基于單片機(jī)的無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

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)。無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)是無線通信技術(shù)的典型應(yīng)用，把無線技術(shù)用于餐飲業(yè)將會極大提高餐館的工作效率和服務(wù)質(zhì)量。
論文給出了無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)的完整的硬件平臺的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。整個系統(tǒng)有主機(jī)端和移動端兩部分組成，無線通信的雙方依托一定的硬件平臺，按照約定好的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。設(shè)計(jì)的硬件平臺時(shí)，首先詳細(xì)介紹了平臺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)動程序來實(shí)現(xiàn)雙方約定的通信協(xié)議。文中還附帶簡要介紹了用到的軟件開發(fā)工具，以及系統(tǒng)的局限性，并提出了進(jìn)一步改進(jìn)的方案。
為了使整個系統(tǒng)更加完善，用Visual C++ 6.0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。

關(guān)鍵詞 無線通信，ZigBee，單片機(jī)，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 論文的研究內(nèi)容 4
1.4 內(nèi)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(yīng)用前景 8
2.2.1 ZigBee協(xié)議的優(yōu)點(diǎn) 9
2.2.2 ZigBee協(xié)議存在的問題及解決方案 9
2.2.3 ZigBee協(xié)議應(yīng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 14
3.1 STC89C58RD+單片機(jī)概述 14
3.2 開發(fā)板的各個組成部分原理圖以及功能 15
3.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)組成電路 15
3.2.2 串行口電平轉(zhuǎn)換部分 16
3.2.3 LED部分 17
3.2.4 開發(fā)板和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口部分 17
3.2.5 鍵盤部分 18
3.3 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 19
3.4 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和開發(fā)板的PCB圖設(shè)計(jì) 20
3.4.1 開發(fā)板的PCB圖 20
3.4.2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的PCB圖 22
第四章 硬件驅(qū)動程序和串行口調(diào)試工具 24
4.1 硬件驅(qū)動程序 24
4.1.1 主機(jī)端硬件驅(qū)動程序 24
4.1.2 移動端驅(qū)動程序 28
4.2 串行口調(diào)試工具 28
4.2.1串行通信的基本原理 28
4.2.2程序設(shè)計(jì)原理 30
第五章 總結(jié)與展望 37
5.1 全文總結(jié) 37
5.2 研究展望 38
致 謝 39
參考文獻(xiàn) 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

人類利用無線通信技術(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線通信。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]。近數(shù)十年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(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)域的一個重點(diǎn)研究方向。
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。回顧集成電路的發(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，”從電路集成到系統(tǒng)集成”這句話是對IC產(chǎn)品從SSI（Small Scale Integrated，小規(guī)模集成電路）到VLSI（Very Large Scale Integrated超大規(guī)模集成電路）今天特大規(guī)模集成電路發(fā)展過程的最好總結(jié)，即整個集成電路產(chǎn)品的發(fā)展經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的板上系統(tǒng)（System-on-board）到片上系統(tǒng)（System-on-a-chip）的過程。隨著集程度的提高，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發(fā)展。
雖然微電子的發(fā)展歷史已經(jīng)有半個多世紀(jì)，但是射頻芯片[1][2]的發(fā)展卻是近幾年的事。從分類上來看，射頻芯片屬于專用集成電路。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。這些芯片一般工作在免費(fèi)頻段，采用專門的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，內(nèi)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(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。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(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。
無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)是無線通信技術(shù)的一個典型應(yīng)用。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)。人們在消費(fèi)過程中對服務(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)了無線通信技術(shù)在餐飲業(yè)中的應(yīng)用。無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)的目的就是利用最先進(jìn)的2.4GRF無線通信技術(shù)、嵌入式移動數(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。該系統(tǒng)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(shí)時(shí)監(jiān)控餐館狀況、提供各種各樣統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)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)展的一個重要標(biāo)志。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。同時(shí)，無線通信的可以移動性也使服務(wù)員隨時(shí)可以和吧臺聯(lián)系。
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。因此微電子技術(shù)的發(fā)展對系統(tǒng)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(tǒng)），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，這些都使無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)向移動化和大眾化方向發(fā)展。可以說，隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)仍然有很大的發(fā)展空間。

