基于ZigBee技術(shù)的無線點(diǎn)餐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
    當(dāng)今世界無線通信技術(shù)發(fā)展迅速，如藍(lán)牙，Wi-Fi，紅外，ZigBee等無線技術(shù)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。無線點(diǎn)餐系統(tǒng)將先進(jìn)的Zig-Bee技術(shù)運(yùn)用于傳統(tǒng)的餐飲業(yè)，進(jìn)而提高餐廳的服務(wù)水平和工作效率。目前，應(yīng)用于餐飲行業(yè)的無線通信技術(shù)主要包括紅外技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)等。紅外技術(shù)屬于短距離，點(diǎn)對點(diǎn)的半雙工通信方式，不適用于網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)；藍(lán)牙技術(shù)成本高，不適合較多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。本研究采用了低速率，低成本，低功耗的ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)無線點(diǎn)餐系統(tǒng)。

1 無線點(diǎn)餐系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    無線點(diǎn)餐系統(tǒng)主要由點(diǎn)餐終端與服務(wù)臺終端組成，兩部分通過ZigBee無線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。點(diǎn)餐終端選用了友善之臂帶有7寸觸摸屏的ARM9開發(fā)板，通過上位機(jī)用戶界面程序可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)餐功能。服務(wù)臺終端選用一臺帶有串口／并口的臺式電腦，連接無線模塊和POS58系列微型打印機(jī)，對點(diǎn)餐終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)打印小票的功能。
    點(diǎn)餐系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)
2．1 無線通信模塊
    CC2430是TI公司推出的用來實(shí)現(xiàn)ZigBee應(yīng)用的系統(tǒng)級芯片。CC2430內(nèi)部已集成2．4 GHz的射頻核心和8051控制器，外接簡單的電路便可實(shí)現(xiàn)信號的收發(fā)功能。這種解決方案能夠有效提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2．4 GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求。
    圖2為CC2430外圍電路設(shè)計(jì)。

    當(dāng)芯片正常工作時，電容C1，C2連接32 MHz晶振組成高頻晶振電路，用于發(fā)送數(shù)據(jù)。偏置電阻R1用于為32 MHz晶體振蕩器設(shè)置精密偏置電流。芯片休眠時，電容C3，C4連接32.768kHz的晶振組成低頻晶振電路，降低功耗。電容C5用于去除雜波干擾，防止單片機(jī)錯誤復(fù)位。C5，C7，C8是濾波電容，去除雜波干擾使電壓更穩(wěn)定。C10，C11，C12，C13，C14為去耦合電容，用來電源濾波，提高芯片工作的穩(wěn)定性。電路中電容C9，電感L1，L2，L3以及一個PCB微波傳輸線組成非平衡變壓器，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入／輸出匹配電阻的要求。
2．2 服務(wù)臺終端
    服務(wù)臺終端選用帶有串口／并口的PC機(jī)。PC機(jī)與無線模塊通過串口連接，和微型打印機(jī)通過并口連接。如圖3所示，ZigBee無線模塊和PC機(jī)通過串口(TXD和RXD)進(jìn)行通信，直接向串口讀寫即可。PC機(jī)向微型打印機(jī)的8位數(shù)據(jù)信號線DATA0～7發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)選通輸入信號STB低電平有效，DATA0～7的數(shù)據(jù)只有在有效的STB信號作用下才能被鎖入打印機(jī)內(nèi)部鎖存器中。打印機(jī)狀態(tài)信號BUSY高電平有效，表示打印機(jī)正在打印數(shù)據(jù)。

3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)
3．1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即星狀、樹狀和網(wǎng)狀。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基于通用性及便于開發(fā)的考慮，移植了TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，其主要特點(diǎn)就是兼容性，支持IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的CC2430片上系統(tǒng)解決方案。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種設(shè)備，分別是協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動一個網(wǎng)絡(luò)，在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個協(xié)調(diào)器設(shè)備。本系統(tǒng)選用了一個協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備，對協(xié)議棧進(jìn)行了相應(yīng)的修改和增減以適應(yīng)硬件電路的實(shí)際需求，組成簡單的星形網(wǎng)絡(luò)。
    Z-Stack是基于操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建的，采用事件輪循機(jī)制，整個協(xié)議棧用C語言編寫。當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架可以極大地降級系統(tǒng)的功耗。整個Z-Stack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動、驅(qū)動初始化、OSAL初始化與啟動和進(jìn)入任務(wù)輪循幾個階段。
    系統(tǒng)流程如圖4所示。

