（通信与信息系统专业论文）基于zigbee技术的无线点餐系统的研究与设计.pdf

摘要 摘要 近年来，无线网络、无线控制、无线定位和移动连接等词语频频出现，标 志着这些新生事物正在走进人们的视野。同时，随着计算机应用技术的普及， 越来越多的嵌入式设备也已融入到人们的日常生活，如手机、数码相机、m p 3 、 上网本等许多人们熟知的工具。嵌入式设备和无线通信技术的结合是现代信息 产业的一大发展趋势，目前已有大量的无线通信设备使用了嵌入式技术。 本课题设计了一个基于z i g b e e 无线技术的嵌入式点餐系统。系统主要由三 部分组成：嵌入式点餐终端、数据接收端和p c 管理机。设计的重点是嵌入式手 持终端，采用a r ml p c 2 4 7 8 微处理器为控制核心，通过扩展n a s h 、s d r a m 、 触摸屏和z i g b e e 无线模块等部件构建了系统的硬件平台。在此基础上移植了嵌 入式操作系统m c o s i i ；并使用图形开发软件, c g u i 设计了系统的图形用户 界面；通过串1 2 1 连接实现了a r m 与z i g b e e 节点之间的数据交互。数据接收端 是整个通信网络的中心节点，用来连接z i g b e e 无线网络和i n t e r n e t 。用户使用嵌 入式点餐终端进行点菜等操作，所选的菜单数据将经过数据接收端重新打包后 发送上网。 论文阐述了课题的整个研发过程，从选择z i g b e e 无线通信技术应用于嵌入 式无线点餐系统方案的确定，到整个软硬件系统设计的全过程，文中给出了详 细的介绍。 本文设计的嵌入式无线点餐系统具有成本低，结构紧凑，可靠性好，功能 较完善等优点，具有一定的使用价值和推广意义。 关键词：无线点餐系统；l p c 2 4 7 8 ；比c o s i i ；t c g u i ：z i g b e e a b s t r a c t a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i r e l e s sn e t w o r k ，w i r e l e s sc o n t r o l ，w i r e l e s sl o c a t i o n ，m o b i l e c o n n e c t i o na n do t h e rn e o l o g i s m sa p p e a rf r e q u e n t l y t h i ss i g n i f i e st h e s en e wt h i n g s a r en o ww a l k i n gi n t op u b l i cv i s i o n m e a n w h i l e ，w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fc o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ee m b e d d e de q u i p m e n t sa r em e r g i n gi n t o p e o p l e sd a i l yl i f e ，s u c ha sm o b i l ep h o n e ，d i g i t a lc a m e r a ，d v dp l a y e r , n e t b o o ka n d s oo n t h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y h a sa l r e a d yb e c o m eag r e a tt r e n do fm o d e mi n f o r m a t i o ni n d u s t r y , a n dp l e n t yo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd e v i c e sh a v ea d o p t e de m b e d d e dt e c h n o l o g y t h es u b j e c td e s i g n e daw i r e l e s so r d e rd i s h e ss y s t e mw h i c hc o m b i n e de m b e d d e d t e c h n o l o g ya n dz i g b e et e c h n o l o g y t h ew h o l es y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s ：h a n d h e l d w i r e l e s st e r m i n a l ，r e c e i v i n gt e r m i n a la n dt h eu p p e rc o m p u t e r t h ed e s i g nl a y ss t r e s s o nw i r e l e s so r d e rd i s h e ss y s t e mw h i c ha d o p t sa r ml p c 