基于单片机的无线电子点菜系统硬件方案设计

图2.1 三种网络拓扑结构

4 应用层
对于应用层，主要有三个部分：与网络层相连的应用支持（APS），ZigBee设备对象（ZDO）以及装置应用行规。ZigBee的应用层架构最重要的是已经覆盖了服务的观念。
对于ZigBee装置而言，当加入到一个WPAN（Wireless Personal Area Net，个人无线局域网）后，应用层的ZMO会发起一系列的初始化动作，先通过APS进行装置收寻以及服务收寻后，然后根据事先定义好的描述信息，将与其相关的装置或是服务记录在APS里的绑定表中；之后所有服务的使用，都要通过这个绑定表来查询资料的服务或者行规。而装置应用行规则是根据不同的产品设计出的不同的描述信息，以及ZigBee各层协议的参数设定。
5 安全层
安全层并非单独独立的协议，ZigBee为其提供了一套基于128位AES算法的安全类和软件，并且集成了IEEE802.15.4标准的安全元素，用来保证MAC层祯的机密性，一致性和真实性。
另外ZigBee联盟也负责ZigBee产品互通性测试与认证规则的制定，让开发ZigBee产品的厂商有一个公开的场合，能够互相测试互通性。而在认证部分，ZigBee联盟一共定义了三种层次的认证，第一级认证物理层和MAC，与芯片厂有着最直接的关系；第二级认证ZigBee协议栈；第三级认证ZigBee产品。只有通过第三级认证的产品才能贴上ZigBee的标志，所以也称作ZigBee注册认证。

2.2 ZigBee协议优缺点和应用前景

ZigBee协议是从WLAN发展过来的，经过近几年来ZigBee联盟成员[7]对标准的不断修改和完善，已经显示出了强大的生命力，但是本身还有一些缺点，这也限制了ZigBee协议的使用范围。
2.2.1 ZigBee协议的优点
功耗低：由于ZigBee网络节点设备工作周期较短、收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式（当不传送数据时处于休眠状态，当需要接收数据时由ZigBee网络中的协调器设备负责唤醒它们），可以确保两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。避免了频繁更换电池或者充电，从而减轻了网络维护的负担 。
数据传输可靠性高：采用了碰撞避免机制，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。而且MAC层采用了完全确认的数据传输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，从而从根本上确保了数据传输的可靠性，最大限度地降低信息损失的概率。
网络容量大：一个Zigbee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备[14]，一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络。
时延小：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。

表2.2 Zigbee与蓝牙协议时延比较
设备收索时延典型值（ms） 休眠激活时延典型值(ms) 活动设备信道接入时延(ms)
ZigBee技术 30 15 15
蓝牙技术 >=3000 3000 2

兼容性：与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手协议。
安全性：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，是网络安全得到有效的保障。
实现成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5~2.5美元，且Zigbee协议是免专利费的。
协议套件紧凑而简单：其具体实现的要求很低。Zigbee协议套件的需求估计：8位微处理器，如80C51[10]；全协议套件软件需要32K字节的ROM；最小协议套件软件大约4K字节的ROM。
2.2.2 ZigBee协议存在的问题及解决方案
802.15.4标准是ZigBee协议的基础，用它实现无线数据采集，主要有以下两个问题：
1、网络内传感器节点时钟需要同步，监控系统的多传感器信息融合时，上位机需要知道每个原始数据是何时采集的，采样的触发要求每个节点有统一的时钟；
2、其通信速率较低，而且又受到接口通信速率的限制，加之受纠错码的编码效率影响，真正的数据发送量是很低的。
解决此问题可以通过如下的途径： 传感器节点采用DSP处理器，尽可能在传感器节点一级多做些数据处理工作，尽量减少原始数据的发送量，只发送有用信息。例如，对于平稳状态的原始数据可以不发送到上位机中，只发送可疑状态前后的原始数据，这样就大大减少了数据的通信量。
2.2.3 ZigBee协议应用前景
ZigBee协议特别适合数据吞吐量小，网络建设投资少，网络安全要求较高，不便频繁更换电池或者充电的场合，预计将在消费类电子设备，家庭智能化，工业控制，医疗设备控制，农业自动化和无线点菜系统等领域获得广泛的应用。
消费类电子产品和家庭智能化将是ZigBee技术最有潜力的市场，家庭可以联网的设备包括电视，录象机，PC外设，儿童玩具，游戏机，门禁系统，窗户和窗帘，照明设备，空调设备和其他家用电器等。家用设备引进ZigBee协议后将极大改善人们的居住环境和舒适度。
在工业控制领域，利用传感器和ZigBee网络，可是数据的自动采集，分析和处理变得更加容易；可以作为决策辅助系统的重要组成部分，例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在于低功耗，可最大限度地延长电池的寿命，减少ZigBee网络的维护成本。
在医学领域，利用传感器和ZigBee网络可以准确，实时地监测每个病人的血压，心率等情况，有助于医生快速做出反应，减少医生查房的工作负担，特别适合对重，危病患者的监护和治疗。
在现代农业中，利用传感器可以将土壤温度，氮浓度，PH值，降水量，气温，气压和采集信息的地理位置经由ZigBee网络传送到中央的控制部分，使农民能及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量，减少发生灾害的概率。
本系统是将ZigBee协议用于餐馆的无线点菜系统，这样能够提高餐馆档次、提高效率、自动结账、避免人为错误、避免跑单、实时监控餐馆状况、提供各种各样统计信息、精简人手、管理库存、提高服务品质等，为餐饮行业带来崭新的管理理念与服务手段,优化业务流程,为客户提供更好的服务,实现企业价值最大化同时又使成本最低化,是餐饮行业向信息化发展的一个重要标志。