“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛-基于ZigBee技术的无线点餐系统.doc
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1、2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 基于基于 ZigBeeZigBee 技术的无线点餐系统技术的无线点餐系统 Wireless Order System Based On ZigBee Technology 2008 年年 7 月月 14 日日 摘 要 随着无线通信技术的不断发展,近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的 ZigBee 技术,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线 通信技术,主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网,我们采用 ZigBee 技 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 术,可以为无线点餐系统提供很好的解决方
2、案。 关键词:无线点餐系统关键词:无线点餐系统 ZigBee 技术技术 蜂窝状通信网络蜂窝状通信网络 WinCEWinCE 270-S270-S 嵌入式系统嵌入式系统 微处理器微处理器 ATMEGA128ATMEGA128 射频收发芯片射频收发芯片 AT86RF230AT86RF230 Abstract As wireless communications technology developing ceaselessly, ZigBee technology that met the needs of low cost devices logging in the wireless lan
3、appeared in these years.Its a kind of close quarters, simpleness,low power,low 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 transmission speed and low cost bidirectional wireless communications technology.And its mostly propitious to the fields of automatic and long- distance control and the home devices network.We ad
4、opt ZigBee technology so that provide the more effective solutions to wireless order system. Keywords: wireless order system ZigBee technology alveolate communications network WinCE 270-S Applications for embedded systems microprocessor ATMEGA128ATMEGA128 radio transceiver chip AT86RF230 目 录 第第 1 章章
5、 绪论绪论6 第第 2 章章 系统方案系统方案7 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 2.1 基本功能7 2.2 基本组成7 2.3 系统结构7 2.4 工作流程8 第第 3 章章 功能与指标功能与指标9 3.1 ZIGBEE技术简介.9 3.2 ZIGBEE技术特点.9 3.3 ZIGBEE主要技术指标.10 第第 4 章章 实现原理实现原理11 4.1 系统硬件结构11 4.1.1 传感器节点11 4.2.2 系统电源11 4.2.3 RF 收发芯片11 4.2 AT86RF230 性能和内部结构.12 4.2.1 性能参数12 4.2.2 终端节点12 4.3 网络设备的
6、硬件电路构成.12 4.3.1 设计原理12 4.3.2 降低干扰13 4.3.3 键盘设计14 4.4 节点软件设计14 第第 5 章章 硬件框图硬件框图15 5.1 系统结构图15 5.2 节点设备外型图15 5.3 系统电路框图.16 5.3.1 IEEE802.15.4 网络设备基本构成16 5.3.2 AT86RF230 功能框图16 5.3.3 RF 芯片电路原理图17 5.3.4控制器电路.18 5.3.5天线馈线阻抗控制模型.19 5.3.6键盘显示电路.20 第第 6 章章 软件流程软件流程21 6.1 系统软件界面21 6.1.1 界面介绍21 6.1.2 桌号选择21 6
7、.1.3 菜品选择22 6.1.4 功能键说明22 6.2 系统软件数据流图22 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 6.3 系统功能基本代码23 6.3.1构造函数.23 6.3.2启动服务.23 6.3.3停止服务.23 6.3.4下发指令.24 第第 7 章系统测试方案章系统测试方案 27 第第 8 章测试设备章测试设备 .28 第第 9 章测试数据章测试数据 .29 第第 10 章结果分析章结果分析 .29 第第 11 章实现功能章实现功能 .30 11.1 结构功能.30 11.2 应用功能.30 第第 12 章特色章特色 .31 12.1 结构特色.31 12.2
8、功能特色.31 参考文献参考文献32 附录附录33 附录 A33 附录 B33 附录 C34 附录 D35 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 6 第 1 章 绪论 随着无线通信技术的不断发展,近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的 ZigBee 技术,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无 线通信技术,主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网,我们采用 ZigBee 技术,可以为无线点餐系统提供很好的解决方案。 目前的点餐系统主要有两种:人工手工点单操作和无线点餐。人工手工点单操作 也就是传统的点餐方式,目前在市场上还是较为普遍,但是这种简单的点
