K 字节的 ROM；最小协议套件软件大约 4K 字节的 ROM。 ZigBee 协议存在的问题及解决方案 标准是 ZigBee 协议的基础，用它实现无线数据采集， 主要有以下两个问题： 网络内传感器节点时钟需要同步，监控系统的多传感器信息融合时，上位机需要知道每个原始数据是何时采集的，采样的触发要求每个节点有统一的时钟； 基于单片机的无线点菜系统的硬件设计及实现 第二章 ZigBee 协议分析 10 其通信速率较低，而且又受到接口通信速率的限制，加之受纠错码的编码效率影响，真正的数据发送量是很低的。 解决此问题可以通过如下的途径： 传感器节点采用 DSP 处理器，尽可能在传感器节点一级多做些数据处理工作，尽量减少原始数据的发送量，只发送有用信息。 例如，对于平稳状态的原始数据可以不发送到上位机中，只发送可疑状态前后的原始数据，这样就大大 减少了数据的通信量。 ZigBee 协议应用前景 ZigBee 协议特别适合数据吞吐量小，网络建设投资少，网络安全要求较高，不便频繁更换电池或者充电的场合，预计将在消费类电子设备，家庭智能化，工业控制，医疗设备控制，农业自动化和无线点菜系统等领域获得广泛的应用。 消费类电子产品和家庭智能化将是 ZigBee 技术最有潜力的市场，家庭可以联网的设备包括电视，录象机， PC外设，儿童玩具，游戏机，门禁系统，窗户和窗帘，照明设备，空调设备和其他家用电器等。 家用设备引进 ZigBee 协议后将极大改善人们的居住环境和 舒适度。 在工业控制领域，利用传感器和 ZigBee 网络，可是数据的自动采集，分析和处理变得更加容易；可以作为决策辅助系统的重要组成部分，例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护。 这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在于低功耗，可最大限度地延长电池的寿命，减少 ZigBee 网络的维护成本。 在医学领域，利用传感器和 ZigBee 网络可以准确，实时地监测每个病人的血压，心率等情况，有助于医生快速做出反应，减少医生查房的工作负担，特别适合对重，危病患者的监护和治疗。 在现 代农业中，利用传感器可以将土壤温度，氮浓度， PH 值，降水量，气温，气压和采集信息的地理位置经由 ZigBee 网络传送到中央的控制部分，使农民能及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量，减少发生灾害的概率。 本系统是将 ZigBee 协议用于餐馆的无线点菜系统， 这样 能够提高餐馆档次、提高效率、自动结账、避免人为错误、避免跑单、实时监控餐馆状况、提供各种各样统计信息、精简人手、管理库存、提高服务品质等，为餐饮行业带来崭新的管理理念与服务手段 ,优化业务流程 ,为客户提供更好的服务 ,实现企业价值最大化同时又 使成本最低化 ,是餐饮行业向信息化发展的一个重要标志。 2． 3 基于 ZigBee 协议的芯片 [1][4][5] 20xx 年 8 月 ZigBee 联盟成立时 Honeywell， Invensys,三菱电器，摩托罗拉和飞利浦等国际上知名的大公司就是 ZigBee 协议的支持者。 目前， ZigBee 已经吸引了基于单片机的无线点菜系统的硬件设计及实现 第二章 ZigBee 协议分析 11 上百家芯片研发公司和无线设备制造公司，并且不断有新的公司加盟这一联盟。 现在国际上有很多公司生产基于 ZigBee 协议的芯片，芯片的集成度也越来越高。 例如挪威的 Nordic 公司的 nRF 系列芯片，还有 Chipcon 公司的无线数据传输芯 片等。 各个公司的芯片原理基本相同，编程规则大致相同，因此选用 Nordic 公司的 nRF2401，下面详细叙述一下 nRF2401 芯片的特点。 nRF2401 无线收发一体芯片和蓝牙一样，都工作在 自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。 nRF2401 支持多点间通信，最高传输速率超过 1Mbit/s，而且比蓝牙具有更高的传输速度。 它采用 SOC 方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。 与蓝牙不同的是， nRF2401 没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。 更重要的是， nRF2401 比蓝牙产品更便宜。 所以 nRF2401是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。 nRF2401 的引脚排列如图 （顶视图）所示。 它采用 5mm 5mm 的 24引脚 QFN封装。 nRF2401 的主要特点如下： 图 nRF2401 的引脚排列 (1)采用全球开放的 频段，有 125 个频道，可满足多频及跳频需要； (2)速率（ 1Mbps）高于蓝牙，且具有高数据吞吐量； (3)外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路； (4)发射功率和工作频率等所有工作 参数可全部通过软件设置； (5)电源电压范围为 ，功耗很低； (6)电流消耗很小， 5dBm 输出功率时的典型峰值电流为 ； 基于单片机的无线点菜系统的硬件设计及实现 第二章 ZigBee 协议分析 12 (7)芯片内部设置有专门的稳压电路，因此，使用任何电源（包括 DC/DC 开关电源）均有很好的通信效果； (8)每个芯片均可以通过软件设置最多 40bit 地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据（提供一个中断指示），同时编程也很方便； (9)内置 CRC（ Cyclic Redundancy Check， 循环 冗余 校验） [16]纠检错硬件电路和协议； (10)采 用 DuoCever 技术可同时接收两个 nRF2401 的数据； (11)采用 ShockBurst TM 模式时，能适用极低的功率操作和不严格的 MCU 执行； (12)无需外部 SAW 滤波器； (13)可 100%RF 检验； (14)带有数据时隙和数据时钟恢复功能。 nRF2401 的内部结构原理及外部组成框图如图 所示，下面介绍其工作原理。 图 nRF2401 的内部结构原理及外部组成框图 1 ShockBurst TM[16]模式 nRF2401 的 ShockBurst TM 模式采 用片上 FIFO(FirstIn FirstOut，先进先 )出来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输，因此极大的降低了功耗。 基于单片机的无线点菜系统的硬件设计及实现。