基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现

文章摘要：1 物理层IEEE802.15.4标准在物理层设计中面向低成本和更高层次的集成需求，才用的工作频段分别为2.4 GHz和868/915 MHz。各个频段可以使用的信道数目分别为16、10、1，各自提供250kbps,40kbps和20kbps的传输速率，其传输范围介于10-100米之间。为了避免干扰，在各个频段均使用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频技术)[13]，以化整为零方式将一个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号以避免干扰，这对大部分较低端的实现来说，直接序列的应用可以使模拟电路更加简单，具有更高的容错性能。2 媒体访问层IEEE

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1 物理层
IEEE802.15.4标准在物理层设计中面向低成本和更高层次的集成需求，才用的工作频段分别为2.4 GHz和868/915 MHz。各个频段可以使用的信道数目分别为16、10、1，各自提供250kbps,40kbps和20kbps的传输速率，其传输范围介于10-100米之间。
为了避免干扰，在各个频段均使用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频技术)[13]，以化整为零方式将一个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号以避免干扰，这对大部分较低端的实现来说，直接序列的应用可以使模拟电路更加简单，具有更高的容错性能。
2 媒体访问层
IEEE802.15.4标准在媒体访问层（MAC）方面，主要沿用无线局域网WLAN中IEEE802.11系列标准的CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，载波监听多路访问与冲突避免)方式以提高系统的兼容性。这种MAC层的设计不但是多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可以实现非常有效的功耗控制。
3 网络层
网络功能是ZigBee协议的重要特点，也是与其他无线局域网标准不同的地方。在网络层方面其主要工作在于负责网络机制的建立与管理，并且具有自我组态与自我修复功能。在网络层中ZigBee协议定义了三种角色：第一个是网络协调器，负责网络的建立以及网络位置的分配；第二个是路由器，主要负责找寻建立以及修复信息包的路由路径，并负责转发信息包；第三个是末端装置，只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息包，但是不能转发，不具备路由的功能。通常，路由器和网络协调器由全功能装置（FFD）实现，而末端装置由简化功能装置（RFD）实现。在组网方式上，ZigBee主要采用图2.1所示三种方式：其一为主从方式的星形网，它需要一个能负责管理和维护网络的网络协调器和不超过65535个从属装置；其二为簇形网络，它可以是扩展的单个星形网或者互连多个星形网络；其三为网状网（Mesh），网络中的每个FFD可以做为路由器，根据AD hoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径。

图2.1 三种网络拓扑结构

4 应用层
对于应用层，主要有三个部分：与网络层相连的应用支持（APS），ZigBee设备对象（ZDO）以及装置应用行规。ZigBee的应用层架构最重要的是已经覆盖了服务的观念。
对于ZigBee装置而言，当加入到一个WPAN（Wireless Personal Area Net，个人无线局域网）后，应用层的ZMO会发起一系列的初始化动作，先通过APS进行装置收寻以及服务收寻后，然后根据事先定义好的描述信息，将与其相关的装置或是服务记录在APS里的绑定表中；之后所有服务的使用，都要通过这个绑定表来查询资料的服务或者行规。而装置应用行规则是根据不同的产品设计出的不同的描述信息，以及ZigBee各层协议的参数设定。
5 安全层
安全层并非单独独立的协议，ZigBee为其提供了一套基于128位AES算法的安全类和软件，并且集成了IEEE802.15.4标准的安全元素，用来保证MAC层祯的机密性，一致性和真实性。
另外ZigBee联盟也负责ZigBee产品互通性测试与认证规则的制定，让开发ZigBee产品的厂商有一个公开的场合，能够互相测试互通性。而在认证部分，ZigBee联盟一共定义了三种层次的认证，第一级认证物理层和MAC，与芯片厂有着最直接的关系；第二级认证ZigBee协议栈；第三级认证ZigBee产品。只有通过第三级认证的产品才能贴上ZigBee的标志，所以也称作ZigBee注册认证。

2.2 ZigBee协议优缺点和应用前景

ZigBee协议是从WLAN发展过来的，经过近几年来ZigBee联盟成员[7]对标准的不断修改和完善，已经显示出了强大的生命力，但是本身还有一些缺点，这也限制了ZigBee协议的使用范围。
2.2.1 ZigBee协议的优点
功耗低：由于ZigBee网络节点设备工作周期较短、收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式（当不传送数据时处于休眠状态，当需要接收数据时由ZigBee网络中的协调器设备负责唤醒它们），可以确保两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。避免了频繁更换电池或者充电，从而减轻了网络维护的负担 。
数据传输可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。而且MAC层采用了完全确认的数据传输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，从而从根本上确保了数据传输的可靠性，最大限度地降低信息损失的概率。

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