9、餐方式存 在的弊端主要表现为:人工传递浪费时间,效率低下,直接影响了翻台率;经营大 规模菜系时单据多、信息量大,而分单、传菜等环节经过的人越多越容易出问题, 因而直接影响了服务质量,同时财务无法保证有效的监督管理机制。无线点餐技术 是基于 PDA 掌上电脑和 802.11b 无线局域网技术的全智能餐饮信息服务系统,它能 有效提高餐饮机构的服务质量和工作效率。但是这种无线点餐技术是半无线网络化 的组网技术,组网设备的种类比较多,各个节点需要通过电缆与以太网交换机相连, 综合布线比较麻烦,会给安装带来很大的不便。而且一旦布线出问题,会影响到餐 厅的整个无线点餐系统,使其不能正常工作。 基于 Zig
10、Bee 技术的无线点餐系统是点餐模式的重大革新。本文将对 ZigBee 技 术进行详细的阐述,然后实现基于 ZigBee 技术的无线点餐系统。 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 7 第 2 章 系统方案 2.1 基本功能基本功能 利用本套系统,服务员或顾客可以随时随地使用无线点餐终端进行点菜等工作, 并即时把数据传到后台数据服务器。在数据服务器端,安装有 ZigBee 无线数据中心 节点,可以在有效范围内与无线点餐终端进行随时随地的通讯,并能够准确快速地 完成点餐等工作。它节省了人工传递的时间,提高了工作效率,直接提升了翻台率; 对于经营单据多、信息量大的大规模菜系,更好地避
11、免了分单、传菜等环节人为的 问题,从而直接提高了服务质量,同时也保证了更加有效的财务监督管理机制。 2.2 基本组成基本组成 本系统由服务员手持的带 ZigBee 无线数据通讯功能的无线点餐终端、或安装在 餐桌上的具有 ZigBee 无线数据通讯功能的点餐终端,和连接在装有无线点餐服务器 软件的基于 WinCE 的 270EP 嵌入式系统服务器端的 ZigBee 无线数据中心组成。 2.3 系统结构系统结构 系统由手持无线点餐终端或桌上的无线点餐终端、无线通讯节点及安装了无线 点餐服务器软件的基于 WinCE 的 270-S 嵌入式系统组成。270-S 嵌入式系统无线通讯 节点与无线点餐终端配
12、合使用完成点菜系统的无线数据通讯功能。一台 ZigBee 无线 通讯中心节点能够以轮询的方式与多台无线点餐终端通讯。餐厅 ZigBee 无线节点网 络,通过在餐厅、吧台、厨房、收银台、处理中心部署的 ZigBee 节点设备构成了完 整的无线通讯网络,实现了信息处理的自动化。 无线通信系统的 ZigBee 中心节点、无线 ZigBee 路由和无线点餐终端,构成一 个蜂窝状的通信网络,任何一个节点以多调方式实现通信。 其中任何一个 ZigBee 路由器,负责与中心网络的连接和数据中继转发;所有的 ZigBee 路由器组成一个蜂 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 8 窝网状网络,再
13、与 ZigBee 中心节点连接,中心节点设置在总服务台,构建成一个完 整的 ZigBee 无线网络,是个通信非常可靠的网络结构。 2.4 工作流程工作流程 内置无线 ZigBee 通信模块的手持点餐终端,服务员通过手持的点餐终端处理顾 客的点单,用户订单通过终端和大厅内的 ZigBee 网络自动的上传到厨房和收银台, 从而完成整个点餐过程。 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 9 第 3 章 功能与指标 3.1 ZigBee 技术简介技术简介 ZigBee 是一种无线连接技术的商业化命名,该无线连接技术主要解决低成本、 低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。 国际
14、上,IEEE802.15.4 工作组及 ZigBee 联盟共同致力于该无线连接技术的推广 工作,其中,IEEE802.15.4 工作组主要负责制定 ZigBee 物理层及 MAC 层的协议, 其余协议主要参照和采用现有标准,以便于今后不同厂商设备的互联互通; ZigBee 联盟则负责高层应用及市场推广工作。而于 2002 年成立的 ZigBee 联盟如今已经吸 引了上百家芯片公司、无线设备公司的加入。目前,Freescale、TI 等国际巨头都已 推出了比较成熟的 ZigBee 开发平台。 ZigBee 标准基于 802.15.4 协议栈而建立,具备了强大的设备联网功能,它支持 三种主要的自组
15、织无线网络类型,即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree),特别是网状结构,具有很强的网络健壮性和系统可靠性。 3.2 ZigBee 技术特点技术特点 1、设备省电 ZigBee 技术采用了多种节电的工作模式,可以确保两节五号电池支持长达 6 个月到 2 年左右 的使用时间; 2、通信可靠 ZigBee 采用了 CSMACA 的碰撞避免机制,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;MAC 层采用了完全确认的数据传输机制,每个发送的数据包 都必须等待接收方的确认信息; 3、网络的自组织、自愈能力强 ZigBee 的自组织功能:无需人
16、工干预,网络节点能够感知其他节点的存在,并确定连接关系, 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 10 组成结构化的网络; ZigBee 自愈功能:增加或者删除一个节点,节点位置发生变动,节点发生故障等等,网络都 能够自我修复,并对网络拓扑结构进行相应地调整,无需人工干预,保证整个系统仍然能正常工 作。 4、具备自组织、自愈能力的无线通信网络才是无线点餐系统最理想的通信方式。 5、成本低廉 设备的复杂程度低,且 ZigBee 协议是免专利费的,这些可以有效地降低设备成本; 6、ZigBee 的工作频段灵活,为免执照频段的 2.4GHz,就是没有使用费的无线通信。 7、网络容量大 一
