單片機(jī)的無線監(jiān)控畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

基于單片機(jī)的無線監(jiān)控軟件的實(shí)踐與應(yīng)用服務(wù)業(yè)作為一個(gè)新興的行業(yè)，在社會迅速發(fā)展的二十一世紀(jì)，有著巨大的發(fā)展力。而飲食業(yè)作為服務(wù)也一個(gè)最典型、歷史最為悠久的行業(yè)，但在各種賓館、酒店、餐廳等場所，一般都是用傳統(tǒng)的點(diǎn)菜方式，不符合信息的便捷性、智能性和科技性。應(yīng)用一種智能的點(diǎn)菜系統(tǒng)，也就有了一定的應(yīng)用價(jià)值和科技價(jià)值。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前備受關(guān)注的、由多學(xué)科交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)，其包含了傳感器技術(shù)，無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)等，具有信息、采集、傳輸和處理的能力，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將對人們的社會生活產(chǎn)生極大的影響，對產(chǎn)業(yè)變革產(chǎn)生巨大的推動作用。針對當(dāng)前的餐飲業(yè)的傳統(tǒng)點(diǎn)菜方式，設(shè)計(jì)一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)。以便服務(wù)員和顧客可以隨時(shí)隨地的使用無線菜機(jī)進(jìn)行點(diǎn)菜、加菜、結(jié)算等工作，以提高酒店員工的服務(wù)效率，降低人力成本，幫助酒店走向信息化。在各種賓館、酒店、餐廳等場所，通常所使用的點(diǎn)菜方式，都是傳統(tǒng)的人工方式，即客人走進(jìn)餐廳或酒店等場所，服務(wù)員就拿著菜單迎上來詢問客人并要求點(diǎn)菜，隨后服務(wù)員將菜單送到廚房和收銀臺，等廚房師傅將菜做好，由服務(wù)員送到客人餐桌上，這種點(diǎn)菜方式有很多的不便，首先就是服務(wù)員的數(shù)量太多，極大的浪費(fèi)了人力，同時(shí)服務(wù)員來回跑會產(chǎn)生忙亂現(xiàn)象，也可能會出現(xiàn)跑單漏單現(xiàn)象，降低了經(jīng)營的整體效率，而無線點(diǎn)菜系統(tǒng)可以有效的解決這些問題。當(dāng)今的極大無線通信技術(shù)比較復(fù)雜，耗費(fèi)的資源也多，成本高，不適合短距離的通訊的場合。而作為短距離傳輸?shù)乃{(lán)牙協(xié)議復(fù)雜度較高，功耗高，成本高，不能滿足小型化低成本設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)要求，而ZigBee無線協(xié)議復(fù)雜度低，對資源要求少，低功耗低成本，短時(shí)延（15ms），可容納65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，且不受國家允許的公用頻率限制，非常適合無線點(diǎn)菜系統(tǒng)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，從而保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。一臺ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通訊中心節(jié)點(diǎn)能以輪詢的方式與多臺無線點(diǎn)菜機(jī)通訊。在室內(nèi)受建筑物的阻擋等因素影響，當(dāng)一臺PC機(jī)端無線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的通訊距離不能覆蓋整個(gè)應(yīng)用場所時(shí)，可在適當(dāng)位置增設(shè)多個(gè)無線通訊節(jié)點(diǎn)，這樣就不容易發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失。ZigBee聯(lián)盟預(yù)言在未來的四到五年內(nèi)，每個(gè)家庭將有五十個(gè)ZigBee器件?，F(xiàn)在較多的點(diǎn)菜系統(tǒng)是PDA點(diǎn)菜系統(tǒng)，其主要通過紅外線或無線傳輸技術(shù)（802.11b）來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。紅外傳輸距離由其功率大小決定，由于PDA自身性能的局限性，其紅外線傳輸距離理論上只有4米，而且紅外傳輸過程中不能有任何障礙物，傳輸功率不能達(dá)到100%極易造成數(shù)據(jù)丟失。另外紅外傳輸所需的硬件品種較為復(fù)雜，因而所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)也會較為復(fù)雜，造成網(wǎng)絡(luò)易出故障。無線傳輸技術(shù)（802.11b）因其受到國家允許的公共頻率限制，會受到其他諸如手機(jī)，微設(shè)備的干擾。而且PDA無按鍵，操作繁瑣，點(diǎn)菜速度慢，在輸入數(shù)據(jù)、附加項(xiàng)是必須用筆觸式界面，難以識別潦草的字，易出錯(cuò)，修改麻煩，損壞頻率高。參考文獻(xiàn) 【1】周小飛，張宏綱。認(rèn)知無線電原理及應(yīng)用【M】。北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007.3【2】李文仲，段朝玉等。ARM微控制器ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)【M】。北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2007.4【3】李文仲，段朝玉等。ZigBee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)【M】。北京航空航天大學(xué)出版社，2007.4【4】高澤溪等。無線技術(shù)導(dǎo)論【M】。北京：北京航空航天大學(xué)出版社。2004【5】李文仲，段朝玉等。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)踐【M】。北京航空航天大學(xué)出版社，2007.4【6】李文仲，段朝玉等PIC單片機(jī)與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)戰(zhàn)【M】。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.12【7】彭樹生。PIC單片機(jī)實(shí)踐與系統(tǒng)設(shè)計(jì)【M】北京：電子工業(yè)出版社，2007【8】劉啟中。PIC單片機(jī)原理及應(yīng)用【M】。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003【9】徐偉雄。PIC單片機(jī)原理與程序模塊【M】。福建：福建科學(xué)技術(shù)出版，2008.21. 