    當(dāng)硬件初始化完成后，打開中斷，執(zhí)行osal_star_system()函數(shù)開始運(yùn)行OSAL系統(tǒng)。該任務(wù)調(diào)度函數(shù)按照優(yōu)先級檢測各個任務(wù)是否就緒。如果存在就緒的任務(wù)則調(diào)用tasksArr()中相對應(yīng)的任務(wù)處理函數(shù)去處理該事件，直到執(zhí)行完所有就緒的任務(wù)。如果任務(wù)列表中沒有就緒的任務(wù)，則可以使處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài)實(shí)現(xiàn)低功耗。OSAL任務(wù)調(diào)度流程如圖5所示。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成是通過ZDApp_Init這個任務(wù)實(shí)現(xiàn)的。zDApp_Init任務(wù)中調(diào)用了函數(shù)ZDAPP_Net-workInit，如果是協(xié)調(diào)器就建立網(wǎng)絡(luò)，確定PANID與頻道選擇，打開全局中斷之后進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中有無ZigBee信號，如果有節(jié)點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器給節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。對于終端設(shè)備，完成初始化之后，發(fā)送申請加入網(wǎng)絡(luò)信號，等待協(xié)調(diào)器響應(yīng)。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)入休眠狀態(tài)等待喚醒。網(wǎng)絡(luò)啟動程序流程如圖6所示。

3．2 服務(wù)臺終端程序
    服務(wù)臺程序主要是用來處理接收到的數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、數(shù)據(jù)庫存儲及打印。如圖7所示，每個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包含有以下內(nèi)容：起始幀，和結(jié)束幀均屬于標(biāo)準(zhǔn)8位字節(jié)，設(shè)置為0X00；餐桌號，每個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)不同的桌號，0X01表示1號桌，在點(diǎn)餐終端里設(shè)置；數(shù)據(jù)長度，表示這個數(shù)據(jù)包里所點(diǎn)菜的總數(shù)目；數(shù)據(jù)幀，真正的菜單信息，每一位表示一種菜的名稱和數(shù)量，例如數(shù)據(jù)0X42，即“01000010”，低三位表示數(shù)量，高五位表示菜的代碼，可以定義32種菜；結(jié)束幀，標(biāo)志信息結(jié)束。

3．3 點(diǎn)餐界面的設(shè)計(jì)
    點(diǎn)餐終端選用帶有觸屏的ARM9開發(fā)板，內(nèi)置Windows CE 6．0操作系統(tǒng)，用．NET編寫的用戶界面程序主要實(shí)現(xiàn)如下功能：
    (1)菜單查詢，通過觸摸屏進(jìn)行菜單的瀏覽查詢，查詢出的菜品可以顯示出菜的名稱、單價和圖片。
    (2)點(diǎn)菜，實(shí)現(xiàn)加菜、減菜、選擇數(shù)量等功能。
    (3)服務(wù)呼叫，對臨時需要服務(wù)員過來的情況，提供呼叫服務(wù)功能。
    (4)廣告播放，觸摸屏在無觸摸的情況，利用空余時間會循環(huán)播放廣告。

4 調(diào)試結(jié)果
    系統(tǒng)選用了3個點(diǎn)餐終端分別對應(yīng)3個餐桌，1個服務(wù)臺終端，組成星形網(wǎng)絡(luò)。如圖8所示，通過點(diǎn)餐界面，選中了三種菜，確定發(fā)送后，在圖9所示的服務(wù)臺界面中，成功收到數(shù)據(jù)，并且準(zhǔn)確的解碼，存儲在對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中。

    若點(diǎn)餐終端的呼叫按鍵被按下，服務(wù)臺終端的呼叫按鍵會閃爍5 s。
    由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用了CSMA／CA機(jī)制，帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問，確保多點(diǎn)發(fā)送時，利用ACK信號盡量避免發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語
    本文提出了基于ZigBee技術(shù)的無線點(diǎn)餐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。研究表明，該系統(tǒng)能有效地進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)組建，在室內(nèi)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。隨著科技的進(jìn)步和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本的降低，ZigBee技術(shù)在現(xiàn)代餐飲業(yè)，乃至更多的行業(yè)中的應(yīng)用將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益。