基于ZigBee技术的无线点餐系统设计

引言
    当今世界无线通信技术发展迅速，如蓝牙，Wi-Fi，红外，ZigBee等无线技术，已经在很多领域得到了应用。无线点餐系统将先进的Zig-Bee技术运用于传统的餐饮业，进而提高餐厅的服务水平和工作效率。目前，应用于餐饮行业的无线通信技术主要包括红外技术，蓝牙技术和ZigBee技术等。红外技术属于短距离，点对点的半双工通信方式，不适用于网络的组网；蓝牙技术成本高，不适合较多节点的网络。本研究采用了低速率，低成本，低功耗的ZigBee技术，设计无线点餐系统。

1 无线点餐系统整体结构
    无线点餐系统主要由点餐终端与服务台终端组成，两部分通过ZigBee无线模块实现数据通信。点餐终端选用了友善之臂带有7寸触摸屏的ARM9开发板，通过上位机用户界面程序可以实现点餐功能。服务台终端选用一台带有串口／并口的台式电脑，连接无线模块和POS58系列微型打印机，对点餐终端发送过来的数据进行处理，实现打印小票的功能。
    点餐系统的整体结构如图1所示。

2 硬件电路的设计
2．1 无线通信模块
    CC2430是TI公司推出的用来实现ZigBee应用的系统级芯片。CC2430内部已集成2．4 GHz的射频核心和8051控制器，外接简单的电路便可实现信号的收发功能。这种解决方案能够有效提高性能并满足以ZigBee为基础的2．4 GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。
    图2为CC2430外围电路设计。

    当芯片正常工作时，电容C1，C2连接32 MHz晶振组成高频晶振电路，用于发送数据。偏置电阻R1用于为32 MHz晶体振荡器设置精密偏置电流。芯片休眠时，电容C3，C4连接32.768kHz的晶振组成低频晶振电路，降低功耗。电容C5用于去除杂波干扰，防止单片机错误复位。C5，C7，C8是滤波电容，去除杂波干扰使电压更稳定。C10，C11，C12，C13，C14为去耦合电容，用来电源滤波，提高芯片工作的稳定性。电路中电容C9，电感L1，L2，L3以及一个PCB微波传输线组成非平衡变压器，整个结构满足RF输入／输出匹配电阻的要求。
2．2 服务台终端
    服务台终端选用带有串口／并口的PC机。PC机与无线模块通过串口连接，和微型打印机通过并口连接。如图3所示，ZigBee无线模块和PC机通过串口(TXD和RXD)进行通信，直接向串口读写即可。PC机向微型打印机的8位数据信号线DATA0～7发送数据，数据选通输入信号STB低电平有效，DATA0～7的数据只有在有效的STB信号作用下才能被锁入打印机内部锁存器中。打印机状态信号BUSY高电平有效，表示打印机正在打印数据。

3 网络节点软件的设计
3．1 网络节点程序
    ZigBee网络支持三种网络结构，即星状、树状和网状。节点设计基于通用性及便于开发的考虑，移植了TI公司的Z-Stack协议栈，其主要特点就是兼容性，支持IEEE 802．15．4标准的CC2430片上系统解决方案。ZigBee网络中有三种设备，分别是协调器、路由器及终端设备。协调器负责启动一个网络，在一个ZigBee网络中有且只有一个协调器设备。本系统选用了一个协调器和多个终端设备，对协议栈进行了相应的修改和增减以适应硬件电路的实际需求，组成简单的星形网络。
    Z-Stack是基于操作系统的思想来构建的，采用事件轮循机制，整个协议栈用C语言编写。当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。这种软件构架可以极大地降级系统的功耗。整个Z-Stack的主要工作流程，大致分为系统启动、驱动初始化、OSAL初始化与启动和进入任务轮循几个阶段。
    系统流程如图4所示。

    当硬件初始化完成后，打开中断，执行osal_star_system()函数开始运行OSAL系统。该任务调度函数按照优先级检测各个任务是否就绪。如果存在就绪的任务则调用tasksArr()中相对应的任务处理函数去处理该事件，直到执行完所有就绪的任务。如果任务列表中没有就绪的任务，则可以使处理器进入睡眠状态实现低功耗。OSAL任务调度流程如图5所示。
    ZigBee网络的形成是通过ZDApp_Init这个任务实现的。zDApp_Init任务中调用了函数ZDAPP_Net-workInit，如果是协调器就建立网络，确定PANID与频道选择，打开全局中断之后进入监听状态，监测网络中有无ZigBee信号，如果有节点申请加入网络，协调器给节点分配网络地址。对于终端设备，完成初始化之后，发送申请加入网络信号，等待协调器响应。成功加入网络后，进入休眠状态等待唤醒。网络启动程序流程如图6所示。

3．2 服务台终端程序
    服务台程序主要是用来处理接收到的数据包，对数据进行解码、数据库存储及打印。如图7所示，每个节点的数据包含有以下内容：起始帧，和结束帧均属于标准8位字节，设置为0X00；餐桌号，每个节点对应不同的桌号，0X01表示1号桌，在点餐终端里设置；数据长度，表示这个数据包里所点菜的总数目；数据帧，真正的菜单信息，每一位表示一种菜的名称和数量，例如数据0X42，即“01000010”，低三位表示数量，高五位表示菜的代码，可以定义32种菜；结束帧，标志信息结束。

3．3 点餐界面的设计
    点餐终端选用带有触屏的ARM9开发板，内置Windows CE 6．0操作系统，用．NET编写的用户界面程序主要实现如下功能：
    (1)菜单查询，通过触摸屏进行菜单的浏览查询，查询出的菜品可以显示出菜的名称、单价和图片。
    (2)点菜，实现加菜、减菜、选择数量等功能。
    (3)服务呼叫，对临时需要服务员过来的情况，提供呼叫服务功能。
    (4)广告播放，触摸屏在无触摸的情况，利用空余时间会循环播放广告。

4 调试结果
    系统选用了3个点餐终端分别对应3个餐桌，1个服务台终端，组成星形网络。如图8所示，通过点餐界面，选中了三种菜，确定发送后，在图9所示的服务台界面中，成功收到数据，并且准确的解码，存储在对应的数据库表中。

    若点餐终端的呼叫按键被按下，服务台终端的呼叫按键会闪烁5 s。
    由于ZigBee网络采用了CSMA／CA机制，带有冲突避免的载波侦听多路访问，确保多点发送时，利用ACK信号尽量避免发生数据冲突，使系统更加稳定可靠。

5 结语
    本文提出了基于ZigBee技术的无线点餐系统的设计方案。研究表明，该系统能有效地进行无线网络组建，在室内环境下实现了数据的可靠传输。随着科技的进步和网络设备成本的降低，ZigBee技术在现代餐饮业，乃至更多的行业中的应用将产生重大的经济效益。