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。
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