基于單片機的無(wú)線(xiàn)電子點(diǎn)菜系統硬件方案設計

隨著(zhù)人民生活水平的提高和生活方式的轉變，餐飲業(yè)具有巨大的投資市場(chǎng)，被稱(chēng)為中國的黃金產(chǎn)業(yè)。無(wú)線(xiàn)電子點(diǎn)菜系統是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的典型應用，把無(wú)線(xiàn)技術(shù)用于餐飲業(yè)將會(huì )極大提高餐館的工作效率和服務(wù)質(zhì)量。
論文給出了無(wú)線(xiàn)電子點(diǎn)菜系統的完整的硬件平臺的設計和實(shí)現方案。整個(gè)系統有主機端和移動(dòng)端兩部分組成，無(wú)線(xiàn)通信的雙方依托一定的硬件平臺，按照約定好的協(xié)議來(lái)實(shí)現數據交換。設計的硬件平臺時(shí)，首先詳細介紹了平臺將要用到的一些芯片，然后使用Protel 99 SE設計出了系統的原理圖和PCB(Print Circuit Broad,印刷電路板)圖；在設計的硬件平臺的基礎上，依據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(kāi)發(fā)出了無(wú)線(xiàn)通信系統的驅動(dòng)程序來(lái)實(shí)現雙方約定的通信協(xié)議。文中還附帶簡(jiǎn)要介紹了用到的軟件開(kāi)發(fā)工具，以及系統的局限性，并提出了進(jìn)一步改進(jìn)的方案。
為了使整個(gè)系統更加完善，用Visual C++ 6.0開(kāi)發(fā)了串口調試工具，實(shí)現了將遠端數據發(fā)送到計算機并以窗口形式顯示和通過(guò)窗口形式將計算機上的數據發(fā)送到遠端，基本達到了論文的設計目的。

關(guān)鍵詞 無(wú)線(xiàn)通信，ZigBee，單片機，nRF2401

目 錄
摘 要 IV
ABSTRACT V
第一章 緒論 1
1.1 研究背景和意義 1
1.3 論文的研究?jì)热?4
1.4 內容安排 4
第二章 ZIGBEE協(xié)議分析 6
2.1 ZIGBEE協(xié)議框架 6
2.2 ZIGBEE協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)和應用前景 8
2.2.1 ZigBee協(xié)議的優(yōu)點(diǎn) 9
2.2.2 ZigBee協(xié)議存在的問(wèn)題及解決方案 9
2.2.3 ZigBee協(xié)議應用前景 10
2．3基于ZIGBEE協(xié)議的芯片 10
第三章 基于ZIGBEE協(xié)議的硬件系統的設計及實(shí)現 14
3.1 STC89C58RD+單片機概述 14
3.2 開(kāi)發(fā)板的各個(gè)組成部分原理圖以及功能 15
3.2.1 單片機最小系統組成電路 15
3.2.2 串行口電平轉換部分 16
3.2.3 LED部分 17
3.2.4 開(kāi)發(fā)板和無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊接口部分 17
3.2.5 鍵盤(pán)部分 18
3.3 無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊 19
3.4 無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊和開(kāi)發(fā)板的PCB圖設計 20
3.4.1 開(kāi)發(fā)板的PCB圖 20
3.4.2 無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊的PCB圖 22
第四章 硬件驅動(dòng)程序和串行口調試工具 24
4.1 硬件驅動(dòng)程序 24
4.1.1 主機端硬件驅動(dòng)程序 24
4.1.2 移動(dòng)端驅動(dòng)程序 28
4.2 串行口調試工具 28
4.2.1串行通信的基本原理 28
4.2.2程序設計原理 30
第五章 總結與展望 37
5.1 全文總結 37
5.2 研究展望 38
致 謝 39
參考文獻 40
附錄 41

