单片机的无线监控毕业设计.doc

基于单片机的无线监控软件的实践与应用服务业作为一个新兴的行业，在社会迅速发展的二十一世纪，有着巨大的发展力。而饮食业作为服务也一个最典型、历史最为悠久的行业，但在各种宾馆、酒店、餐厅等场所，一般都是用传统的点菜方式，不符合信息的便捷性、智能性和科技性。应用一种智能的点菜系统，也就有了一定的应用价值和科技价值。ZigBee无线传感器网络是当前备受关注的、由多学科交叉的新兴前沿研究热点，其包含了传感器技术，无线通信技术和嵌入式技术等，具有信息、采集、传输和处理的能力，ZigBee无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活产生极大的影响，对产业变革产生巨大的推动作用。针对当前的餐饮业的传统点菜方式，设计一个基于ZigBee技术的无线点菜系统。以便服务员和顾客可以随时随地的使用无线菜机进行点菜、加菜、结算等工作，以提高酒店员工的服务效率，降低人力成本，帮助酒店走向信息化。在各种宾馆、酒店、餐厅等场所，通常所使用的点菜方式，都是传统的人工方式，即客人走进餐厅或酒店等场所，服务员就拿着菜单迎上来询问客人并要求点菜，随后服务员将菜单送到厨房和收银台，等厨房师傅将菜做好，由服务员送到客人餐桌上，这种点菜方式有很多的不便，首先就是服务员的数量太多，极大的浪费了人力，同时服务员来回跑会产生忙乱现象，也可能会出现跑单漏单现象，降低了经营的整体效率，而无线点菜系统可以有效的解决这些问题。当今的极大无线通信技术比较复杂，耗费的资源也多，成本高，不适合短距离的通讯的场合。而作为短距离传输的蓝牙协议复杂度较高，功耗高，成本高，不能满足小型化低成本设备的无线网络要求，而ZigBee无线协议复杂度低，对资源要求少，低功耗低成本，短时延（15ms），可容纳65535个节点，且不受国家允许的公用频率限制，非常适合无线点菜系统。ZigBee无线网络能实现网状网络，从而保障了数据传输的可靠性。一台ZigBee无线网络通讯中心节点能以轮询的方式与多台无线点菜机通讯。在室内受建筑物的阻挡等因素影响，当一台PC机端无线数据节点的通讯距离不能覆盖整个应用场所时，可在适当位置增设多个无线通讯节点，这样就不容易发生数据的丢失。ZigBee联盟预言在未来的四到五年内，每个家庭将有五十个ZigBee器件。现在较多的点菜系统是PDA点菜系统，其主要通过红外线或无线传输技术（802.11b）来进行数据传输。红外传输距离由其功率大小决定，由于PDA自身性能的局限性，其红外线传输距离理论上只有4米，而且红外传输过程中不能有任何障碍物，传输功率不能达到100%极易造成数据丢失。另外红外传输所需的硬件品种较为复杂，因而所构建的网络也会较为复杂，造成网络易出故障。无线传输技术（802.11b）因其受到国家允许的公共频率限制，会受到其他诸如手机，微设备的干扰。而且PDA无按键，操作繁琐，点菜速度慢，在输入数据、附加项是必须用笔触式界面，难以识别潦草的字，易出错，修改麻烦，损坏频率高。参考文献 【1】周小飞，张宏纲。认知无线电原理及应用【M】。北京：北京邮电大学出版社，2007.3【2】李文仲，段朝玉等。ARM微控制器ZigBee无线网络【M】。北京：北京航天航空大学出版社，2007.4【3】李文仲，段朝玉等。ZigBee2006无线网络与无线定位实战【M】。北京航空航天大学出版社，2007.4【4】高泽溪等。无线技术导论【M】。北京：北京航空航天大学出版社。2004【5】李文仲，段朝玉等。ZigBee无线网络技术入门与实践【M】。北京航空航天大学出版社，2007.4【6】李文仲，段朝玉等PIC单片机与ZigBee无线网络实战【M】。北京：北京航空航天大学出版社，2007.12【7】彭树生。PIC单片机实践与系统设计【M】北京：电子工业出版社，2007【8】刘启中。PIC单片机原理及应用【M】。北京：北京航空航天大学出版社，2003【9】徐伟雄。PIC单片机原理与程序模块【M】。福建：福建科学技术出版，2008.21. 项目研究的目标，内容和拟解决的关键问题1.1研究目标：通过实现ZigBee无线网络，用PIC18F4620单片机控制协调器和终端设备，将数据终端设备发送到协调器，协调器在通过串口将数据发送到PC机中。从而大大发送和接受所点菜品的目的。