汪 迎，白高棚，馮家慧，郝 冉

（鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

基于“智能無(wú)線點(diǎn)餐”系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪 迎，白高棚，馮家慧，郝 冉

（鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

針對(duì)中低檔餐廳設(shè)計(jì)的半智能化的無(wú)線點(diǎn)餐系統(tǒng)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)用的是?Zigbee?協(xié)議棧，成本低，低功耗，高精度的設(shè)計(jì)思路，在手持端口帶有RFID模塊，顧客可通過(guò)前臺(tái)電腦終端辦理會(huì)員卡，可充值，可加密。用餐時(shí)只需把卡放入識(shí)別處，通過(guò)解密把請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)線模塊。兩者之間通過(guò)串口連接。此時(shí)，顧客/服務(wù)員可直接用手持端口進(jìn)行點(diǎn)餐，點(diǎn)餐數(shù)據(jù)發(fā)送后，在前臺(tái)電腦主控端通過(guò)設(shè)計(jì)的界面可顯示點(diǎn)餐信息，當(dāng)然，后廚也可以看到，但不能進(jìn)行操作。顧客也可以直接通過(guò)前臺(tái)電腦主控端進(jìn)行點(diǎn)餐，結(jié)賬，打印憑。

ZigBee；RFID；上位機(jī)；智能；餐廳

本設(shè)計(jì)是利用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)和RFID射頻視頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)菜系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由手持前端，前臺(tái)端，后廚端三部分組成。設(shè)計(jì)最終達(dá)成了手持端對(duì)有效的RFID射頻卡的識(shí)別，桌號(hào)的設(shè)定存儲(chǔ)，點(diǎn)菜，屏幕顯示，打印憑條及無(wú)線發(fā)送功能。收到有效的RFID標(biāo)簽信號(hào)后，可通過(guò)手持設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)餐，無(wú)線模塊發(fā)送信息，接收到信息后前臺(tái)端通過(guò)串口在計(jì)算機(jī)上顯示菜名，結(jié)算后通過(guò)后廚端在電腦上顯示菜名，前臺(tái)電腦也可以直接點(diǎn)餐，在后廚顯示菜名。設(shè)計(jì)有硬件電路和軟件設(shè)計(jì)構(gòu)成。硬件電路有兩個(gè)，一個(gè)是基于STC11F32設(shè)計(jì)的RFID閱讀，標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)按鍵進(jìn)行密碼認(rèn)證，確認(rèn)，LCD顯示數(shù)據(jù)。軟件設(shè)計(jì)是利用LAR Embedded Workbench編譯環(huán)境 ，運(yùn)用C語(yǔ)言編寫的硬件程序，和利用Microsoft Visual Studio 2008環(huán)境編寫，運(yùn)用C++編寫的電腦界面可視化程序。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1.1 ZigBee硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主控電路是由CC2530芯片，晶振電路和射頻電路組成。該電路作為整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心單元，其連接方式如圖1所示。

圖1 ZigBee硬件結(jié)構(gòu)電路圖

采用增強(qiáng)型8051MCU，在單個(gè)芯片上集成了CPU，存儲(chǔ)器，常用片內(nèi)外設(shè)和RF射頻單元。它具有1 個(gè) 8 位 CPU（8051），主頻達(dá) 32 MHz，具有最大 128 kB可編程FLASH和8 kB的SRAM，片內(nèi)外設(shè)非常豐富，主要包括1個(gè)5通道，8位至14位可編程ADC轉(zhuǎn)換器，4個(gè)定時(shí)器（其中包括1個(gè)MAC定時(shí)器），2個(gè)USART，1個(gè)DMA控制器，1個(gè)AES128系統(tǒng)處理器，1個(gè)看門狗定時(shí)器，1個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器，21個(gè)可編程I/O引腳，可配置為通用I/O，也可配置為外設(shè)專用引腳。CC2430芯片采

用0.18 μmCMOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA和25 mA。具有3種休眠模式，從休眠模式轉(zhuǎn)換到正常模式僅需54 μs，特別適合要求電池長(zhǎng)期供電的應(yīng)用場(chǎng)合。

1.1.2 按鍵電路

按鍵部分是用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信的，按鍵的電路圖如圖2所示。

有 5個(gè)按鍵，分別為 PUSH（中心），UP（上方），DN（下方），LT（左方），RT（右方）。正常情況下均為高電平，當(dāng)按鍵按下后輸出為低電平。上鍵和下鍵經(jīng)或門的1，2輸入端后輸出3（4）與左鍵輸入端5相或，其輸出端6（10）在與右鍵輸入端9相或，輸出端8（13）最終和中心鍵相或。CC2530芯片上的P2.0口和P0.6口控制著這幾個(gè)按鍵。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：進(jìn)入點(diǎn)菜時(shí)，上下是加減鍵，左鍵是發(fā)送鍵，右鍵是進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)?？偣灿兴膫€(gè)狀態(tài)，狀態(tài)1是選擇桌號(hào)，狀態(tài)2是選擇第一道菜，狀態(tài)3是選擇第二道菜，狀態(tài)4是選擇第三道菜。只要按左鍵即可發(fā)送點(diǎn)菜信息，選滿三道菜即自動(dòng)發(fā)送點(diǎn)菜信息，重新回到訂桌界面。