項(xiàng)目研究的目標(biāo)，內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題1.1研究目標(biāo)：通過實(shí)現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，用PIC18F4620單片機(jī)控制協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備，將數(shù)據(jù)終端設(shè)備發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)中。從而大大發(fā)送和接受所點(diǎn)菜品的目的。1.2 研究內(nèi)容1.2.1 ZigBee協(xié)議棧是ZigBee技術(shù)的核心，它有一組子層構(gòu)成。每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能。ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖1.2.1所示。IEEE802.15.42003標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層（MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL)框架的設(shè)計(jì)。其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee對象（ZDO)和由創(chuàng)造商指定的應(yīng)用對象。1.2.2系統(tǒng)的終端設(shè)備硬件，需要記錄下客戶所點(diǎn)的菜品并通過ZigBee通過協(xié)議將所點(diǎn)的菜要數(shù)據(jù)組建好數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。精簡功能設(shè)備RFD，只能傳送信息給全功能設(shè)備FFD或從FFD上接收信息，附帶有限的功能來控制成本和復(fù)雜性。在網(wǎng)絡(luò)中可以用來作為終端設(shè)備，由于RFD省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單地8位處理器和協(xié)議棧也有助于降低成本.1.2.3協(xié)調(diào)器包含網(wǎng)絡(luò)的所有信息，能夠發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、不斷的接受信息。他負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立，同時(shí)它也可以作為與其他類型網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)），是ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中最為復(fù)雜、存數(shù)容量最大、計(jì)算能力最強(qiáng)的設(shè)備。構(gòu)成協(xié)調(diào)器的期間必須是全功能設(shè)備（FFD)。協(xié)調(diào)器的主控芯片（PIC18F4620單片機(jī))通過SP2接口對ZigBee無線芯片CC2420的內(nèi)部寄存器和RAM進(jìn)行訪問來實(shí)現(xiàn)對CC2420的控制和數(shù)據(jù)收發(fā)，另外當(dāng)CC2420所要接受的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，會產(chǎn)生SPI中斷。1.2.4 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器在設(shè)備初始化后就自動的建立網(wǎng)絡(luò)，并允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器如果發(fā)現(xiàn)自己沒有形成網(wǎng)絡(luò)，就將通過NLME-NETWORK-FORMATION.request 源于來啟動一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的建立，并通過 NLME-PERMIT-JOINIG.request源于來允許設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接。終端設(shè)備在初始化后自動地檢測網(wǎng)絡(luò)，并加入網(wǎng)絡(luò)。2.1研究方法2.1.1 ZigBee協(xié)議棧作為ZigBee技術(shù)核心的ZigBee協(xié)議棧，它由物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層4個(gè)子層構(gòu)成。來自IEEE802.15.4物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被依次（按字節(jié)從低到高）組成4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號（對應(yīng)16狀態(tài)組中的一組）被映射成32位偽噪聲碼片（CHIP)，以便傳輸。然后這個(gè)連續(xù)的偽噪音CHIP序列被調(diào)制（采用最小鍵控制方式）到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移鍵控（OQPSK)調(diào)制方式。IEEE802.15.4MAC層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。管理服務(wù)通過MAC層管理實(shí)體（MLME)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）訪問高層。MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)使MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU)的收發(fā)可以通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層主要用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)組鏈接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等。而應(yīng)用層主要為ZigBee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以使ZigBee技術(shù)在不同場合的開發(fā)應(yīng)用，其開發(fā)應(yīng)用框架也不同。2.1.2 ZigBee無線芯片 CC2420CC2420是Clipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4GHz射頻芯片，用于開發(fā)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡(luò)的ZigBee設(shè)備和產(chǎn)品。芯片從天線接收到射頻信號，首先經(jīng)過低噪聲發(fā)達(dá)器（LNA），然后正交下變頻到2HMHz的中頻上經(jīng)過中頻信號的同相分量和正交分量。兩路信號經(jīng)過濾波和放大后，直接通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使用直接正交上變頻?；鶐盘柕耐喾至亢驼环至恐苯颖粩?shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過低頻濾波器，直接變斌道設(shè)定的信道上。