2 4 7 8 m i c r o p r o c e s s o ra st h e c o n t r o lc e n t r e i na d d i t i o n ，s o m ee x t e r n a lc i r c u i th a sb e e ni n t r o d u c e d ，s u c ha sf l a s h ， s d r a m ，t o u c hs c r e e nm o d u l e ，z i g b e ew i r e l e s sm o d e ，a n ds oo n b yt r a n s p l a n t i n g r t o sg c o s - i ia n dg r a p h i c ss u p p o r ts o f t w a r e t c g u i ，ap r a c t i c a la n de f f e c t i v e g r a p h i cu s e ri n t e r f a c ef o ro r d e r i n gd i s h e sh a sb e e nd e s i g e d ；i na d d i t i o n ，u a r td r i v e r p r o g r a mh a sb e e nd e s i g n e dt or e a l i z ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e na r mt e r m i n a la n d z i g b e ec o o r d i n a t o r a st h ec e n t r en o d eo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h er e c e i v i n g t e r m i n a l i su s e dt oc o n n e c tz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r ka n di n t e r a c t u s e rc a nu s et h i s h a n d h e l dt e r m i n a it oo r d e rd i s h e sa n ds e n dm e n u sd a t at ot h eu p p e rc o m p u t e r t h i sp a p e ra r ep r e s e n t e di nm o r ed e t a i l e x p o u n d st h ew h o l ed e v e l o p m e n t p r o c e s so ft h es u b j e c t f r o mt h ec o n f i r m i n gs c h e m eo fc h o o s i n gz i g b e ew i r e l e s s t e c h n o l o g yf o re m b e d d e do r d e rd i s h e ss y s t e mt ot h ew h o l ed e s i g np r o c e s so fs o f t w a r e a n dh a r d w a r es y s t e m ，t h i sp a p e rg i v ee n o u g hi n t r o d u c t i o n t h ee m b e d d e dw i r e l e s so r d e rd i s h e ss y s t e md i s c u s s e di n t h i sp a p e rh a sf e a t u r e s o fl o wc o s t ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，e x c e l l e n tr e l i a b i l i t y , a n dp e r f e c tf u n c t i o ne t c i th a s c e r t a i na p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：w i r e l e s so r d e rd i s h e ss y s t e m ；l p c 2 4 7 8 ；c o s i i ；z c g u i ；z i g b e e l l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：杨灾年签字日期：z o p 年月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝储躲杨炙辛翩躲拥f i n v 0 力争 签字日期：7 o o 年月5 n 签字日期：砂pi f - 月厂日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 目前我国的各类大中型餐饮企业大多沿用传统的餐饮服务模式，信息化程 度低，信息化管理还停留在“电脑记帐打单 的简单应用程度上。