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。
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