1.1.3 屏幕顯示電路

本設(shè)計(jì)所用的12864是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器，列驅(qū)動(dòng)器及128*64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示；12864液晶顯示屏共有128*64點(diǎn)陣，即每行顯示128點(diǎn)，每列顯示64點(diǎn)。此種型號(hào)的液晶顯示屏以中間間隔平均劃分為左屏和右屏分別顯示，均為64*64點(diǎn)陣，而且各自都有獨(dú)立的片選信號(hào)控制選擇。

圖2 按鍵電路圖

圖3 屏幕顯示電路圖

1.1.4 RFID硬件結(jié)構(gòu)

1）主控結(jié)構(gòu)

主控機(jī)構(gòu)是基于STC11F32XE芯片結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通8051快8～12倍。具有低功耗，速度快的特點(diǎn)。STC11F32XE加密性強(qiáng)，無(wú)法解密，采用宏晶最新第六代加密技術(shù)，超強(qiáng)抗干擾，超強(qiáng)抗靜電，整機(jī)可輕松過(guò)兩萬(wàn)伏特靜電的測(cè)試。輸入電壓5.5～4.1 V，跟8051內(nèi)核一樣，具有T0/T1兩個(gè)定時(shí)器，具有獨(dú)特的UART串口獨(dú)立波特率發(fā)生器，支持掉電喚醒外部中斷，具有掉電喚醒專門定時(shí)器。

2）RC522 硬件電路

MFRC522是高度集成的非接觸式讀寫卡芯片。此發(fā)送模塊利用調(diào)制和解調(diào)的原理，并將他們完全集成到各種非接觸式通信方法和協(xié)議中（13.56MHz）。具有集成的模擬電路，解調(diào)和譯碼相應(yīng)，緩沖的輸出驅(qū)動(dòng)器與天線的連接使用最少額外部元件，支持ISOI14443A/MIFARE.支持主機(jī)接口，具有64字節(jié)的發(fā)送和接受FIFO緩沖區(qū)，靈活的終端模式低功耗的硬復(fù)位功能。模擬接口用來(lái)處理模擬信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。非接觸式UART用來(lái)處理與主機(jī)通信時(shí)的協(xié)議要求。FIFO緩沖區(qū)快速而方便的實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與非接觸式的UART之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 RC522電路

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

上位機(jī)軟件有兩部分構(gòu)成，即下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集和圖形界面的操作和統(tǒng)計(jì)。

1）下位機(jī)數(shù)據(jù)采集

在下位機(jī)中，每一桌的點(diǎn)餐信息先由服務(wù)員的終端節(jié)點(diǎn)采集，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給一個(gè)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息后，將其封裝成一數(shù)據(jù)幀，通過(guò)串口線傳輸給電腦。數(shù)據(jù)幀如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀

2）上位機(jī)在開始運(yùn)行后，每個(gè)100 ms會(huì)檢查一次串口緩沖區(qū)，如果緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，側(cè)便利每一個(gè)數(shù)據(jù)，查找?guī)^（數(shù)據(jù)0xFE），如果查找到幀頭，則提取后面的桌號(hào)和菜單信息，并將數(shù)據(jù)保存到Dishes類和Tables類的對(duì)象中，Dishes類和Tables類的設(shè)計(jì)如下：

圖5 系統(tǒng)框圖

2 圖形界面的操作和統(tǒng)計(jì)

軟件的運(yùn)行圖如圖6，其中，界面上部分為導(dǎo)航欄，分別有總覽按鈕和1～6個(gè)餐桌按鈕，總覽按鈕可以看到當(dāng)前餐廳的就餐情況，包括正在就餐的數(shù)量，預(yù)計(jì)收入的金額；點(diǎn)擊導(dǎo)航欄餐桌按鈕或者點(diǎn)擊就餐的餐桌列表里的對(duì)應(yīng)條目，可以看到該餐桌的菜單和統(tǒng)計(jì)信息如圖6所示，進(jìn)入某個(gè)餐桌的菜單后，點(diǎn)擊打印該桌訂單即可答印出菜單，如圖7所示。

圖6 菜單和統(tǒng)計(jì)信息

圖7 點(diǎn)菜菜單

2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)啟動(dòng)代碼需要完成初始化硬件平臺(tái)和軟件架構(gòu)所需要的各個(gè)模塊，微操作系統(tǒng)的運(yùn)行做好準(zhǔn)備工作，主要分為初始化系統(tǒng)時(shí)鐘，檢測(cè)芯片工作電壓，初始化堆棧，初始化各個(gè)硬件模塊，初始化FLASH存儲(chǔ)，形成芯片MAC地址，初始化非易失變量，初始化MAC層協(xié)議，初始化應(yīng)用層幀數(shù)據(jù)，初始化操作系統(tǒng)等十余部分，如圖8和9所示。