摘 要

Abstract
Along with the enhancement of the level of the people’s lives and the transformation of the lifestyle, the dining industry which is called gold industry in China has the huge investment market. The wireless electronic ordering food system is the typical use of the technology of wireless communication. Using the technology of wireless communication in the dining industry will largely improve the working efficiency and the grade of service.
The present paper brings up the plan of the hardware design of the the wireless electronic ordering food system and how to realize. The overall system is made up of two parts, one is the main end and the other is the mobile end. Both sides of wireless correspondence depend on certain hardware platforms. They exchange data according to the protocol which both sides have agreed on before, and the data is transformed in specific frame form. When designing the hardware platform, first analyzes the CMOS chips that will be used in the system. Then, the paper uses Protel 99 SE to design the principle picture and the PCB picture of the system. In this foundation, according to the programming rules of the CMOS chips used in the system, the paper exploits the driving program of the system using C51 programming language in the Windows operating system. By the way, this paper also briefly introduces the software development kits which will be used next， analyzes the limitations of system, and also proposes how to improve it.
In order to make the entire system more comprehensive，the paper also exploits the serial debugging tool in Visual C++ 6.0 to display the data from remote end in the window on computer and send data to remote end in the window form. This basically achieves the goal.

KEY WORLD wireless communication, ZigBee，Single-Chip Microcomputer, nRF2401

第一章 緒論
1.1 研究背景和意義

人類(lèi)利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的歷史已經(jīng)有幾千年了，古時(shí)候用的烽火臺就是最原始的無(wú)線(xiàn)通信。但這時(shí)候的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)還只是處于萌芽階段，只有到19世紀末意大利人馬可尼發(fā)明無(wú)線(xiàn)電報開(kāi)始，人類(lèi)才真正開(kāi)始大規模地利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[1]。近數十年來(lái)隨著(zhù)計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)更是以日新月異的速度向前發(fā)展，它也成為了通信領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。
現代的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是建立在硬件電路的基礎上的，因此微電子技術(shù)[2]的發(fā)展直接制約著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展?；仡櫦呻娐返陌l(fā)展歷程，我們可以看到，自發(fā)明集成電路至今40多年以來(lái)，”從電路集成到系統集成”這句話(huà)是對IC產(chǎn)品從SSI（Small Scale Integrated，小規模集成電路）到VLSI（Very Large Scale Integrated超大規模集成電路）今天特大規模集成電路發(fā)展過(guò)程的最好總結，即整個(gè)集成電路產(chǎn)品的發(fā)展經(jīng)歷了從傳統的板上系統（System-on-board）到片上系統（System-on-a-chip）的過(guò)程。隨著(zhù)集程度的提高，芯片的體積能耗和成本在逐步降低。這也使電子產(chǎn)品向便攜式和低端市場(chǎng)發(fā)展。
雖然微電子的發(fā)展歷史已經(jīng)有半個(gè)多世紀，但是射頻芯片[1][2]的發(fā)展卻是近幾年的事。從分類(lèi)上來(lái)看，射頻芯片屬于專(zhuān)用集成電路。目前國際上有很多專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)射頻芯片的公司，例如Nordic公司和Chipcon公司。這些芯片一般工作在免費頻段，采用專(zhuān)門(mén)的調制解調技術(shù)，內部集成了很多電路。像Nordic公司的NRF2401芯片，它是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM（Industry Science medicine，工業(yè)、科學(xué)、醫學(xué)）頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節能設計更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線(xiàn)，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數據。
無(wú)線(xiàn)電子點(diǎn)菜系統是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的一個(gè)典型應用。近些年來(lái)，隨著(zhù)人民生活水平的提高和生活方式的轉變，餐飲業(yè)具有巨大的投資市場(chǎng)，被稱(chēng)為中國的黃金產(chǎn)業(yè)。人們在消費過(guò)程中對服務(wù)質(zhì)量也有了更高的要求，同時(shí)餐館之間的激烈競爭也促進(jìn)了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在餐飲業(yè)中的應用。無(wú)線(xiàn)電子點(diǎn)菜系統的目的就是利用最先進(jìn)的2.4GRF無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、嵌入式移動(dòng)數據庫技術(shù)[3][4]、以及觸摸屏的掌上電腦技術(shù), 為餐飲業(yè)走向全面數字化提供了完整的解決方案。該系統能夠提高餐館檔次、提高效率、自動(dòng)結賬、避免人為錯誤、避免跑單、實(shí)時(shí)監控餐館狀況、提供各種各樣統計信息、精簡(jiǎn)人手、管理庫存、提高服務(wù)品質(zhì)等，為餐飲行業(yè)帶來(lái)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(hù)提供更好的服務(wù),實(shí)現企業(yè)價(jià)值最大化同時(shí)又使成本最低化,是餐飲行業(yè)向信息化發(fā)展的一個(gè)重要標志。由于使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)通信，可以不用進(jìn)行復雜的布線(xiàn)，這也大大降低了餐館的建設成本，減少了對線(xiàn)路維護的開(kāi)支。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)通信的可以移動(dòng)性也使服務(wù)員隨時(shí)可以和吧臺聯(lián)系。
無(wú)線(xiàn)電子點(diǎn)菜系統基于目前很熱門(mén)的技術(shù)–嵌入式技術(shù)[3]，依托一定的硬件平臺。因此微電子技術(shù)的發(fā)展對系統的性能有很大的限制，目前微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了SOC（System On Chip，片上系統），集成度獲得了極大的提高。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(xiàn)電子點(diǎn)菜系統向移動(dòng)化和大眾化方向發(fā)展?？梢哉f(shuō)，隨著(zhù)微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)線(xiàn)電子點(diǎn)菜系統仍然有很大的發(fā)展空間。

