基于ZigBee技术的无线点餐系统 设计报告(北方工业大学 一队)

',

基于ZigBee技术的无线点餐系统

Wireless Order System Based On ZigBee Technology

2008年 7月 14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

',

关键词：无线点餐系统 ZigBee技术 蜂窝状通信网络 WinCE 270-S嵌入式系统

微处理器ATMEGA128 射频收发芯片AT86RF230

Abstract

As wireless communications technology developing ceaselessly, ZigBee technology that met the needs of low cost devices logging in the wireless lan appeared in these years.It’s a kind of close quarters, simpleness,low power,low

',

technology.And it’s mostly propitious to the fields of automatic and long-distance control and the home devices network.We adopt 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 ATMEGA128 radio transceiver chip AT86RF230

目 录

第1章 绪论 .................................................................................................................................... 6

第2章 系统方案............................................................................................................................. 7

',

2.1基本功能2.2基本组成 2.3系统结构 2.4工作流程

第3章 功能与指标......................................................................................................................... 9

3.1 ZIGBEE技术简介

3.2 ZIGBEE技术特点

3.3 ZIGBEE主要技术指标

第4章 实现原理........................................................................................................................... 11

4.1系统硬件结构

4.1.1 传感器节点

4.2.2 系统电源 4.2.3 RF收发芯片

4.2 AT86RF230性能和内部结构 . 4.2.1 性能参数 4.2.2 终端节点

4.3 网络设备的硬件电路构成 4.3.1 设计原理 4.3.2 降低干扰4.3.3 键盘设计 4.4节点软件设计第5章 硬件框图........................................................................................................................... 15 5.1系统结构图 5.2节点设备外型图

5.3 系统电路框图 .

5.3.1 IEEE802.15.4网络设备基本构成 .

5.3.2 AT86RF230功能框图

5.3.3 RF芯片电路原理图 5.3.4控制器电路 5.3.5天线馈线阻抗控制模型 5.3.6键盘显示电路

第6章 软件流程........................................................................................................................... 21 6.1系统软件界面 6.1.1 界面介绍 6.1.2 桌号选择 6.1.3 菜品选择 6.1.4 功能键说明 6.2系统软件数据流图

',

6.3系统功能基本代码6.3.1构造函数 6.3.2启动服务 6.3.3停止服务 6.3.4下发指令

第7章系统测试方案 ................................................................................................................. 27

第8章测试设备.................................................................................................................................... 28

第9章测试数据.................................................................................................................................... 29

第10章结果分析.................................................................................................................................. 29

第11章实现功能 .................................................................................................................................. 30 11.1 结构功能 ................................................................................................................................... 11.2 应用功能 ...................................................................................................................................

第12章特色 ......................................................................................................................................... 31 12.1 结构特色 ................................................................................................................................... 12.2 功能特色 ...................................................................................................................................

参考文献 ........................................................................................................................................ 32

附录 ................................................................................................................................................ 33

附录A ........................................................................................................................................ 33

附录B ......................................................................................................................................... 33

附录C ......................................................................................................................................... 34

附录D ........................................................................................................................................ 35

',

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ZigBee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。

6

',

第2章 系统方案

2.1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

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 7

',

窝网状网络，再与 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

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。

8

',

第3章 功能与指标

3.1 ZigBee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

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CSMA－CA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， 9

',

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

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 AES

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

通信时延 15ms（激活或信道接入），30ms（设备搜索）

10

',

第4章 实现原理

4.1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。

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 11

',

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(RSSI)、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

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ZigBee／IEEE802．15．4兼容的无线射频收发芯片。它工作在2.4 GHz ISM频段，拥有104dB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 mm×5mm×0．9mm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O．7μA；工作电压可达1．8～3．6V，内部有集成的1．8V LDO。AT86RF230内部有35个可以通过SPI控制时序访问的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129字节和130字节，正好可以满足IEEE802．15．4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。

12

',

4.3 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.8～5．5V，掉电模式下只有O.1μA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珠或电感；AT86RF230模拟地和数字地要分开布线，并在一点接地；为了减小分布参数的影响，铺地要尽可能大，并且要适当打上过孔；滤波用的电容也要尽量靠近芯片。另外，要注意阻抗匹配， AT86RF230天线端口为2路100Ω的差分输出，可直接接差分馈电的天线，但缺点是阻抗匹配和测试都比较困难，一般可以用巴伦把2路100Ω的差分输出变换成 13

',

一路50Ω输出，然后接各类单端馈电的天线。在控制RF信号输出脚

PCB导线的阻抗时，可以采用下图所示的模型：

天线馈线阻抗控制模型

4.3.3 键盘设计

键盘显示通过如下电路实现，通过ZLG7290键盘显示控制芯片扩展按键部分，与控制处理器通过I2C总线实现按键数值的读写。为降低功耗，设备采用字段式液晶屏，通过4位总线与控制器相连，实现数据的显示。

4.4节点软件设计

软件设计主要包括射频驱动、外围电路控制和ZigBee协议栈设计3个部分。软件开发环境为免费的AVRSTUDIO+AVRGCC，也采用的Atmel免费提供的无线通信协议栈实现。

基本过程为：网络协调器首先初始化WPAN信息数据库，建立ZigBee网络，分配网络ID号和16位网络地址，初始化邻居设备表，然后等待其他节点连接；网络节点上电后，初始化内部资源、网络节点的WPAN信息数据库，发送扫描信号请求连接，连接成功后，记录下网络ID和 14

',

分配好的16位网络地址，按功能设定向协调器发送信息。因为网络节点一般为电池供电，所以在空闲时要进入休眠节能状态。外围电路控制主要是针对传感器、开关等器件的控制，可根据不同需求对软件进行相应的修改。

第5章 硬件框图

5.1系统结构图

无线点餐系统总体结构图

上图描述了无线点餐系统的总体结构，直观的反应了基于ZigBee技术的系统框架，从图

中我们可以发现该系统的ZigBee节点中继等特点。

5.2节点设备外型图

节点设备外型图如下所示：

15

',

系统外型图

系统内部结构图

5.3 系统电路框图

5.3.1 IEEE802.15.4网络设备基本构成

IEEE802.15.4网络设备基本构成

16

',

5.3.2 AT86RF230功能框图

AT86RF230功能框图

17

',

5.3.3 RF芯片电路原理图

RF芯片电路原理图

18

',

5.3.4控制器电路

控制器电路

19

',

5.3.5天线馈线阻抗控制模型

天线馈线阻抗控制模型

20

',

5.3.6键盘显示电路

键盘显示电路

21

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0h14.html