基于ZigBee技術(shù)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)

摘要：介紹了基于ZigBee技術(shù)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，選用集成8051內(nèi)核的CC2430芯片作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。利用星型網(wǎng)絡(luò)，簡單外圍電路，軟件、硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無線點(diǎn)菜功能。在低功耗方面采用外部中斷喚醒睡眠模式的工作方式，延長了終端的電池使用壽命。解決了點(diǎn)菜終端功耗大的問題。
關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2430；無線點(diǎn)菜系統(tǒng)；低功耗

0 前言
    隨著社會信息化的發(fā)展，我國餐飲業(yè)，尤其是快餐行業(yè)迅猛發(fā)展。傳統(tǒng)餐飲業(yè)管理成本高、管理水平低、人力資源浪費(fèi)、服務(wù)員工作量大、工作效率低、點(diǎn)菜周期長、跑單漏單嚴(yán)重、紙張等耗材大，嚴(yán)重影響到餐飲業(yè)服務(wù)品質(zhì)和形象。無線點(diǎn)菜系統(tǒng)為造就高檔就餐環(huán)境，提高顧客的滿意程度，吸引更多顧客創(chuàng)造了條件，提高了餐飲業(yè)的自動化、信息化水平。

1 ZigBee技術(shù)簡介
    ZigBee的名稱源于蜜蜂的舞蹈，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈交換各種信息。故將新一代無線通信技術(shù)命名為ZigBee。ZigBee過去又稱為"HomeRF Lite"、"RF-EasyLink"或"FireFly"無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為ZigBee技術(shù)。
    ZigBee技術(shù)利用全球共用公共頻率2．4GHz，該頻段為全球統(tǒng)一無需申請ISM頻段，被劃為16個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率250kbps，碼元速率為 62．5kbaud，采用16進(jìn)制正交調(diào)制，碼片長度為8的偽隨機(jī)碼直接擴(kuò)頻，具有顯著的低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，目前被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一。
    ZigBee的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
    (1)低功耗：待機(jī)模式，2節(jié)AAA干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作0．5～1年。
    (2)低成本：協(xié)議大幅簡化，免執(zhí)照頻段、協(xié)議專利費(fèi)。
    (3)低速率：250、40和20kbps原始數(shù)據(jù)吞吐率。
    (4)近距離：傳輸范圍為10～75m，增加RF發(fā)射功率，可達(dá)1～3km。
    (5)網(wǎng)絡(luò)容量大：可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。
    (6)短時(shí)延：響應(yīng)速度快，睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)需15ms，節(jié)點(diǎn)連接入網(wǎng)需30ms。
    (7)安全性能高。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)方案選擇
    較早期的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)主要是IC卡點(diǎn)菜終端和紅外點(diǎn)菜終端。
    IC卡點(diǎn)菜終端：服務(wù)員領(lǐng)卡、插卡、客戶點(diǎn)菜，結(jié)束后需到固定地點(diǎn)讀卡。特點(diǎn)是信息準(zhǔn)確、價(jià)格低、速度慢、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
    紅外點(diǎn)菜終端：顧客可直接在其上點(diǎn)菜，速度快、價(jià)格中、發(fā)射距離短、需直線接收。
    目前較為流行的點(diǎn)菜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要有以下三種：
    (1)商用PDA+無線網(wǎng)卡。借助帶無線網(wǎng)卡的商品化PDA開發(fā)。較典型的幾種采用Windows mobile操作系統(tǒng)的Dell-Axim x50、采用Pocket PC操作系統(tǒng)的宏基-N1O等。特點(diǎn)是開發(fā)方便、開發(fā)調(diào)試工具較好、功能強(qiáng)大、802．11協(xié)議、傳輸數(shù)據(jù)可靠安全，但價(jià)格昂貴。
    (2)單片機(jī)+無線模塊。采用單片機(jī)、單色LCD模塊、按鍵輸入、微功耗的無線IC，如RF401。無操作系統(tǒng)、定制式軟件、價(jià)格便宜、功耗低、簡單易用。但人機(jī)對話差、功能弱、軟件升級難、軟件移植復(fù)用能力差。
    (3)處理器+操作系統(tǒng)+無線模塊
    微軟WINCE操作系統(tǒng)、32位處理器、16色LCD觸摸屏和無線模塊。開發(fā)、使用較方便，但操作系統(tǒng)非免費(fèi)且不開源，增加了單個(gè)商品成本。
    對比以上方案，結(jié)合中、小型規(guī)模餐飲企業(yè)的實(shí)際需求，本文采用第二種方案進(jìn)行點(diǎn)菜系統(tǒng)的研究。
2. 2 系統(tǒng)總體架構(gòu)
    本系統(tǒng)由用于無線點(diǎn)菜的通信終端設(shè)備(簡稱“終端”)、協(xié)調(diào)器設(shè)備、作為服務(wù)器的PC機(jī)、打印機(jī)等部分組成。
    服務(wù)員攜帶終端，可根據(jù)顧客需求為顧客提供實(shí)時(shí)服務(wù)：點(diǎn)菜、套餐點(diǎn)菜、加菜、退菜、套餐退菜、催菜、口味選擇等。點(diǎn)菜完成，點(diǎn)菜信息經(jīng)由星型ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，傳送至服務(wù)器。
    服務(wù)器完成與終端實(shí)時(shí)通信、咨詢、賬單打印、數(shù)據(jù)維護(hù)管理、賬單結(jié)算、酒店人事管理等。該系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。