顾客点餐时， 由服务员来回传单。这种原始的点餐方式存在诸多不便，表现为：传单费时， 顾客用餐时间长和翻台率低、单据繁多，容易漏单等；管理者难以从海量的营 业数据中提取出有用的决策信息，也难以形成有效的财务管理机制等。随着现 代人们时间观念的增强和对服务要求的提高，这种传统的餐饮服务方式渐渐难 以适应现代化经营管理的需要，成为了现代餐饮业规模化发展的瓶颈【。 随着市场竞争的日益激烈，市场细分化的趋势使企业特色与个性化更为明 显，竞争重心也从过去的重品种和重价位向着重品牌重服务转变。因此，要进 一步提高现代市场的竞争力，引入信息化管理技术也是一条可行之道。市场上 曾先后出现过红外、i c 卡等点菜系统。虽各有所长，但都有其局限性，不能很 好地满足市场需要。无线电子点餐是近几年新出现的一种餐饮服务产品，它结 合了先进的p d a 掌上电脑和无线网络通信技术，是目前业界最先进的餐饮服务 解决方案。在餐厅内使用手持无线点菜机可以实现随时随地点菜、加菜、退菜、 划菜、签单等整套餐饮服务流程。无线点菜系统给餐饮业带来了全新的服务手 段和管理理念，优化了业务流程，节约餐饮企业的人力资源，提高了工作效率 和服务质量，实现了收银和各种信息统计的快速操作，并为决策层提供了有效 的数据信息，实现餐饮管理的数字化、高效化。 1 2 课题背景 2 0 世纪7 0 年代以前，餐饮业一直沿用传统的人工服务方式。随着计算机 技术的发展，2 0 世纪下半叶国外出现了计算机餐饮管理系统( 在服务台设置p c 机和打印机进行结帐、核算、打印票据等) 。国内在8 0 年代末引进了这些技术。 这时候的餐饮管理系统还仅仅是企业财务电算化管理，算不上真正意义上的餐 饮服务管理系统2 1 。 第1 章绪论 9 0 年代中期随着网络技术的发展，出现了基于有线网络互联的c s ( c l i e n t s e r v e r ) 和b s ( b r o w e r s e r v e r ) 架构的餐饮服务系统。此后，随着i n t e r n e t 技术的普及，结合动态网页技术和数据库技术，餐饮管理系统得到进一步拓展， 出现了网上订餐系统等产品。述这些餐饮管理系统还是基于有线网络形式的， 有着有线组网的一些固有缺陷：如布线麻烦、改线困难、成本偏高等。 此后随着无线技术的普及应用，相继出现了基于各种无线技术( 红外、蓝 牙、i c 卡、8 0 2 1 1 系列) 的餐饮管理系统，有效弥补了有线网络产品的种种缺 陷。如北京辰森伟业软件公司开发的一卡通管理系统等。但由于各标准无线通 信技术的不同适应性，产品仍存在一些不足。这些产品的优劣归纳如下： 红外点菜机 基于红外技术的点菜机【3 】发射距离短( 2 1 0 米) 、穿透能力弱而且要直线 发射单向发送数据。同时，基于单向的红外线协议需要人工确认，数据易丢失。 工程安装复杂，需要在墙体上多处安装红外接收头1 4 j 。 i c 卡点菜机 使用i c 卡点菜机【5 ，6 】时顾客要先在餐厅的开架式展示区点菜，将数据存储 于卡内，点菜结束后到固定点读卡上传点菜数据。还有一类支持接触式非接触 式i c 卡应用的台式点菜机，使用方法相似。该系统的缺点是操作较麻烦。 触摸屏点菜p o s 机 触摸屏点菜p o s 机【7 t8 】实际上是一台触摸屏电脑，配合有线无线局域网使 用【9 1 。该点菜系统图形界面美观，操作方法简单，但硬件成本很高。 由于上述产品具有的种种局限性，因此在实际使用中受到了较大的限制， 普及程度并不高。直到后来的嵌入式无线点餐系统的出现，这一信息技术才开 始在餐饮服务应用中普及起来。嵌入式无线点餐系统首次于2 0 0 1 年在美国洛杉 矶的一家高档餐厅出现，在餐饮业界轰动一时。它结合了p d a 掌上电脑和无线 网络技术，开创了餐饮业无线数字化服务之先河。国内第一个产品是2 0 0 2 年上 海工理电子有限公司开发的p d a 无线点菜通1 。无线点餐系统能实现从预订、 点菜、配菜、到结帐的餐饮服务全过程，极大地提高餐饮企业的整体运营效率， 并解决财务管理、人员管理、核算、经营分析等问题j ，是目前餐饮业界最先 进的解决方案。相比以往的餐饮管理系统，无线点餐系统操作更为简洁，类似 于使用手机查找电话本中的号码并拔通的操作；通过无线网卡实现菜单的随时 随地发送，节约了传单的时间。采用无线点餐系统优化了餐饮企业业务流程， 节约了人力资源，实现了收银及各种信息统计的快速操作，提高了服务水平。 2 第1 章绪论 同时，管理者可以实时了解营业状况、物流和资金等信息，实现管理的数字化 和高效化。据市场分析，无线点菜系统已经在市场上占有大部分份额，代表了 点菜系统的发展方向。 统计目前市场上的无线点菜产品，主要有以下两种： ( 1 ) p d a 无线点餐系统 p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n 0 + 无线网卡+ 服务器【l2 。3 j 。此种方式中，以 台号作为识别标志，实现即时点餐。手持式点餐终端采用外接无线网卡或其它 无线通讯模块的商用p d a 开发，一般使用8 0 2 1 l b 无线局域网或w i f i 通信， 有效通讯距离为7 6 米至3 0 0 米，带宽可达1 1 m b p s 。