1.2 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展現狀

按照發(fā)射功率的不同，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)可分為短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它們各自依托的硬件平臺和通信協(xié)議也有很大不同。幾種常見(jiàn)的長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)通信系統如GPRS系統和我國即將投入使用的3G系統，它們都有一些共同的特點(diǎn)：使用專(zhuān)門(mén)的頻段，需要專(zhuān)門(mén)的公司進(jìn)行運營(yíng)。由于本系統要求傳輸距離有限，而且對成本有限制，因此長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議不在考慮的范圍之內，下面就重點(diǎn)闡述幾種常見(jiàn)的短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議：
1 藍牙[5]
愛(ài)立信在1994年開(kāi)始研究一種能使手機與其附件（如耳機）之間互相通信的無(wú)線(xiàn)模塊，4年后，愛(ài)立信、諾基亞、IBM等公司共同推出了藍牙技術(shù)，主要用于通信和信息設備的無(wú)線(xiàn)連接。藍牙工作頻率為2．4GHz，有效范圍大約在10m半徑內。在此范圍內，采用藍牙技術(shù)的多臺設備，如手機、微機、激光打印機等能夠無(wú)線(xiàn)互聯(lián)，以約1Mb／s的速率相互傳遞數據，并能方便地接入互聯(lián)網(wǎng)。目前藍牙技術(shù)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是多點(diǎn)連接，即一臺設備同時(shí)與多臺（最多7臺）其他設備互聯(lián)。今后，市場(chǎng)上不同廠(chǎng)商的藍牙產(chǎn)品將能夠相互聯(lián)通。
藍牙技術(shù)的應用主要有以下3類(lèi)：
1 語(yǔ)音／數據接入　是指將一臺計算機通過(guò)安全的無(wú)線(xiàn)鏈路連接到通信設備上，完成與廣域網(wǎng)的連接。
2外圍設備互連　是指將各種設備通過(guò)藍牙鏈路連接到主機上。
3 PAN(Personal Area Net，個(gè)人局域網(wǎng))如圖1所示，主要用于個(gè)人網(wǎng)絡(luò )與信息的共享與交換。
藍牙協(xié)議有以下技術(shù)特點(diǎn)：
（1）藍牙工作在全球開(kāi)放的2.4GHz ISM頻段；
（2）使用跳頻頻譜擴展技術(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(xiàn)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）一臺藍牙設備可同時(shí)與其它七臺藍牙設備建立連接；
（4）數據傳輸速率可達1Mbit/s；
（5）低功耗、通訊安全性好；
（6）在有效范圍內可越過(guò)障礙物進(jìn)行連接，沒(méi)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
正是由于藍牙協(xié)議有以上特點(diǎn)，藍牙產(chǎn)品涉及PC、筆記本電腦、移動(dòng)電話(huà)等信息設備和A／V設備、汽車(chē)電子、家用電器和工業(yè)設備領(lǐng)域。藍牙的支持者們預言說(shuō)，一旦支持藍牙的芯片變得非常便宜，藍牙將置身于幾乎所有產(chǎn)品之中，從微波爐一直到衣服上的紐扣。
但是藍牙的傳輸距離比較短，而且藍牙是一種還沒(méi)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)際使用的嚴格檢驗。藍牙的數據傳輸速率也不是很高，在當今這個(gè)數據爆炸的時(shí)代，可能也會(huì )對它的發(fā)展有所影響。目前主流的軟件和硬件平臺均不提供對藍牙的支持，這使得藍牙的應用成本升高，普及難度增大。從以上各點(diǎn)綜合考慮，藍牙協(xié)議不適合本系統。