2. 3系統(tǒng)工作流程
    系統(tǒng)工作流程如圖2所示。顧客進(jìn)店，服務(wù)員據(jù)終端顯示的空桌開臺，顧客據(jù)菜譜(紙制，放于桌上)選擇適合口味的菜，據(jù)“編號-菜名”鍵入菜名編號。點(diǎn)菜完成，終端顯示菜單及結(jié)算賬單。顧客確認(rèn)后，可選擇發(fā)送鍵，完成數(shù)據(jù)發(fā)送。服務(wù)臺收到信息后，經(jīng)過廚師制作、出品核對、傳菜、臺位劃菜，最后收銀臺打印賬單小票、結(jié)賬。



3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建立
    據(jù)餐飲業(yè)的實(shí)際環(huán)境和需求，對比星形、樹型和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的各自優(yōu)缺點(diǎn)，選用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)。
    星型網(wǎng)絡(luò)中，采用PCB天線，傳輸距離：50～100m。協(xié)調(diào)器采用電源線供電，采用SMA棒狀天線，在大發(fā)射功率下傳輸距離1000m。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快，采集終端從睡眠模式轉(zhuǎn)入工作模式約需要15ms，采集終端的連接入網(wǎng)時(shí)間約為30ms，由活躍設(shè)備信道連接入網(wǎng)時(shí)間約為15m-s，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)很小。
3．1 組網(wǎng)過程
    具體組網(wǎng)流程：協(xié)調(diào)器初始化，選定PAN ID，自身配給一16位網(wǎng)絡(luò)短地址作為組網(wǎng)標(biāo)識，短地址格式定義為0x0000，經(jīng)通道能量掃描檢測API，選擇可用通道并建立WAN，開放對加入網(wǎng)絡(luò)請求應(yīng)答，啟動網(wǎng)絡(luò)：終端完成初始化，進(jìn)行頻道掃描，找到協(xié)調(diào)器，以特定頻率發(fā)送信
標(biāo)請求，接收16位短地址，作為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識。完成ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)建立。
3．2 CSMA／CA介質(zhì)訪問控制方法
    在通信網(wǎng)絡(luò)的通信過程中，數(shù)據(jù)傳輸量較少，CSMA／CA是網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。CSMA／CA采用隨機(jī)指數(shù)退避來實(shí)現(xiàn)沖突避免功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、可靠傳輸。
3．3 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸
    終端與協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸有兩種方式：直接數(shù)據(jù)傳輸和間接數(shù)據(jù)傳輸。終端向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，采用直接數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后返回確認(rèn)信息。
3．4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議
    在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，有多種指令和不同長度的數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)方便及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、有效性，通信過程中定義了通信協(xié)議幀，如圖3、4所示。通信過程中，終端未收到確認(rèn)幀，則連續(xù)發(fā)送三次，仍沒應(yīng)答，確認(rèn)為通信故障。