圖8 流程圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖10所示。

3 網(wǎng)絡(luò)原理

本設(shè)計(jì)采用基于Z-stack協(xié)議棧的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，采用2.4 HMH數(shù)據(jù)傳送頻段。

圖9 1號(hào)桌菜單

圖10 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)；ZigBee技術(shù)是一種短距離，低復(fù)雜度，低功耗，低數(shù)據(jù)速率，低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)，安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。

Z-stack協(xié)議棧簡(jiǎn)介；ZigBee技術(shù)所采用的是自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化，快速檢測(cè)其他節(jié)點(diǎn)的存在和探測(cè)其他節(jié)點(diǎn)的能力集，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)協(xié)調(diào)彼此的行為，無(wú)需人工干預(yù)和任何其他預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，可以在任何時(shí)刻，任何地方快速展開并自動(dòng)組網(wǎng)。由于網(wǎng)絡(luò)的分布式特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的冗余性和不存在單點(diǎn)故障點(diǎn)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性和健壯性。

協(xié)議工作過(guò)程：協(xié)議棧一共分為五個(gè)層次，分別是物理層，MAC層，網(wǎng)絡(luò)層，APS層，應(yīng)用層。物理層支持868/915 MHZ，204 GHz三個(gè)頻段。與MAC層之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接，分別是物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和物理層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)。MAC層與網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接，用到MAC數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)和MAC實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層與APS層相連接，APS層的作用是應(yīng)用層數(shù)據(jù)處理和綁定功能，也是由數(shù)據(jù)實(shí)體和管理實(shí)體兩個(gè)接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連接的。最后就是應(yīng)用層了，應(yīng)用層跟APS層的連接通過(guò)APS數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)和管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)。應(yīng)用層也分為兩個(gè)部分，一個(gè)是普通應(yīng)用層，一個(gè)是ZDO從網(wǎng)絡(luò)層獲取服務(wù)。各層之間是通過(guò)SAP原理實(shí)現(xiàn)各層之間的各種服務(wù)。SAP是底層協(xié)議給高層提供接口，接口表現(xiàn)形式是一系列原語(yǔ)，層與層之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息傳遞。

4 結(jié) 論

本論文是以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)無(wú)線點(diǎn)餐系統(tǒng)中的服務(wù)員手持端的功能，附加RFID作為方便快捷的支付認(rèn)證。先介紹了高端點(diǎn)餐設(shè)備的必然性，接著敘述設(shè)計(jì)思路，要實(shí)現(xiàn)的功能等。

首先對(duì)系統(tǒng)主控電路，按鍵電路，RS232串口電路做了研究設(shè)計(jì)，并在硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)軟件程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。再者對(duì)各個(gè)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊進(jìn)行編程調(diào)試，利用不同的實(shí)施原理，不同的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行硬件和軟件上的研究。最后把整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行功能測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)基本功能，能得出預(yù)期的結(jié)果。

設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)應(yīng)將和軟件兩個(gè)方面的內(nèi)容，通過(guò)閱讀大量的有關(guān)的資料，對(duì)先進(jìn)的ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，RFID技術(shù)有了初步的了解，它們有著廣闊的發(fā)展前景。在硬件方面，了解了ZigBee，RFID硬件電路的有關(guān)知識(shí)，電子產(chǎn)品的開發(fā)流程及怎樣去一步步實(shí)現(xiàn)，在軟件方面，掌握了IAR軟件編程，KEILL4軟件STC編程，及Z-stack協(xié)議棧，只要學(xué)通它們的工作原理，就能根據(jù)實(shí)際需求在應(yīng)用層里進(jìn)行編程。

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Design of intelligent wireless point meal system

WANG Ying，BAI Gao-peng，F(xiàn)ENG Jia-hui，HAO Ran
（School of Information Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

In view of the middle and low Restaurant Design of semi intelligent wireless point meal system，wireless sensor network with Zigbee protocol stack，low cost，low power consumption，high accuracy of the design ideas，in the handheld port with RFID module，customers can through the front desk for membership card，can be encrypted.When you eat，just put your card in the identification.Between the two through the serial port connection.At this point，the client/server can be directly with a handheld port meal.After ordering data sent，in the front desk computer main control end through interface design can display the ordering information，of course，the kitchen can also see，but not to carry out the operation.Customers can also directly through the front of the computer to control the main point of the meal，checkout，print.

ZigBee；RFID；PC；intelligent；restaurant

TN-7

：A

：1674－6236（2017）13-0053-05

2016-06-02稿件編號(hào)：201606019

汪 迎（1965—），女，江西上饒人，碩士，實(shí)驗(yàn)師。研究方向：電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)。