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(xiàn)通信技術(shù)。UWB通過(guò)基帶脈沖作用于天線(xiàn)的方式發(fā)送數據。窄脈沖（小于1ns）產(chǎn)生極大帶寬的信號。脈沖采用脈位調制（Pulse Position Modulation，PPM）或二進(jìn)制移相鍵控（BPSK）調制。UWB被允許在3．1～10．6GHz的波段內工作。它主要應用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達和圖像系統中。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。
軍事部門(mén)已對UWB進(jìn)行了多年研究，開(kāi)發(fā)出了分辨率極高的雷達。直到2002年2月14日，美國聯(lián)邦通信委員會(huì )才準許該技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域。所以對于商業(yè)和消費領(lǐng)域，UWB還是新鮮事物。UWB有可能在10m范圍內，支持高達110Mb／s的數據傳輸率，不需要壓縮數據，可以快速、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟地完成視頻數據處理。雖然說(shuō)UWB技術(shù)的數據傳輸距離相比藍牙技術(shù)已經(jīng)獲得很大提高，但是仍然不能滿(mǎn)足本系統的技術(shù)要求。
3 ZigBee [1][7]
Zigbee是一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)名稱(chēng)。這一名稱(chēng)來(lái)源與蜜蜂的八字舞。其特點(diǎn)是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設備。
ZigBee協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)和應用前景將在下一章詳細敘述。
4 IrDA (infrared data association，紅外數據標準協(xié)會(huì ))技術(shù)[5][6]
紅外線(xiàn)是波長(cháng)在750nm至1mm之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見(jiàn)光，是一種人的眼睛看不到的光線(xiàn)。由于紅外線(xiàn)的波長(cháng)較短，對障礙物的衍射能力差，所以更適合應用在需要短距離無(wú)線(xiàn)通訊的場(chǎng)合，進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的直線(xiàn)數據傳輸，傳輸速率最快可達16Mbps。IRDA將紅外數據通訊所采用的光波波長(cháng)的范圍限定在850nm至900nm之內。IRDA技術(shù)有以下特點(diǎn)：
（1）它是目前在世界范圍內被廣泛使用的一種無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺所支持；
（2）通過(guò)數據電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉換實(shí)現無(wú)線(xiàn)的數據收發(fā)。
（3）主要是用來(lái)取代點(diǎn)對點(diǎn)的線(xiàn)纜連接；
（4）新的通訊標準兼容早期的通訊標準；
（5）小角度（30度錐角以?xún)龋?，短距離，點(diǎn)對點(diǎn)直線(xiàn)數據傳輸，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。
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。但是由于紅外線(xiàn)的波長(cháng)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的技術(shù)要求。
綜合比較以上各個(gè)短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)和本系統的要求，只有ZigBee協(xié)議能基本滿(mǎn)足要求。而且目前支持ZigBee協(xié)議的廠(chǎng)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。