4 硬件設(shè)計(jì)
4．1 終端硬件設(shè)計(jì)
    終端由MCU、電源、工作狀態(tài)指示、復(fù)位、鍵盤、LCD、晶振、天線、SD RAM等電路組成。終端硬件結(jié)構(gòu)、電路如圖5、6所示。

    選用Chipeon公司的CC2430作為MCU。該芯片支持IEEE802．15．4協(xié)議，片內(nèi)集成RF前端、1個(gè)8位內(nèi)核、128kB可編程閃存、8kB RAM，內(nèi)置ZigBee協(xié)議棧。實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口顯示操作、信息發(fā)送及各個(gè)模塊控制。
    采用3×3鍵盤，其中4個(gè)方向鍵分別為確認(rèn)鍵、撤銷鍵、分類查詢鍵、菜單查詢鍵，通過中斷方式掃描鍵盤，響應(yīng)處理中斷，實(shí)現(xiàn)鍵值查詢等功能。LCD選用臺灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的ST7920 OCMJ4X8C，采用串并轉(zhuǎn)換芯片74HC164節(jié)省MCU的I／O口。CC2430通過P0．1控制MAX756的SHON，低電平不工作。采用非平衡變壓器，傳輸距離為100m。CC2430內(nèi)嵌-UART，可與SD卡座直接相連，SD POW引腳通過一個(gè)8550控制SD卡電源，對其上電操作。SD卡用來存儲菜譜信息和顧客菜單等信息，通過PC機(jī)實(shí)現(xiàn)菜譜數(shù)據(jù)的更新。
4．2 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)
    協(xié)調(diào)器模塊電路由復(fù)位電路、天線電路、電源指示電路、晶振電路等組成。交流電源經(jīng)LDO AM1117-3．3產(chǎn)生3．3V為CC2430供電。協(xié)調(diào)器經(jīng)RS232／TTL電平轉(zhuǎn)換與PC相連。協(xié)調(diào)器硬件電路如圖7所示。



5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件由終端、協(xié)調(diào)器、服務(wù)器三個(gè)模塊組成。主程序流程如圖8、9所示。服務(wù)器的運(yùn)行環(huán)境為Windows操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、處理與控制，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，Visual Basic 6．0處理軟件開發(fā)。軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，便于完善和維護(hù)，同時(shí)做到界面美觀，操作簡便。



6 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)
    終端的功耗問題是關(guān)鍵。CC2430在睡眠模式，發(fā)射功率為10mW。發(fā)射模式電流消耗為17mA，接收模式為15mA，睡眠模式為0．7μA。終端大多時(shí)間處于睡眠模式下，關(guān)閉收發(fā)電路及液晶等外圍電路，極大限度減少功耗，外部中斷可喚醒MCU，通過檢查信道，與協(xié)調(diào)器同步、發(fā)
送或接收數(shù)據(jù)。
    終端與協(xié)調(diào)器之間采用間接數(shù)據(jù)傳輸方式，降低了系統(tǒng)功耗。

7 系統(tǒng)測試
    帶有ZigBee開發(fā)平臺的PC通過RS232與協(xié)調(diào)器連接進(jìn)行測試，終端與服務(wù)器接收端發(fā)送10B的數(shù)據(jù)包，通信信道設(shè)定為0XOB。室內(nèi)無障礙物，距離20m：丟包率0％，RSSI為-81．36dBm；60m：丟包率O．7％，RSSI為-90．01dBm；120m：丟包率 1．4％，RSSI為-90．97dBm。
    通信時(shí)延包括協(xié)議棧時(shí)延和媒介傳播時(shí)延。協(xié)議棧時(shí)延從執(zhí)行發(fā)送消息函數(shù)開始到無線目標(biāo)實(shí)際開始物理發(fā)射的延遲，兩者之差即為協(xié)議棧發(fā)射時(shí)延。實(shí)際測試接收時(shí)延為500μs。

8 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)在開發(fā)周期、性能、價(jià)格等方面有很大優(yōu)勢，符合手持設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。隨著經(jīng)營規(guī)模增大，可組建樹型網(wǎng)增大覆蓋面，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。ZigBee技術(shù)在餐飲無線點(diǎn)菜系統(tǒng)、茶樓、咖啡館、網(wǎng)吧、KTV娛樂場所呼叫系統(tǒng)將會得到廣泛應(yīng)用。