1.2 研究内容1.2.1 ZigBee协议栈是ZigBee技术的核心，它有一组子层构成。每层为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个实体通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。ZigBee协议栈的体系结构如图1.2.1所示。IEEE802.15.42003标准定义了最下面的两层：物理层(PHY)和介质接入控制子层（MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层（APL)框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层（APS）、ZigBee对象（ZDO)和由创造商指定的应用对象。1.2.2系统的终端设备硬件，需要记录下客户所点的菜品并通过ZigBee通过协议将所点的菜要数据组建好数据包，并将数据发送到协调器。精简功能设备RFD，只能传送信息给全功能设备FFD或从FFD上接收信息，附带有限的功能来控制成本和复杂性。在网络中可以用来作为终端设备，由于RFD省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单地8位处理器和协议栈也有助于降低成本.1.2.3协调器包含网络的所有信息，能够发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、不断的接受信息。他负责整个网络的建立，同时它也可以作为与其他类型网络的通讯节点（网关），是ZigBee技术网络中最为复杂、存数容量最大、计算能力最强的设备。构成协调器的期间必须是全功能设备（FFD)。协调器的主控芯片（PIC18F4620单片机)通过SP2接口对ZigBee无线芯片CC2420的内部寄存器和RAM进行访问来实现对CC2420的控制和数据收发，另外当CC2420所要接受的数据到达时，会产生SPI中断。1.2.4 系统的协调器在设备初始化后就自动的建立网络，并允许设备加入网络。协调器如果发现自己没有形成网络，就将通过NLME-NETWORK-FORMATION.request 源于来启动一个新网络的建立，并通过 NLME-PERMIT-JOINIG.request源于来允许设备与网络连接。终端设备在初始化后自动地检测网络，并加入网络。2.1研究方法2.1.1 ZigBee协议栈作为ZigBee技术核心的ZigBee协议栈，它由物理层、MAC层、网络层、应用层4个子层构成。来自IEEE802.15.4物理层协议数据单元（PPDU)的二进制数据被依次（按字节从低到高）组成4位二进制数据符号（对应16状态组中的一组）被映射成32位伪噪声码片（CHIP)，以便传输。然后这个连续的伪噪音CHIP序列被调制（采用最小键控制方式）到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移正交相移键控（OQPSK)调制方式。IEEE802.15.4MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。管理服务通过MAC层管理实体（MLME)服务接入点（SAP）访问高层。MAC层数据服务使MAC层协议数据单元（MPDU)的收发可以通过物理层数据服务。ZigBee的网络层主要用于ZigBee网络的网组链接、数据管理以及网络安全等。而应用层主要为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以使ZigBee技术在不同场合的开发应用，其开发应用框架也不同。2.1.2 ZigBee无线芯片 CC2420CC2420是Clipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4规范的2.4GHz射频芯片，用于开发工业无线传感器网络及家庭组网等PAN网络的ZigBee设备和产品。芯片从天线接收到射频信号，首先经过低噪声发达器（LNA），然后正交下变频到2HMHz的中频上经过中频信号的同相分量和正交分量。两路信号经过滤波和放大后，直接通过A/D转换器转换成数字信号。