1.3 論文的研究?jì)热?/span>

無(wú)線(xiàn)電子點(diǎn)菜系統的實(shí)現是建立在硬件電路的基礎上的，為了降低誤碼率，提高頻率資源的利用律，數據必須按照一定協(xié)議傳輸。在發(fā)送端，數據按照一定的格式編碼，然后調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(guò)解調和解碼后，將數據還原。
本論文的研究?jì)热葜饕袃刹糠纸M成：
1.經(jīng)過(guò)討論各種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的特點(diǎn)和電子技術(shù)的發(fā)展現狀，在此基礎上，提出了基于ZigBee協(xié)議的硬件平臺。并詳細分析了平臺組成部分各自的原理以及功能。
2.分析了平臺的編程規則，開(kāi)發(fā)出了相應的驅動(dòng)程序。

1.4內容安排

本文對無(wú)線(xiàn)電子電菜系統的硬件設計進(jìn)行了深入的研究，全文共分為五章，各章節的內容安排如下：
第一章介紹了本文的研究背景和各章節的內容安排情況。
第二章介紹ZigBee協(xié)議的詳細內容和一種基于ZigBee協(xié)議的芯片。
第三章在上一章的基礎上提出了自己的硬件平臺，詳細介紹了平臺的組成部分和各自的功能。
第四章和第三章相對應的，主要講了硬件平臺的驅動(dòng)程序以及PC機端串行口調試工具的開(kāi)發(fā)，并簡(jiǎn)單介紹了相應的軟件開(kāi)發(fā)工具。
第五章是總結與展望。對本文工作進(jìn)行了總結，并探討可以進(jìn)一步深入研
究的方向。
第二章 ZigBee[7]協(xié)議分析
ZigBee協(xié)議是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。
在標準規范制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬體與軟體標準。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負責制訂MAC（Media Access Control,媒體存取控制層）與物理層規范， 2003年5月通過(guò)802.15.4標準；在ZigBee 聯(lián)盟方面，ZigBee[7]聯(lián)盟是在2002年10月由Honeywell、Mitsubishi、Motorola、Philips與Invensys共同成立，ZigBee聯(lián)盟負責制訂網(wǎng)路層、安全管理、應用界面規范，其次也肩負互通測試，目前ZigBee聯(lián)盟已推出第1.0版規范(Version 1.0)，成員已達150多個(gè)。
ZigBee協(xié)議依據802.15.4標準[8][9]，在數千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調實(shí)現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數據從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。IEEE802.15.4規范是一種經(jīng)濟、高效、低數據速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/915 MHz的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，它是ZigBee應用層和網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議的基礎。
相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)，同時(shí)由于ZigBee技術(shù)的低數據速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，也決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數據流量較小的業(yè)務(wù)。所以ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車(chē)自動(dòng)化、農業(yè)自動(dòng)化和醫用設備控制等。

2.1 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(shí)現的功能和在整個(gè)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)。ZigBee的協(xié)議架構大致如表2.1所列。

表2.1 ZigBee的協(xié)議架構
第四層 應用層
第三層 網(wǎng)絡(luò )層
第二層 媒體訪(fǎng)問(wèn)層（MAC）
第一層 物理層

ZigBee協(xié)議雖然是基于標準的七層OSI（Open System Interconnect，開(kāi)放式系統互聯(lián)）模型[10]，但僅對那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE802.15.4-2003標準定義了最下面的兩層：物理層和MAC。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò )層和應用層框架的協(xié)議。
相比于常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)通信標準，ZigBee協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單，具體實(shí)現的要求很低。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 )主節點(diǎn)需要更多的ROM以容納網(wǎng)絡(luò )內所有節點(diǎn)的設備信息，數據包轉發(fā)表，設備關(guān)聯(lián)表，與安全有關(guān)的密鑰存儲等。
1 物理層
IEEE802.15.4標準在物理層設計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2.4 GHz和868/915 MHz。各個(gè)頻段可以使用的信道數目分別為16、10、1，各自提供250kbps,40kbps和20kbps的傳輸速率，其傳輸范圍介于10-100米之間。
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)現來(lái)說(shuō)，直接序列的應用可以使模擬電路更加簡(jiǎn)單，具有更高的容錯性能。
2 媒體訪(fǎng)問(wèn)層
IEEE802.15.4標準在媒體訪(fǎng)問(wèn)層（MAC）方面，主要沿用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)WLAN中IEEE802.11系列標準的CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)與沖突避免)方式以提高系統的兼容性。這種MAC層的設計不但是多種拓撲結構網(wǎng)絡(luò )的應用變得簡(jiǎn)單，還可以實(shí)現非常有效的功耗控制。
3 網(wǎng)絡(luò )層
網(wǎng)絡(luò )功能是ZigBee協(xié)議的重要特點(diǎn)，也是與其他無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準不同的地方。在網(wǎng)絡(luò )層方面其主要工作在于負責網(wǎng)絡(luò )機制的建立與管理，并且具有自我組態(tài)與自我修復功能。在網(wǎng)絡(luò )層中ZigBee協(xié)議定義了三種角色：第一個(gè)是網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，負責網(wǎng)絡(luò )的建立以及網(wǎng)絡(luò )位置的分配；第二個(gè)是路由器，主要負責找尋建立以及修復信息包的路由路徑，并負責轉發(fā)信息包；第三個(gè)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，但是不能轉發(fā)，不具備路由的功能。通常，路由器和網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器由全功能裝置（FFD）實(shí)現，而末端裝置由簡(jiǎn)化功能裝置（RFD）實(shí)現。在組網(wǎng)方式上，ZigBee主要采用圖2.1所示三種方式：其一為主從方式的星形網(wǎng)，它需要一個(gè)能負責管理和維護網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器和不超過(guò)65535個(gè)從屬裝置；其二為簇形網(wǎng)絡(luò )，它可以是擴展的單個(gè)星形網(wǎng)或者互連多個(gè)星形網(wǎng)絡(luò )；其三為網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh），網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)FFD可以做為路由器，根據AD hoc網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議來(lái)優(yōu)化最短和最可靠的路徑。