發(fā)射機(jī)部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)線被送入128B的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動生成的。根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個(gè)比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到DA變換器。然后經(jīng)過低通濾波和和上變頻混頻后的射頻信號最終被調(diào)至到2.4GHz，并經(jīng)過放大后送到天線發(fā)射出去。CC2420外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻信號的收發(fā)采用差分方式進(jìn)行傳輸，其最佳差分負(fù)載是115W+J180W，阻抗匹配電路根據(jù)這個(gè)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。2.1.3 ZigBee節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建要創(chuàng)建典型的ZigBee節(jié)點(diǎn)至少具備以下組件：一片帶SPI接口的PIC18F4620單片機(jī)；一個(gè)帶有所需外部元件的RF收發(fā)器CC2420；一根天線，可以是PCB上的引線形成的天線或者單級天線；ZigBee節(jié)點(diǎn)控制器通過SPI總線和一些離散控制信號與RF收發(fā)器CC2420相連?？刂破鞒洚?dāng)SPI主器件，而RF收發(fā)器充當(dāng)從器件，控制器實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4MAC層和ZigBee協(xié)議層。2.1.4 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器作為系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器，它要完成接收數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上這些功能，數(shù)據(jù)的接受主要靠ZigBee無線模塊，通過PIC8F4620單片機(jī)控制此無線模塊來完成這項(xiàng)功能；數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上可以采用SP3223驅(qū)動PIC18F4620的SCI接口與標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平接口，是單片機(jī)和pc機(jī)之間能方便的交換數(shù)據(jù)。對于沒有串口的PC，采用FT233RL驅(qū)動PIC18F4620單片機(jī)SCI接口與PC的USB接口相連。2.1.5系統(tǒng)的終端設(shè)備作為系統(tǒng)的終端設(shè)備，要完成發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)，終端設(shè)備上包含有LED顯示屏，LED指示燈按鍵，ZigBee無線模塊和蜂鳴器等。其中LED指示燈用于調(diào)試程序或狀態(tài)的指示。將終端設(shè)備做成手持式的設(shè)備，用LED作為顯示屏，用一個(gè)確定按鍵，兩個(gè)上下按鍵作為選擇菜品時(shí)的按鈕。2.1.6 關(guān)于軟件設(shè)計(jì)用C語言開發(fā)PIC單片機(jī)軟件，用MPLAB IDE 作為繼承開發(fā)環(huán)境，用MPLAB C18作為編譯器，采用模塊化或結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想。其中模塊化設(shè)計(jì)思想采用同時(shí)多任務(wù)架構(gòu)。通過ZigBee無線模塊，組建好數(shù)據(jù)包，向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。2.1.7 關(guān)于軟件設(shè)計(jì)用C語言開發(fā)PIC單片機(jī)軟件，用MPLAB IDE作為其繼承開發(fā)環(huán)境，用MPLAB C18作為編譯器，采用模塊化或結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想。其中模塊化設(shè)計(jì)思想采用協(xié)同時(shí)多任務(wù)架構(gòu)。這只是一個(gè)初步的研究方法，我們將根據(jù)需要做出一定的變化。2.2 技術(shù)路線： 2.2.1 客人使用手持點(diǎn)菜終端，選擇所點(diǎn)菜肴后按下確定鍵，這時(shí)候終端系統(tǒng)就會將客人的菜品通過無線系統(tǒng)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將客人所點(diǎn)的菜品發(fā)送到廚房和收銀臺那的數(shù)據(jù)處理眾多以供工作人員參考。2.2.2協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)基本思路：生成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，確定是否允許加入終端設(shè)備，指示出是已加入終端設(shè)備，接著指示應(yīng)用層數(shù)據(jù)，顯示菜單信息和所點(diǎn)菜肴數(shù)，讀取菜肴序列號值。2.2.3 終端設(shè)備的程序設(shè)計(jì)，只需要將客戶所點(diǎn)的菜品記錄下來通過ZigBee通信協(xié)議組建好數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。2.2.3 可行性的分析：我校電子工程系有優(yōu)秀的教職工，先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，濃厚的學(xué)術(shù)氛圍。目前ZigBee網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)是當(dāng)今世界的技術(shù)焦點(diǎn)，可以通過許多方法學(xué)習(xí)到這方面的知識，并可以找到一些主要的源程序。而且它擁有一些全新特點(diǎn)，將使它在各個(gè)領(lǐng)域得到非常廣闊的應(yīng)用。ZigBee技術(shù)的核心是幾萬行ZigBee/802.15.4 C51源代碼。而微芯公司提供源代碼開放協(xié)議棧。研究計(jì)劃及預(yù)期進(jìn)展2013年2月2013年3月 ，查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)并熟悉PIC18F4620單片機(jī)和ZigBee技術(shù)等項(xiàng)目研究中的相關(guān)技術(shù)；2013年3月2013年4月，進(jìn)行資料收集，技術(shù)調(diào)研，確定項(xiàng)目的實(shí)施方案；2013年4月2013年5月，完成ZigBee無線模塊和PIC單片機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；2013年5月2013年6月，完成無線點(diǎn)菜系統(tǒng)，對其進(jìn)行調(diào)試，并對出現(xiàn)的問題進(jìn)行解決，最