基于ZigBee技术的无线点菜系统

摘要：介绍了基于ZigBee技术的无线点菜系统的设计方案，选用集成8051内核的CC2430芯片作为网络节点。利用星型网络，简单外围电路，软件、硬件的设计，实现了无线点菜功能。在低功耗方面采用外部中断唤醒睡眠模式的工作方式，延长了终端的电池使用寿命。解决了点菜终端功耗大的问题。
关键词：ZigBee；CC2430；无线点菜系统；低功耗

0 前言
    随着社会信息化的发展，我国餐饮业，尤其是快餐行业迅猛发展。传统餐饮业管理成本高、管理水平低、人力资源浪费、服务员工作量大、工作效率低、点菜周期长、跑单漏单严重、纸张等耗材大，严重影响到餐饮业服务品质和形象。无线点菜系统为造就高档就餐环境，提高顾客的满意程度，吸引更多顾客创造了条件，提高了餐饮业的自动化、信息化水平。

1 ZigBee技术简介
    ZigBee的名称源于蜜蜂的舞蹈，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈交换各种信息。故将新一代无线通信技术命名为ZigBee。ZigBee过去又称为"HomeRF Lite"、"RF-EasyLink"或"FireFly"无线电技术，目前统称为ZigBee技术。
    ZigBee技术利用全球共用公共频率2．4GHz，该频段为全球统一无需申请ISM频段，被划为16个信道，数据传输速率250kbps，码元速率为 62．5kbaud，采用16进制正交调制，码片长度为8的伪随机码直接扩频，具有显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势，目前被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。
    ZigBee的特点主要表现在以下几个方面：
    (1)低功耗：待机模式，2节AAA干电池可支持1个节点工作0．5～1年。
    (2)低成本：协议大幅简化，免执照频段、协议专利费。
    (3)低速率：250、40和20kbps原始数据吞吐率。
    (4)近距离：传输范围为10～75m，增加RF发射功率，可达1～3km。
    (5)网络容量大：可组成65000个节点的大网。
    (6)短时延：响应速度快，睡眠转入工作状态需15ms，节点连接入网需30ms。
    (7)安全性能高。

2 系统总体方案设计
2．1 系统方案选择
    较早期的无线点菜系统主要是IC卡点菜终端和红外点菜终端。
    IC卡点菜终端：服务员领卡、插卡、客户点菜，结束后需到固定地点读卡。特点是信息准确、价格低、速度慢、费时费力。
    红外点菜终端：顾客可直接在其上点菜，速度快、价格中、发射距离短、需直线接收。
    目前较为流行的点菜系统设计方案主要有以下三种：
    (1)商用PDA+无线网卡。借助带无线网卡的商品化PDA开发。较典型的几种采用Windows mobile操作系统的Dell-Axim x50、采用Pocket PC操作系统的宏基-N1O等。特点是开发方便、开发调试工具较好、功能强大、802．11协议、传输数据可靠安全，但价格昂贵。
    (2)单片机+无线模块。采用单片机、单色LCD模块、按键输入、微功耗的无线IC，如RF401。无操作系统、定制式软件、价格便宜、功耗低、简单易用。但人机对话差、功能弱、软件升级难、软件移植复用能力差。
    (3)处理器+操作系统+无线模块
    微软WINCE操作系统、32位处理器、16色LCD触摸屏和无线模块。开发、使用较方便，但操作系统非免费且不开源，增加了单个商品成本。
    对比以上方案，结合中、小型规模餐饮企业的实际需求，本文采用第二种方案进行点菜系统的研究。
2. 2 系统总体架构
    本系统由用于无线点菜的通信终端设备(简称“终端”)、协调器设备、作为服务器的PC机、打印机等部分组成。
    服务员携带终端，可根据顾客需求为顾客提供实时服务：点菜、套餐点菜、加菜、退菜、套餐退菜、催菜、口味选择等。点菜完成，点菜信息经由星型ZigBee无线传感网络实现数据传输，传送至服务器。
    服务器完成与终端实时通信、咨询、账单打印、数据维护管理、账单结算、酒店人事管理等。该系统架构图如图1所示。


2. 3系统工作流程
    系统工作流程如图2所示。顾客进店，服务员据终端显示的空桌开台，顾客据菜谱(纸制，放于桌上)选择适合口味的菜，据“编号-菜名”键入菜名编号。点菜完成，终端显示菜单及结算账单。顾客确认后，可选择发送键，完成数据发送。服务台收到信息后，经过厨师制作、出品核对、传菜、台位划菜，最后收银台打印账单小票、结账。