CC2420发送数据时，使用直接正交上变频。基带信号的同相分量和正交分量直接被数模转换器转换为模拟信号，通过低频滤波器，直接变斌道设定的信道上。发射机部分基于直接上变频。要发送的数据线被送入128B的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动生成的。根据IEEE802.15.4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器。然后经过低通滤波和和上变频混频后的射频信号最终被调至到2.4GHz，并经过放大后送到天线发射出去。CC2420外围电路包括晶振时钟电路、射频信号的收发采用差分方式进行传输，其最佳差分负载是115W+J180W，阻抗匹配电路根据这个数值进行调整。2.1.3 ZigBee节点的创建要创建典型的ZigBee节点至少具备以下组件：一片带SPI接口的PIC18F4620单片机；一个带有所需外部元件的RF收发器CC2420；一根天线，可以是PCB上的引线形成的天线或者单级天线；ZigBee节点控制器通过SPI总线和一些离散控制信号与RF收发器CC2420相连。控制器充当SPI主器件，而RF收发器充当从器件，控制器实现了IEEE802.15.4MAC层和ZigBee协议层。2.1.4 系统的协调器作为系统的协调器，它要完成接收数据，并通过串口将数据传送到PC机上这些功能，数据的接受主要靠ZigBee无线模块，通过PIC8F4620单片机控制此无线模块来完成这项功能；数据传送到PC机上可以采用SP3223驱动PIC18F4620的SCI接口与标准的RS232电平接口，是单片机和pc机之间能方便的交换数据。对于没有串口的PC，采用FT233RL驱动PIC18F4620单片机SCI接口与PC的USB接口相连。2.1.5系统的终端设备作为系统的终端设备，要完成发送数据的任务，终端设备上包含有LED显示屏，LED指示灯按键，ZigBee无线模块和蜂鸣器等。其中LED指示灯用于调试程序或状态的指示。将终端设备做成手持式的设备，用LED作为显示屏，用一个确定按键，两个上下按键作为选择菜品时的按钮。2.1.6 关于软件设计用C语言开发PIC单片机软件，用MPLAB IDE 作为继承开发环境，用MPLAB C18作为编译器，采用模块化或结构化设计思想。其中模块化设计思想采用同时多任务架构。通过ZigBee无线模块，组建好数据包，向协调器发送数据。2.1.7 关于软件设计用C语言开发PIC单片机软件，用MPLAB IDE作为其继承开发环境，用MPLAB C18作为编译器，采用模块化或结构化设计思想。其中模块化设计思想采用协同时多任务架构。这只是一个初步的研究方法，我们将根据需要做出一定的变化。2.2 技术路线： 2.2.1 客人使用手持点菜终端，选择所点菜肴后按下确定键，这时候终端系统就会将客人的菜品通过无线系统发送到协调器，协调器再将客人所点的菜品发送到厨房和收银台那的数据处理众多以供工作人员参考。2.2.2协调器的程序设计基本思路：生成一个网络，确定是否允许加入终端设备，指示出是已加入终端设备，接着指示应用层数据，显示菜单信息和所点菜肴数，读取菜肴序列号值。2.2.3 终端设备的程序设计，只需要将客户所点的菜品记录下来通过ZigBee通信协议组建好数据包，并将数据发送到协调器。2.2.3 可行性的分析：我校电子工程系有优秀的教职工，先进的实验设备，浓厚的学术氛围。目前ZigBee网络已经是当今世界的技术焦点，可以通过许多方法学习到这方面的知识，并可以找到一些主要的源程序。而且它拥有一些全新特点，将使它在各个领域得到非常广阔的应用。ZigBee技术的核心是几万行ZigBee/802.15.4 C51源代码。而微芯公司提供源代码开放协议栈。研究计划及预期进展2013年2月2013年3月 ，查阅相关资料，学习并熟悉PIC18F4620单片机和ZigBee技术等项目研究中的相关技术；2013年3月2013年4月，进行资料收集，技术调研，确定项目的实施方案；2013年4月2013年5月，完成ZigBee无线模块和PIC单片机模块，实现ZigBee无线网络；2013年5月2013年6月，完成无线点菜系统，对其进行调试，并对出现的问题进行解决，最