基于ZigBee技术的无线点菜系统

摘要：介绍了基于ZigBee技术的无线点菜系统的设计方案，选用集成8051内核的CC2430芯片作为网络节点。利用星型网络，简单外围电路，软件、硬件的设计，实现了无线点菜功能。在低功耗方面采用外部中断唤醒睡眠模式的工作方式，延长了终端的电池使用寿命。解决了点菜终端功耗大的问题。
关键词：ZigBee；CC2430；无线点菜系统；低功耗

0 前言
随着社会信息化的发展，我国餐饮业，尤其是快餐行业迅猛发展。传统餐饮业管理成本高、管理水平低、人力资源浪费、服务员工作量大、工作效率低、点菜周期长、跑单漏单严重、纸张等耗材大，严重影响到餐饮业服务品质和形象。无线点菜系统为造就高档就餐环境，提高顾客的满意程度，吸引更多顾客创造了条件，提高了餐饮业的自动化、信息化水平。

1 ZigBee技术简介
ZigBee的名称源于蜜蜂的舞蹈，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈交换各种信息。故将新一代无线通信技术命名为ZigBee。ZigBee过去又称为HomeRF Lite、RF-EasyLink或FireFly无线电技术，目前统称为ZigBee技术。
ZigBee技术利用全球共用公共频率2．4GHz，该频段为全球统一无需申请ISM频段，被划为16个信道，数据传输速率250kbps，码元速率为 62．5kbaud，采用16进制正交调制，码片长度为8的伪随机码直接扩频，具有显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势，目前被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。
ZigBee的特点主要表现在以下几个方面：
(1)低功耗：待机模式，2节AAA干电池可支持1个节点工作0．5～1年。
(2)低成本：协议大幅简化，免执照频段、协议专利费。
(3)低速率：250、40和20kbps原始数据吞吐率。
(4)近距离：传输范围为10～75m，增加RF发射功率，可达1～3km。
(5)网络容量大：可组成65000个节点的大网。
(6)短时延：响应速度快，睡眠转入工作状态需15ms，节点连接入网需30ms。
(7)安全性能高。

2 系统总体方案设计
2．1 系统方案选择
较早期的无线点菜系统主要是IC卡点菜终端和红外点菜终端。
IC卡点菜终端：服务员领卡、插卡、客户点菜，结束后需到固定地点读卡。特点是信息准确、价格低、速度慢、费时费力。
红外点菜终端：顾客可直接在其上点菜，速度快、价格中、发射距离短、需直线接收。
目前较为流行的点菜系统设计方案主要有以下三种：
(1)商用PDA+无线网卡。借助带无线网卡的商品化PDA开发。较典型的几种采用Windows mobile操作系统的Dell-Axim x50、采用Pocket PC操作系统的宏基-N1O等。特点是开发方便、开发调试工具较好、功能强大、802．11协议、传输数据可靠安全，但价格昂贵。
(2)单片机+无线模块。采用单片机、单色LCD模块、按键输入、微功耗的无线IC，如RF401。无操作系统、定制式软件、价格便宜、功耗低、简单易用。但人机对话差、功能弱、软件升级难、软件移植复用能力差。
(3)处理器+操作系统+无线模块
微软WINCE操作系统、32位处理器、16色LCD触摸屏和无线模块。开发、使用较方便，但操作系统非免费且不开源，增加了单个商品成本。
对比以上方案，结合中、小型规模餐饮企业的实际需求，本文采用第二种方案进行点菜系统的研究。
2. 2 系统总体架构
本系统由用于无线点菜的通信终端设备(简称“终端”)、协调器设备、作为服务器的PC机、打印机等部分组成。
服务员携带终端，可根据顾客需求为顾客提供实时服务：点菜、套餐点菜、加菜、退菜、套餐退菜、催菜、口味选择等。点菜完成，点菜信息经由星型ZigBee无线传感网络实现数据传输，传送至服务器。
服务器完成与终端实时通信、咨询、账单打印、数据维护管理、账单结算、酒店人事管理等。该系统架构图如图1所示。


2. 3系统工作流程
系统工作流程如图2所示。顾客进店，服务员据终端显示的空桌开台，顾客据菜谱(纸制，放于桌上)选择适合口味的菜，据“编号-菜名”键入菜名编号。点菜完成，终端显示菜单及结算账单。顾客确认后，可选择发送键，完成数据发送。服务台收到信息后，经过厨师制作、出品核对、传菜、台位划菜，最后收银台打印账单小票、结账。


3 系统网络建立
据餐饮业的实际环境和需求，对比星形、树型和网状拓扑结构网络的各自优缺点，选用星形拓扑结构组建ZigBee无线传感网络。
星型网络中，采用PCB天线，传输距离：50～100m。协调器采用电源线供电，采用SMA棒状天线，在大发射功率下传输距离1000m。整个网络响应速度快，采集终端从睡眠模式转入工作模式约需要15ms，采集终端的连接入网时间约为30ms，由活跃设备信道连接入网时间约为15m-s，网络延时很小。
3．1 组网过程
具体组网流程：协调器初始化，选定PAN ID，自身配给一16位网络短地址作为组网标识，短地址格式定义为0x0000，经通道能量扫描检测API，选择可用通道并建立WAN，开放对加入网络请求应答，启动网络：终端完成初始化，进行频道扫描，找到协调器，以特定频率发送信
标请求，接收16位短地址，作为网络标识。完成ZigBee星型网络建立。
3．2 CSMA／CA介质访问控制方法
在通信网络的通信过程中，数据传输量较少，CSMA／CA是网络的最佳选择。CSMA／CA采用随机指数退避来实现冲突避免功能，实现数据安全、可靠传输。
3．3 网络的数据传输
终端与协调器的数据传输有两种方式：直接数据传输和间接数据传输。终端向协调器发送数据时，采用直接数据传输，协调器收到数据后返回确认信息。
3．4 ZigBee网络的通信协议
在数据的传输过程中，有多种指令和不同长度的数据，为实现程序设计方便及数据传输的可靠性、有效性，通信过程中定义了通信协议帧，如图3、4所示。通信过程中，终端未收到确认帧，则连续发送三次，仍没应答，确认为通信故障。


4 硬件设计
4．1 终端硬件设计
终端由MCU、电源、工作状态指示、复位、键盘、LCD、晶振、天线、SD RAM等电路组成。终端硬件结构、电路如图5、6所示。