圖2.1 三種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

4 應用層
對于應用層，主要有三個(gè)部分：與網(wǎng)絡(luò )層相連的應用支持（APS），ZigBee設備對象（ZDO）以及裝置應用行規。ZigBee的應用層架構最重要的是已經(jīng)覆蓋了服務(wù)的觀(guān)念。
對于ZigBee裝置而言，當加入到一個(gè)WPAN（Wireless Personal Area Net，個(gè)人無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)）后，應用層的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A(yíng)PS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(xún)資料的服務(wù)或者行規。而裝置應用行規則是根據不同的產(chǎn)品設計出的不同的描述信息，以及ZigBee各層協(xié)議的參數設定。
5 安全層
安全層并非單獨獨立的協(xié)議，ZigBee為其提供了一套基于128位AES算法的安全類(lèi)和軟件，并且集成了IEEE802.15.4標準的安全元素，用來(lái)保證MAC層禎的機密性，一致性和真實(shí)性。
另外ZigBee聯(lián)盟也負責ZigBee產(chǎn)品互通性測試與認證規則的制定，讓開(kāi)發(fā)ZigBee產(chǎn)品的廠(chǎng)商有一個(gè)公開(kāi)的場(chǎng)合，能夠互相測試互通性。而在認證部分，ZigBee聯(lián)盟一共定義了三種層次的認證，第一級認證物理層和MAC，與芯片廠(chǎng)有著(zhù)最直接的關(guān)系；第二級認證ZigBee協(xié)議棧；第三級認證ZigBee產(chǎn)品。只有通過(guò)第三級認證的產(chǎn)品才能貼上ZigBee的標志，所以也稱(chēng)作ZigBee注冊認證。

2.2 ZigBee協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)和應用前景

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]對標準的不斷修改和完善，已經(jīng)顯示出了強大的生命力，但是本身還有一些缺點(diǎn)，這也限制了ZigBee協(xié)議的使用范圍。
2.2.1 ZigBee協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)
功耗低：由于ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低，并且采用了休眠模式（當不傳送數據時(shí)處于休眠狀態(tài)，當需要接收數據時(shí)由ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器設備負責喚醒它們），可以確保兩節五號電池支持長(cháng)達六個(gè)月到兩年左右的使用時(shí)間。避免了頻繁更換電池或者充電，從而減輕了網(wǎng)絡(luò )維護的負擔 。
數據傳輸可靠性高：采用了碰撞避免機制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數據時(shí)的競爭和沖突。而且MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，發(fā)送的每個(gè)數據包都必須等待接收方的確認信息，從而從根本上確保了數據傳輸的可靠性，最大限度地降低信息損失的概率。
網(wǎng)絡(luò )容量大：一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )可以容納最多65536個(gè)從設備和一個(gè)主設備[14]，一個(gè)區域內可以同時(shí)存在最多100個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )。
時(shí)延?。横槍r(shí)延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設備搜索時(shí)延典型值為30ms，休眠激活時(shí)延典型值為15ms，活動(dòng)設備信道接入時(shí)延為15ms。

表2.2 Zigbee與藍牙協(xié)議時(shí)延比較
設備收索時(shí)延典型值（ms） 休眠激活時(shí)延典型值(ms) 活動(dòng)設備信道接入時(shí)延(ms)
ZigBee技術(shù) 30 15 15
藍牙技術(shù) >=3000 3000 2