17、个 ZigBee 网络可以容纳最多 254 个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在 200 多 个 ZigBee 网络; 8、数据安全 ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用 AES-128,同时各个应用可以灵活 确定其安全属性。 3.3 ZigBee 主要技术指标主要技术指标 参数名称 性能参数 频 段 2.4-2.483GHz 通讯协议标准 IEEE 802.15.4 zigbee 网络拓扑结构 网状网、星型 调制方式 DSSS (O-QPSK) 数据传输速率 最大 250KBps 寻址方式 64 位 IEEE 地址,8 位网络地址 数据加密 128-bit AE
18、S 错误校验 CRC-16/32 信道接入方式 CSMA-CA 和时隙化的 CSMA-CA 信道数 16 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 11 通信时延 15ms(激活或信道接入) ,30ms(设备搜索) 第 4 章 实现原理 4.1 系统硬件结构系统硬件结构 4.1.1 传感器节点 传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元和数据传输单元以及电源管理 单元等模块组成。在我们系统中,微处理器 ATMEGA128 通过 SPI 总线与射频收发芯 片 AT86RF230 进行通信。数据采集单元主要对外界的信息进行感知和采集,包括光、 温度、湿度、加速度 、光电、液位、热释电、磁
19、感应、压力等传感器。为适应多种 应用,设计了通用接口,通用接口中有适配电路,以适应不同电参数部件直接接入 系统。通常节点的输出控制器即通过该通用接口接入。数据处理单元采用 ATMEL 公 司的 8 位低功耗微处理器 ATMEGA128L 作为控制核心。 4.2.2 系统电源 系统的电源通常由电池提供,也可以由稳压模块供给。 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 12 4.2.3 RF 收发芯片 RF 收发芯片负责射频信号的产生和接收解调,其基准时钟由外部高精度的晶体 振荡器提供;同时要实现一些物理层和 MAC 层的基本功能,例如编解码、信道选择、 功率控制、接收机能量检测(RSS
20、I)、链路质量指示(LQI)、空闲信道评估(CCA)和硬 件 CRC 校验等。在实现这些基本功能的前提下,RF 芯片应该尽量做到低功耗、高灵 敏度和较小封装。微控制器要有丰富的资源来完成对 RF 芯片的控制,以及对传感器、 各类应用接口和用户接口的实时响应。通常协议栈需要占用 32 KB 左右的存储空间。 4.2 AT86RF230 性能和内部结构性能和内部结构 4.2.1 性能参数 在我们系统中,射频收发芯片采用的是 Atmel 公司的 AT86RF230,AT86RF230 是 与 ZigBeeIEEE802154 兼容的无线射频收发芯片。它工作在 2.4 GHz ISM 频段, 拥有 1
21、04dB 链路预算,-101 dB 的接收灵敏度和 3 dB 的传输功率,从而减少网络中 所需节点设备的总数,大大降低了 IEEE 802.15.4 系统的组网成本。所有 RF 关键器 件(除了天线、晶振、去耦电容外)都集成在一块芯片中,封装形式采用 32 引脚、5 mm5mm09mm 大小的 QFN 封装。由该芯片所构成的设备仅需 6 个外部组件。 4.2.2 终端节点 终端节点通常是电池供电,发射模式下电流消耗为 17 mA,接收模式下为 15 mA,睡眠模式下仅为 O7A;工作电压可达 1836V,内部有集成的 18V LDO。AT86RF230 内部有 35 个可以通过 SPI 控制时
22、序访问的 8 位寄存器,工作时有 8 个基本状态(可以根据需要扩展为 14 个)。片内发送数据和接收数据的缓冲分别为 2008 第四届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛 13 129 字节和 130 字节,正好可以满足 IEEE802154 协议规定的最大帧长度 127 字 节的要求。发送时需要加 2 字节的 CRCl6 校验码,接收时还要多加 1 字节的链路质 量指示。 4.3 网络设备的硬件电路构成网络设备的硬件电路构成 4.3.1 设计原理 模块的数字接口为 ATmega128l 与 AT86RF230 之间的 SPI 接口以及其他 4 条控 制线。AT-megal28l 是 Atmel
23、 公司的 8 位高性能的 AVR 单片机。其基本特征有:采 用 RISC 构架,具有 135 条指令,工作在 16MHz 时吞吐率可达 16MIPS;片内具有 128 KB Flash、4 KB 片内 E2PROM 和 8 KB SRAM,可以通过 ISP 或 JTAG 下载程序; 工作频率最高可达 16 MHz,工作电压为 l.855V,掉电模式下只有 O.1A 的工 作电流。在本设计中 ATmegal281 工作于内部为 8 MHz 的振荡频率下。如果要采用 与 AT86RF230 同步的外部时钟信号,那么 CLKM 引脚应接到 ATmegal281 的 XTAL1 脚 上,并且熔丝位要设
24、置为外部时钟。AT86RF230 的各种工作状态中断信号由 IRQ 脚 控制,这里接到 ATmegal28l 的 ICPl 脚产生捕获中断,因为捕获中断可通过设置噪 声消除方式来减少外界的干扰,从而提高中断的可靠性。有关 AT86RF230 寄存器 SPI 读 写时序、状态转换图及各种中断控制的具体方法可以参阅参考文献。还需 注意,AT86RF230 所接外部晶振 X1 的长期工作频率稳定度要小于等于 40 ppm,并 根据晶振和芯片的驱动能力选择合适的负载电容。 4.3.2 降低干扰 对于模拟部分设计,为了降低其他部分的干扰,提高 RF 性能,需要采取抗 干扰措施。例如,模拟电源输入端增加磁
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