1.2 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和通信協(xié)議也有很大不同。幾種常見的長距離無線通信系統(tǒng)如GPRS系統(tǒng)和我國即將投入使用的3G系統(tǒng)，它們都有一些共同的特點(diǎn)：使用專門的頻段，需要專門的公司進(jìn)行運(yùn)營。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。藍(lán)牙工作頻率為2．4GHz，有效范圍大約在10m半徑內(nèi)。在此范圍內(nèi)，采用藍(lán)牙技術(shù)的多臺設(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)。目前藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)重點(diǎn)是多點(diǎn)連接，即一臺設(shè)備同時(shí)與多臺（最多7臺）其他設(shè)備互聯(lián)。今后，市場上不同廠商的藍(lán)牙產(chǎn)品將能夠相互聯(lián)通。
藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用主要有以下3類：
1 語音／數(shù)據(jù)接入　是指將一臺計(jì)算機(jī)通過安全的無線鏈路連接到通信設(shè)備上，完成與廣域網(wǎng)的連接。
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。
3 PAN(Personal Area Net，個人局域網(wǎng))如圖1所示，主要用于個人網(wǎng)絡(luò)與信息的共享與交換。
藍(lán)牙協(xié)議有以下技術(shù)特點(diǎn)：
（1）藍(lán)牙工作在全球開放的2.4GHz ISM頻段；
（2）使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)，把頻帶分成若干個跳頻信道（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信道跳到另一個信道；
（3）一臺藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與其它七臺藍(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。藍(lán)牙的支持者們預(yù)言說，一旦支持藍(lán)牙的芯片變得非常便宜，藍(lán)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(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)牙的數(shù)據(jù)傳輸速率也不是很高，在當(dāng)今這個數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代，可能也會對它的發(fā)展有所影響。目前主流的軟件和硬件平臺均不提供對藍(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。從以上各點(diǎn)綜合考慮，藍(lán)牙協(xié)議不適合本系統(tǒng)。
2 超寬帶技術(shù)UWB（Ultra Wide band）[6]
超寬帶技術(shù)UWB（Ultra Wide band）是另一個新發(fā)展起來的無線通信技術(shù)。UWB通過基帶脈沖作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。窄脈沖（小于1ns）產(chǎn)生極大帶寬的信號。脈沖采用脈位調(diào)制（Pulse Position Modulation，PPM）或二進(jìn)制移相鍵控（BPSK）調(diào)制。UWB被允許在3．1～10．6GHz的波段內(nèi)工作。它主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)和圖像系統(tǒng)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。
軍事部門已對UWB進(jìn)行了多年研究，開發(fā)出了分辨率極高的雷達(dá)。直到2002年2月14日，美國聯(lián)邦通信委員會才準(zhǔn)許該技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域。所以對于商業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域，UWB還是新鮮事物。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。雖然說UWB技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸距離相比藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)獲得很大提高，但是仍然不能滿足本系統(tǒng)的技術(shù)要求。
3 ZigBee [1][7]
Zigbee是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)名稱。這一名稱來源與蜜蜂的八字舞。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。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。
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。
4 IrDA (infrared data association，紅外數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)技術(shù)[5][6]
紅外線是波長在750nm至1mm之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光，是一種人的眼睛看不到的光線。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。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)。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)。
（3）主要是用來取代點(diǎn)對點(diǎn)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(diǎn)對點(diǎn)直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強(qiáng)
（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。
綜合比較以上各個短距離無線通信協(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。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。

1.3 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。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。
本論文的研究內(nèi)容主要有兩部分組成：
1.經(jīng)過討論各種無線通信協(xié)議的特點(diǎn)和電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，提出了基于ZigBee協(xié)議的硬件平臺。并詳細(xì)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(guī)則，開發(fā)出了相應(yīng)的驅(qū)動程序。

1.4內(nèi)容安排

本文對無線電子電菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)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。
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。
第四章和第三章相對應(yīng)的，主要講了硬件平臺的驅(qū)動程序以及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。
第五章是總結(jié)與展望。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)。
在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個組織，兩者分別制訂硬體與軟體標(biāo)準(zhǔn)。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4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， 2003年5月通過802.15.4標(biāo)準(zhǔn)；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(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1.0版規(guī)范(Version 1.0)，成員已達(dá)150多個。
ZigBee協(xié)議依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[8][9]，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。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。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(250 kbps)、工作在2.4 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)。
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(shí)由于ZigBee技術(shù)的低數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。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、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)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(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)。ZigBee的協(xié)議架構(gòu)大致如表2.1所列。

表2.1 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

ZigBee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。IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用層框架的協(xié)議。
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。以下是ZigBee協(xié)議套件的需求估計(jì)：硬件需要8位處理器，如廣泛使用的80C51系列單片機(jī)[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(diǎn)需要更多的ROM以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)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。
1 物理層
IEEE802.15.4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2.4 GHz和868/915 MHz。各個頻段可以使用的信道數(shù)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信號分為多個信號，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，具有更高的容錯性能。
2 媒體訪問層
IEEE802.15.4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IEEE802.11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。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。
3 網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)功能是ZigBee協(xié)議的重要特點(diǎn)，也是與其他無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同的地方。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。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。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)，它需要一個能負(fù)責(zé)管理和維護(hù)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(kuò)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)化最短和最可靠的路徑。

