基于单片机的无线电子点菜系统硬件方案设计

1.3 论文的研究内容

无线电子点菜系统的实现是建立在硬件电路的基础上的，为了降低误码率，提高频率资源的利用律，数据必须按照一定协议传输。在发送端，数据按照一定的格式编码，然后调制到一约定的频率后发送；接受端将接收到的信号经过解调和解码后，将数据还原。
本论文的研究内容主要有两部分组成：
1.经过讨论各种无线通信协议的特点和电子技术的发展现状，在此基础上，提出了基于ZigBee协议的硬件平台。并详细分析了平台组成部分各自的原理以及功能。
2.分析了平台的编程规则，开发出了相应的驱动程序。

1.4内容安排

本文对无线电子电菜系统的硬件设计进行了深入的研究，全文共分为五章，各章节的内容安排如下：
第一章介绍了本文的研究背景和各章节的内容安排情况。
第二章介绍ZigBee协议的详细内容和一种基于ZigBee协议的芯片。
第三章在上一章的基础上提出了自己的硬件平台，详细介绍了平台的组成部分和各自的功能。
第四章和第三章相对应的，主要讲了硬件平台的驱动程序以及PC机端串行口调试工具的开发，并简单介绍了相应的软件开发工具。
第五章是总结与展望。对本文工作进行了总结，并探讨可以进一步深入研
究的方向。
第二章 ZigBee[7]协议分析
ZigBee协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。
在标准规范制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织，两者分别制订硬体与软体标准。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订MAC（Media Access Control,媒体存取控制层）与物理层规范， 2003年5月通过802.15.4标准；在ZigBee 联盟方面，ZigBee[7]联盟是在2002年10月由Honeywell、Mitsubishi、Motorola、Philips与Invensys共同成立，ZigBee联盟负责制订网路层、安全管理、应用界面规范，其次也肩负互通测试，目前ZigBee联盟已推出第1.0版规范(Version 1.0)，成员已达150多个。
ZigBee协议依据802.15.4标准[8][9]，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/915 MHz的无线技术，它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。
相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术，同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。

2.1 ZigBee协议框架

ZigBee协议同其它网络通信协议一样采用分层模型，对各层所实现的功能和在整个协议中起的作用做了明确的划分，每层为其上层提供一组特定的服务。ZigBee的协议架构大致如表2.1所列。

表2.1 ZigBee的协议架构
第四层 应用层
第三层 网络层
第二层 媒体访问层（MAC）
第一层 物理层

ZigBee协议虽然是基于标准的七层OSI（Open System Interconnect，开放式系统互联）模型[10]，但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义。IEEE802.15.4-2003标准定义了最下面的两层：物理层和MAC。ZigBee联盟提供了网络层和应用层框架的协议。
相比于常见的无线通信标准，ZigBee协议套件紧凑而简单，具体实现的要求很低。以下是ZigBee协议套件的需求估计：硬件需要8位处理器，如广泛使用的80C51系列单片机[12]；软件需要32KB的ROM（Read Only Memory，只读存储器），最小软件需要4KB的ROM；网络主节点需要更多的ROM以容纳网络内所有节点的设备信息，数据包转发表，设备关联表，与安全有关的密钥存储等。
1 物理层
IEEE802.15.4标准在物理层设计中面向低成本和更高层次的集成需求，才用的工作频段分别为2.4 GHz和868/915 MHz。各个频段可以使用的信道数目分别为16、10、1，各自提供250kbps,40kbps和20kbps的传输速率，其传输范围介于10-100米之间。
为了避免干扰，在各个频段均使用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频技术)[13]，以化整为零方式将一个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号以避免干扰，这对大部分较低端的实现来说，直接序列的应用可以使模拟电路更加简单，具有更高的容错性能。
2 媒体访问层
IEEE802.15.4标准在媒体访问层（MAC）方面，主要沿用无线局域网WLAN中IEEE802.11系列标准的CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，载波监听多路访问与冲突避免)方式以提高系统的兼容性。这种MAC层的设计不但是多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可以实现非常有效的功耗控制。
3 网络层
网络功能是ZigBee协议的重要特点，也是与其他无线局域网标准不同的地方。在网络层方面其主要工作在于负责网络机制的建立与管理，并且具有自我组态与自我修复功能。在网络层中ZigBee协议定义了三种角色：第一个是网络协调器，负责网络的建立以及网络位置的分配；第二个是路由器，主要负责找寻建立以及修复信息包的路由路径，并负责转发信息包；第三个是末端装置，只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息包，但是不能转发，不具备路由的功能。通常，路由器和网络协调器由全功能装置（FFD）实现，而末端装置由简化功能装置（RFD）实现。在组网方式上，ZigBee主要采用图2.1所示三种方式：其一为主从方式的星形网，它需要一个能负责管理和维护网络的网络协调器和不超过65535个从属装置；其二为簇形网络，它可以是扩展的单个星形网或者互连多个星形网络；其三为网状网（Mesh），网络中的每个FFD可以做为路由器，根据AD hoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径。