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

道跳到另一个信道； （ 3） 一台蓝牙设备可同时与其它七台蓝牙设备建立连接； （ 4） 数据传输速率可达 1Mbit/s； （ 5） 低功耗、通讯安全性好； （ 6） 在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求； （ 7） 支持语音传输； （ 8） 组网简单方便 正是由于蓝 牙协议有以上特点， 蓝牙产品涉及 PC、笔记本电脑、移动电话等信息设备和 A／ V 设备、汽车电子、家用电器和工业设备领域。 蓝牙的支持者们预言说，一旦支持蓝牙的芯片变得非常便宜，蓝牙将置身于几乎所有产品之中，从微波炉一直到衣服上的纽扣。 但是蓝牙的传输距离比较短，而且 蓝牙是一种还没有完全成熟的技 术，尽管被描述得前景诱人，但还有待于实际使用的严格检验。 蓝牙的数据传输 速率也不是很高，在当今这个数据爆炸的时代，可能也会对它的发展有所影响。 目前主流的软件和硬件平台均不提供对蓝牙的支持，这使得蓝牙的应用成本升高，普及难度增大。 从以上各点综合考虑，蓝牙协议不适合本系统。 2 超宽带技术 UWB（ Ultra Wide band） [6] 超宽带技术 UWB（ Ultra Wide band）是另一个新发展起来的无线通信技术。 UWB通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。 窄脉冲（小于 1ns）产生极大带宽的信号。 脉冲采用脉位调制（ Pulse Position Modulation， PPM）或二进制移相键控（ BPSK）调制。 UWB 被允许在 3． 1～ 10． 6GHz 的波段内工作。 它 主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。 除 此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高（大于 100Mb／ s）的 LAN(Local Area Net，本地局域网 )s或 PANs。 军事部门已对 UWB 进行了多年研究，开发出了分辨率极高的雷达。 直到 20xx 年2 月 14 日，美国联邦通信委员会才准许该技术进入民用领域。 所以对于商业和消费领域， UWB 还是新鲜事物。 UWB 有可能在 10m 范围内，支持高达 110Mb／ s 的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。 虽然说 UWB技术的数据传输距离相比蓝牙技术已经获得很大提高，但是仍然不能满足本系统的技术 要求。 3 ZigBee [1][7] Zigbee 是一种短距离、低功耗的无线通信技术名称。 这一名称来源与蜜蜂的八字舞。 其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。 主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。 基 于 单片机的无线点菜系统的硬件设计及实现 第一章 绪论 ZigBee 协议的技术特点和应用前景将在下一章详细叙述。 4 IrDA (infrared data association， 红外数据标准协会 )技术 [5][6] 红外线是波长在 750nm 至 1mm 之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。 由于红外线的 波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输，传输速率最快可达 16Mbps。 IRDA 将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在 850nm至 900nm 之内。 IRDA 技术有以下特点： （ 1） 它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持； （ 2） 通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。 （ 3） 主要是用来取代点对点的线缆连接； （ 4） 新的通讯标准兼容早期的通讯标准； （ 5） 小角度（ 30度锥角以内），短距离，点 对点直线数据传输，保密性强 （ 6） 传输速率较高，目前 4M 速率的 FIR 技术已被广泛使用， 16M 速率的 VFIR技术已经发布。 虽然目前 IRDA 技术发展已经很成熟，而且有很多公司的产品都支持这种协议。 但是由于 红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差 ，所以它只能用于视距传输，传输距离比较短，因此也不适合本系统的技术要求。 综合比较以上各个短距离无线通信协议的技术特点和本系统的要求，只有ZigBee 协议能基本满足要求。 而且目前支持 ZigBee 协议的厂商比较多，技术发展也很成熟，可以作成低成本的嵌入式产品。 论文的 研究内容 无线电子点菜系统的实现是建立在硬件电路的基础上的，为了降低误码率，提高频率资源的利用律，数据必须按照一定协议传输。 在发送端，数据按照一定的格式编码，然后调制到一约定的频率后发送；接受端将接收到的信号经过解调和解码后，将数据还原。 本论文的研究内容主要有两部分组成： ，在此基础上，提出了 基于 ZigBee协议的硬件平台。 并详细分析了平台组成部分各自的原理以及功能。 ，开发出了相应的驱动程序。 内容安排 基 于 单片机的无线点菜系统的硬件设计及实现 第一章 绪论 本文 对 无线电子电菜系统的硬件设计进行了深入的研究，全文共分为 五 章，各章节的内容安排如下： 第一章介绍了本文的研究背景和各章节的内容安排情况。 第 二 章介绍 ZigBee 协议的详细内容和 一 种基于 ZigBee 协议的芯片。 第 三 章在上一章的基础上提出了自己的硬件平台，详细介绍了平台的组成部分和各自的功能。 第 四 章和第 三 章相对应的，主要讲了硬件平台的驱动程序以及 PC 机端串行口调试工具的开发，并简单介绍了相应的软件开发工具。 第 五 章是总结与展望。 对本文工作进行了总结，并探讨可以进一步深入研 究的方向。 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 第 二 章 ZigBee[7]协议分析 ZigBee 协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。 在标准规范制订方面，主要是 IEEE 小组与 ZigBee Alliance 两个组织，两者分别制订硬体与软体标准。 在 IEEE 方面， 20xx 年 12 月 IEEE成立了 小组，负责制订 MAC（ Media Access Control,媒体存取控制层 ）与物理层规范， 20xx 年 5月通过 标准；在 ZigBee 联盟方面 ， ZigBee[7]联盟是在 20xx 年 10 月由 Honeywell、 Mitsubishi、 Motorola、 Philips 与 Invensys共同成立， ZigBee 联盟负责制订网路层、安全管理、应用界面规范，其次也肩负互通测试，目前 ZigBee 联盟已推出第 版规范 (Version )，成员已达 150 多个。 ZigBee 协议依据 标准 [8][9]，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。 这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通 信效率非常高。 规范是一种经济、高效、低数据速率 (250 kbps)、工作在 GHz 和 868/915 MHz 的无线技术，它是 ZigBee 应用层和网络层协议的基础。 相对于现有的各种无线通信技术， ZigBee 技术将是最低功耗和成本的技术，同时由于 ZigBee 技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了 ZigBee 技术适合于承载数据流量较小的业务。 所以 ZigBee 联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。 ZigBee 协议框架 ZigBee 协议同其它网络通信协议一样采用分层模型，对各层所实现的功能和在整个协议中起的作用做了明确的划分 ， 每层为其上层提供一组特定的服务。 ZigBee的协议架构大致如表 所列。 表 ZigBee 的协议架构 第 四 层 应用层 第三层 网络层 第二层 媒体访问层（ MAC） 第一层 物理层 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 ZigBee 协议虽然是基于 标准的七层 OSI（ Open System Interconnect， 开放式系统互联 ） 模型 [10]， 但仅对那些涉及 ZigBee 的层予以定义。 标准定义了最下面的两层：物理层和 MAC。 ZigBee 联盟提供了网络层和应用层框架的协议。 相比于常见的无线通信标准 ， ZigBee 协议套件紧凑而简单 ， 具体实现的要求很低。 以下是 ZigBee 协议套件的需求估计 ： 硬件需要 8 位处理器 ， 如 广泛使用的 80C51 系列单片机 [12]； 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 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。