3 系统网络建立
    据餐饮业的实际环境和需求，对比星形、树型和网状拓扑结构网络的各自优缺点，选用星形拓扑结构组建ZigBee无线传感网络。
    星型网络中，采用PCB天线，传输距离：50～100m。协调器采用电源线供电，采用SMA棒状天线，在大发射功率下传输距离1000m。整个网络响应速度快，采集终端从睡眠模式转入工作模式约需要15ms，采集终端的连接入网时间约为30ms，由活跃设备信道连接入网时间约为15m-s，网络延时很小。
3．1 组网过程
    具体组网流程：协调器初始化，选定PAN ID，自身配给一16位网络短地址作为组网标识，短地址格式定义为0x0000，经通道能量扫描检测API，选择可用通道并建立WAN，开放对加入网络请求应答，启动网络：终端完成初始化，进行频道扫描，找到协调器，以特定频率发送信
标请求，接收16位短地址，作为网络标识。完成ZigBee星型网络建立。
3．2 CSMA／CA介质访问控制方法
    在通信网络的通信过程中，数据传输量较少，CSMA／CA是网络的最佳选择。CSMA／CA采用随机指数退避来实现冲突避免功能，实现数据安全、可靠传输。
3．3 网络的数据传输
    终端与协调器的数据传输有两种方式：直接数据传输和间接数据传输。终端向协调器发送数据时，采用直接数据传输，协调器收到数据后返回确认信息。
3．4 ZigBee网络的通信协议
    在数据的传输过程中，有多种指令和不同长度的数据，为实现程序设计方便及数据传输的可靠性、有效性，通信过程中定义了通信协议帧，如图3、4所示。通信过程中，终端未收到确认帧，则连续发送三次，仍没应答，确认为通信故障。



4 硬件设计
4．1 终端硬件设计
    终端由MCU、电源、工作状态指示、复位、键盘、LCD、晶振、天线、SD RAM等电路组成。终端硬件结构、电路如图5、6所示。

    选用Chipeon公司的CC2430作为MCU。该芯片支持IEEE802．15．4协议，片内集成RF前端、1个8位内核、128kB可编程闪存、8kB RAM，内置ZigBee协议栈。实现人机接口显示操作、信息发送及各个模块控制。
    采用3×3键盘，其中4个方向键分别为确认键、撤销键、分类查询键、菜单查询键，通过中断方式扫描键盘，响应处理中断，实现键值查询等功能。LCD选用台湾矽创电子公司生产的ST7920 OCMJ4X8C，采用串并转换芯片74HC164节省MCU的I／O口。CC2430通过P0．1控制MAX756的SHON，低电平不工作。采用非平衡变压器，传输距离为100m。CC2430内嵌-UART，可与SD卡座直接相连，SD POW引脚通过一个8550控制SD卡电源，对其上电操作。SD卡用来存储菜谱信息和顾客菜单等信息，通过PC机实现菜谱数据的更新。
4．2 协调器硬件设计
    协调器模块电路由复位电路、天线电路、电源指示电路、晶振电路等组成。交流电源经LDO AM1117-3．3产生3．3V为CC2430供电。协调器经RS232／TTL电平转换与PC相连。协调器硬件电路如图7所示。



5 系统软件设计
    系统软件由终端、协调器、服务器三个模块组成。主程序流程如图8、9所示。服务器的运行环境为Windows操作系统，负责数据的存储、查询、处理与控制，数据库采用SQL Server进行数据的存储，Visual Basic 6．0处理软件开发。软件采用结构化设计，便于完善和维护，同时做到界面美观，操作简便。



6 系统低功耗设计
    终端的功耗问题是关键。CC2430在睡眠模式，发射功率为10mW。发射模式电流消耗为17mA，接收模式为15mA，睡眠模式为0．7μA。终端大多时间处于睡眠模式下，关闭收发电路及液晶等外围电路，极大限度减少功耗，外部中断可唤醒MCU，通过检查信道，与协调器同步、发
送或接收数据。
    终端与协调器之间采用间接数据传输方式，降低了系统功耗。

7 系统测试
    带有ZigBee开发平台的PC通过RS232与协调器连接进行测试，终端与服务器接收端发送10B的数据包，通信信道设定为0XOB。室内无障碍物，距离20m：丢包率0％，RSSI为-81．36dBm；60m：丢包率O．7％，RSSI为-90．01dBm；120m：丢包率 1．4％，RSSI为-90．97dBm。
    通信时延包括协议栈时延和媒介传播时延。协议栈时延从执行发送消息函数开始到无线目标实际开始物理发射的延迟，两者之差即为协议栈发射时延。实际测试接收时延为500μs。

8 结束语
    本文设计在开发周期、性能、价格等方面有很大优势，符合手持设备的设计要求。随着经营规模增大，可组建树型网增大覆盖面，保证数据可靠传输。ZigBee技术在餐饮无线点菜系统、茶楼、咖啡馆、网吧、KTV娱乐场所呼叫系统将会得到广泛应用。