兼容性：與現有的控制網(wǎng)絡(luò )標準無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(Coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò )，采用CSMA-CA方式進(jìn)行信道存取。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。
安全性：Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)各個(gè)應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。
實(shí)現成本低：模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.5~2.5美元，且Zigbee協(xié)議是免專(zhuān)利費的。
協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單：其具體實(shí)現的要求很低。Zigbee協(xié)議套件的需求估計：8位微處理器，如80C51[10]；全協(xié)議套件軟件需要32K字節的ROM；最小協(xié)議套件軟件大約4K字節的ROM。
2.2.2 ZigBee協(xié)議存在的問(wèn)題及解決方案
802.15.4標準是ZigBee協(xié)議的基礎，用它實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據采集，主要有以下兩個(gè)問(wèn)題：
1、網(wǎng)絡(luò )內傳感器節點(diǎn)時(shí)鐘需要同步，監控系統的多傳感器信息融合時(shí)，上位機需要知道每個(gè)原始數據是何時(shí)采集的，采樣的觸發(fā)要求每個(gè)節點(diǎn)有統一的時(shí)鐘；
2、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，真正的數據發(fā)送量是很低的。
解決此問(wèn)題可以通過(guò)如下的途徑： 傳感器節點(diǎn)采用DSP處理器，盡可能在傳感器節點(diǎn)一級多做些數據處理工作，盡量減少原始數據的發(fā)送量，只發(fā)送有用信息。例如，對于平穩狀態(tài)的原始數據可以不發(fā)送到上位機中，只發(fā)送可疑狀態(tài)前后的原始數據，這樣就大大減少了數據的通信量。
2.2.3 ZigBee協(xié)議應用前景
ZigBee協(xié)議特別適合數據吞吐量小，網(wǎng)絡(luò )建設投資少，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，預計將在消費類(lèi)電子設備，家庭智能化，工業(yè)控制，醫療設備控制，農業(yè)自動(dòng)化和無(wú)線(xiàn)點(diǎn)菜系統等領(lǐng)域獲得廣泛的應用。
消費類(lèi)電子產(chǎn)品和家庭智能化將是ZigBee技術(shù)最有潛力的市場(chǎng)，家庭可以聯(lián)網(wǎng)的設備包括電視，錄象機，PC外設，兒童玩具，游戲機，門(mén)禁系統，窗戶(hù)和窗簾，照明設備，空調設備和其他家用電器等。家用設備引進(jìn)ZigBee協(xié)議后將極大改善人們的居住環(huán)境和舒適度。
在工業(yè)控制領(lǐng)域，利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò )，可是數據的自動(dòng)采集，分析和處理變得更加容易；可以作為決策輔助系統的重要組成部分，例如危險化學(xué)成分的檢測，火警的早期檢測和預報，高速旋轉機器的檢測和維護。這些應用不需要很高的數據吞吐量和連續的狀態(tài)更新，重點(diǎn)在于低功耗，可最大限度地延長(cháng)電池的壽命，減少ZigBee網(wǎng)絡(luò )的維護成本。
在醫學(xué)領(lǐng)域，利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò )可以準確，實(shí)時(shí)地監測每個(gè)病人的血壓，心率等情況，有助于醫生快速做出反應，減少醫生查房的工作負擔，特別適合對重，危病患者的監護和治療。
在現代農業(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，使農民能及早而且準確地發(fā)現問(wèn)題，從而有助于保持并提高農作物的產(chǎn)量，減少發(fā)生災害的概率。
本系統是將ZigBee協(xié)議用于餐館的無(wú)線(xiàn)點(diǎn)菜系統，這樣能夠提高餐館檔次、提高效率、自動(dòng)結賬、避免人為錯誤、避免跑單、實(shí)時(shí)監控餐館狀況、提供各種各樣統計信息、精簡(jiǎn)人手、管理庫存、提高服務(wù)品質(zhì)等，為餐飲行業(yè)帶來(lái)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(hù)提供更好的服務(wù),實(shí)現企業(yè)價(jià)值最大化同時(shí)又使成本最低化,是餐飲行業(yè)向信息化發(fā)展的一個(gè)重要標志。

2． 3基于ZigBee協(xié)議的芯片[1][4][5]