圖2.1 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)。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。
對于ZigBee裝置而言，當(dāng)加入到一個WPAN（Wireless Personal Area Net，個人無線局域網(wǎng)）后，應(yīng)用層的ZMO會發(fā)起一系列的初始化動作，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，都要通過這個綁定表來查詢資料的服務(wù)或者行規(guī)。而裝置應(yīng)用行規(guī)則是根據(jù)不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)出的不同的描述信息，以及ZigBee各層協(xié)議的參數(shù)設(shè)定。
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IEEE802.15.4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。
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。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。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。

2.2 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(jié)點(diǎn)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(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)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(dá)六個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(hù)的負(fù)擔(dān) 。
數(shù)據(jù)傳輸可靠性高：采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。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)目煽啃裕畲笙薅鹊亟档托畔p失的概率。
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(shí)存在最多100個Zigbee網(wǎng)絡(luò)。
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。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30ms，休眠激活時(shí)延典型值為15ms，活動設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。

表2.2 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。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動建立網(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(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)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。
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1.5~2.5美元，且Zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的。
協(xié)議套件緊湊而簡單：其具體實(shí)現(xiàn)的要求很低。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。
2.2.2 ZigBee協(xié)議存在的問題及解決方案
802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)，用它實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集，主要有以下兩個問題：
1、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘需要同步，監(jiān)控系統(tǒng)的多傳感器信息融合時(shí)，上位機(jī)需要知道每個原始數(shù)據(jù)是何時(shí)采集的，采樣的觸發(fā)要求每個節(jié)點(diǎn)有統(tǒng)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(shù)據(jù)發(fā)送量是很低的。
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。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(jī)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。
2.2.3 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)自動化和無線點(diǎn)菜系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。
消費(fèi)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(jī)，PC外設(shè)，兒童玩具，游戲機(jī)，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。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。
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(xiǎn)化學(xué)成分的檢測，火警的早期檢測和預(yù)報(bào)，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測和維護(hù)。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。
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(shí)時(shí)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(hù)和治療。
在現(xiàn)代農(nóng)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(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。
本系統(tǒng)是將ZigBee協(xié)議用于餐館的無線點(diǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)控餐館狀況、提供各種各樣統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)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)展的一個重要標(biāo)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)公司和無線設(shè)備制造公司，并且不斷有新的公司加盟這一聯(lián)盟?，F(xiàn)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越高。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。各個公司的芯片原理基本相同，編程規(guī)則大致相同，因此選用Nordic公司的nRF2401，下面詳細(xì)敘述一下nRF2401芯片的特點(diǎn)。
nRF2401無線收發(fā)一體芯片和藍(lán)牙一樣，都工作在2.4GHZ自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。nRF2401支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率超過1Mbit/s，而且比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度。它采用SOC方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。與藍(lán)牙不同的是，nRF2401沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401比藍(lán)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(tǒng)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)采用全球開放的2.4GHZ頻段，有125個頻道，可滿足多頻及跳頻需要；
(2)速率（1Mbps）高于藍(lán)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(jì)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(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(jī)地址時(shí)才會輸出數(shù)據(jù)（提供一個中斷指示），同時(shí)編程也很方便；
(9)內(nèi)置CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗(yàn)）[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nRF2401的數(shù)據(jù)；
(11)采用ShockBurst TM模式時(shí)，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(yàn)；
(14)帶有數(shù)據(jù)時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)功能。
nRF2401的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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)出來進(jìn)行低數(shù)據(jù)率的時(shí)鐘同步和高數(shù)據(jù)率的傳輸，因此極大的降低了功耗。
ShockBurst TM發(fā)射主要通過MCU接口引腳CE、CLK1和DATA來完成。當(dāng)MCU請求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，置CE為高電平，此時(shí)的接收機(jī)地址和有效載荷數(shù)據(jù)作為nRF2401的內(nèi)部時(shí)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。
ShockBurst TM接收主要使用MCU接口引腳CE、DR1、CLK1、DATA來實(shí)現(xiàn)。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。此后便可在nRF2401監(jiān)測信息輸入200μｓ，若收到有效數(shù)據(jù)包，則給MCU一個中斷并置DR1為高電平，以使MCU 以時(shí)鐘形式輸出有效載荷數(shù)據(jù)，待系統(tǒng)收到全部數(shù)據(jù)后, nRF2401再置DR1為低?此時(shí)如果CE保持高電平，則等待新的數(shù)據(jù)包。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(dú)立的專用數(shù)字信道，因而可代替兩個單獨(dú)接收系統(tǒng)。圖4所示是DuoCeiver TM同時(shí)雙接收信道結(jié)構(gòu)圖。 nRF2401可以通過一個天線接口從相隔8MHZ的兩1Mbps接收機(jī)上接收數(shù)據(jù)。同時(shí)將兩個數(shù)字信道的輸出反饋到兩個單獨(dú)的MCU接口。具體的兩個信道如下:
圖2.4 DuoCeiver TM同時(shí)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(shí)，才能保證正常接收。