2002年8月ZigBee聯(lián)盟成立時(shí)Honeywell，Invensys,三菱電器，摩托羅拉和飛利浦等國際上知名的大公司就是ZigBee協(xié)議的支持者。目前，ZigBee已經(jīng)吸引了上百家芯片研發(fā)公司和無(wú)線(xiàn)設備制造公司，并且不斷有新的公司加盟這一聯(lián)盟?，F在國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。例如挪威的Nordic公司的nRF系列芯片，還有Chipcon公司的無(wú)線(xiàn)數據傳輸芯片等。各個(gè)公司的芯片原理基本相同，編程規則大致相同，因此選用Nordic公司的nRF2401，下面詳細敘述一下nRF2401芯片的特點(diǎn)。
nRF2401無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體芯片和藍牙一樣，都工作在2.4GHZ自由頻段，能夠在全球無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)暢通無(wú)阻。nRF2401支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率超過(guò)1Mbit/s，而且比藍牙具有更高的傳輸速度。它采用SOC方法設計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。與藍牙不同的是，nRF2401沒(méi)有復雜的通信協(xié)議，它完全對用戶(hù)透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401比藍牙產(chǎn)品更便宜。所以nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統級芯片。
nRF2401的引腳排列如圖2.2（頂視圖）所示。它采用5mm×5mm的24引腳QFN封裝。nRF2401的主要特點(diǎn)如下：
圖2.2 nRF2401的引腳排列

(1)采用全球開(kāi)放的2.4GHZ頻段，有125個(gè)頻道，可滿(mǎn)足多頻及跳頻需要；
(2)速率（1Mbps）高于藍牙，且具有高數據吞吐量；
(3)外圍元件極少，只需一個(gè)晶振和一個(gè)電阻即可設計射頻電路；
(4)發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數可全部通過(guò)軟件設置；
(5)電源電壓范圍為1.9-3.6V，功耗很低；
(6)電流消耗很小，-5dBm輸出功率時(shí)的典型峰值電流為10.5mA；
(7)芯片內部設置有專(zhuān)門(mén)的穩壓電路，因此，使用任何電源（包括DC/DC開(kāi)關(guān)電源）均有很好的通信效果；
(8)每個(gè)芯片均可以通過(guò)軟件設置最多40bit地址，而且只有收到本機地址時(shí)才會(huì )輸出數據（提供一個(gè)中斷指示），同時(shí)編程也很方便；
(9)內置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(shí)接收兩個(gè)nRF2401的數據；
(11)采用ShockBurst TM模式時(shí)，能適用極低的功率操作和不嚴格的MCU執行；
(12)無(wú)需外部SAW濾波器；
(13)可100%RF檢驗；
(14)帶有數據時(shí)隙和數據時(shí)鐘恢復功能。
nRF2401的內部結構原理及外部組成框圖如圖2.3所示，下面介紹其工作原理。

圖2.3 nRF2401的內部結構原理及外部組成框圖

1 ShockBurst TM[16]模式
nRF2401的ShockBurst TM模式采用片上FIFO(First-In First-Out，先進(jìn)先)出來(lái)進(jìn)行低數據率的時(shí)鐘同步和高數據率的傳輸，因此極大的降低了功耗。
ShockBurst TM發(fā)射主要通過(guò)MCU接口引腳CE、CLK1和DATA來(lái)完成。當MCU請求發(fā)送數據時(shí)，置CE為高電平，此時(shí)的接收機地址和有效載荷數據作為nRF2401的內部時(shí)鐘，可用請求協(xié)議或MCU將速率調至1Mbps；置CE為低電平可激活ShockBurst TM發(fā)射。
ShockBurst TM接收主要使用MCU接口引腳CE、DR1、CLK1、DATA來(lái)實(shí)現。當正確設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。此后便可在nRF2401監測信息輸入200μｓ，若收到有效數據包，則給MCU一個(gè)中斷并置DR1為高電平，以使MCU 以時(shí)鐘形式輸出有效載荷數據，待系統收到全部數據后, nRF2401再置DR1為低?此時(shí)如果CE保持高電平，則等待新的數據包。若CE置低電平，則開(kāi)始接收新的序列
nRF2401的 DuoCeiver TM[17]技術(shù)為RX提供了兩個(gè)獨立的專(zhuān)用數字信道，因而可代替兩個(gè)單獨接收系統。圖4所示是DuoCeiver TM同時(shí)雙接收信道結構圖。 nRF2401可以通過(guò)一個(gè)天線(xiàn)接口從相隔8MHZ的兩1Mbps接收機上接收數據。同時(shí)將兩個(gè)數字信道的輸出反饋到兩個(gè)單獨的MCU接口。具體的兩個(gè)信道如下:
圖2.4 DuoCeiver TM同時(shí)雙接收信道結構圖

數字信道１:CLK1,DATA,DR1；
數字信道２:CLK2,DOUT2,DR2；
應當說(shuō)明的是,數字信道2的頻率只有在比數字信道1的頻率高出8MHZ時(shí)，才能保證正常接收。