无线p d a 点菜机操作简易， 真正实现了移动点餐。这种p d a 点餐终端属高档产品，图形界面美观，数据传 输可靠。代表性产品如江西恒泰智能电子工程有限公司开发的基于华硕 a 6 2 0 + p d a 的触摸屏无线点餐系统，2 0 0 6 年南昌民间食府引进了该套设备【1 4 l ， 取得了良好的反响；上海桑博电子科技有限公司的s e l 8 1 型无线点菜系统【1 5 1 。 由于这类产品是采用p d a 二次开发的，因此缺点是设备的价格偏高。 ( 2 ) 嵌入式无线点菜系统 嵌入式无线点菜机+ 无线网卡+ 服务器。本类点菜终端是自主研发的专用型 嵌入式无线点菜机，相比p d a 点菜机有着成本低的优势。如太优软件公司开发 的无线点菜器，使用按键式黑白屏，机身轻巧，类似于手机【l6 1 。使用时，顾客 通过虚拟菜单选择菜品，将点菜信息通过附近的无线接入点传入餐饮服务系统， 餐后凭终端价格记录或总服务台记录结帐。该类点菜终端大多数是基于高性能 的3 2 位微处理器和w i n d o w sc e 操作系统的，外接r f 4 0 1 、i 江9 0 5 等无线i c 模块，产品开发和使用都比较方便，图形界面好。现在市场上的该类产品有立 字泰电子公司开发的e m e n u l 0 4 通用手持终端( a r m 9 + w i n c e ) 【17 】；深圳华 成技术有限公司开发的基于a r m 双核+ w i n c e 5 0 电子茅谱1 1 州；深圳宏光电子 公司的基于m 3 0 6 2 l f g p g p 处理器的优创无线点菜机【19 】等。 一套完整的嵌入式无线点餐系统一般由嵌入式终端、无线接入点、服务器， 各部门出单打印机，财务、库存管理部分等部分构成。顾客使用无线终端进行 点餐等操作，数据经由无线网络与计算机收银台进行交换，随后点菜数据被分 送至数据库和各个职能部门，如厨房、原料供应部、饮品供应部等，完成了餐 饮服务各个业务流程的自动化管理。整个过程采用信息化实现，能有效规避了 人为操作的差错，并减少了财务、仓储等部门繁琐的事务工作。 针对现代餐饮企业提高运营效率与降低运营成本的需要，使用无线点菜系 3 第1 章绪论 统可以规范服务流程，加快点菜速度，减少人力资源消耗，避免跑冒漏单等差 错。餐饮企业在品牌建设中，也将逐步淘汰传统的一支笔，一张纸的点菜方式。 因此，无线点桑方式将是餐饮管理系统的主要发展方向。随着无线通信技术和 嵌入式技术的发展无线点菜系统的应用将更加成熟。 1 3 国内外研究现状 纵观市场上的无线点餐系统的终端，大多是采用p d a 开发的。p d a 是一 种集合计算、电话、传真和网络等多种功能的掌上电脑，一般用于管理个人信 息( 如通讯录、日程计划) 、上网、收发e m a i l 、发传真等。p d a 的设计工艺 水平高，图形界面美观，功能效果好。但同时也有一些不足之处。因此p d a 点 菜系统的优缺点可归纳如下： p d a 的操作系统一般集中在p a l mo s 、w i n d o w sc e 和e p o c 几款商业软 件，设计工艺优良，用户界面美观，屏幕色彩绚烂，但同时成本也较高【2 。 p d a 的使用对象是个人，并不关注环境适应性，而餐饮环境的应用需要考 虑防水、防油、摔跌等环境因素。 p d a 的设计是为了适合无线上网、音视频播放、大屏幕和多色彩显示，追 求更快的c p u 、更大的内存，也意味着更大的耗电量。无线点菜恰不希望 由此带来的高成本和高耗能，对c p u 的速度也没有太高要求。无线点菜 需要一个可以不工作时休眠的通信装置，p d a 常配的无线网卡不满足这种 要求。目前市售的p d a 待机能力最强的机型在配置1 8 0 0 m a h 超大电池的 情况下的连续使用时间也不过两个餐段，这种设计显然非常勉强。有报道 称某酒店使用p d a 点菜机不到半年就全部收回。 无线点菜机需要考虑上述因素，并据此作出相应的设计考虑：如使用合理 成本的硬件资源、低功耗的c p u 和低功耗无线电路等。因此，自主研发的嵌入 式无线点菜机相比p d a 点菜机具有如下优点： 软硬件资源配备合理，资源浪费少，因此设备成本低。 稳定性好：采用嵌入式软件设计，即开即用，运行稳定。 环境适应性好：可以按照工业级产品规格设计，具有防水、防油、防摔性。 电源消耗少：功耗远低于p d a ，不影响点菜环节的流畅性。 采用嵌入式系统开发的专用型无线点菜机的优势在于硬件成本和维护成本 低并且维修保障度好。而p d a 耗能大，需反复充电，易损坏，而且保修期短( p d a 4 第1 章绪论 更新换代快，一款产品一两年停产，而且配件更换很难得到保障) 。而且，相 较p d a 的多功能，嵌入式无线点菜机简易的操作反而降低了使用的复杂度。因 此，在无线点菜的应用中，嵌入式无线点菜机优于p d a 点菜机。 市场上的无线点餐系统很多是使用8 0 2 1 1 等无线网卡来传输数据【2 1 ，2 2 1 。 8 0 2 1 l 协议的设计目的是网络互联，首要考虑的是开放性和带宽，而不过多关 注间歇工作、耗电性和穿透性。8 0 2 1 l 无线局域网传输速度可高达2 m 以上， 能够支持在线电影等高速率应用，因此系统也更耗电、穿透性较弱。而无线点 菜应用并不要求高速率传输，它更关注功耗和穿透性。因此，使用8 0 2 1 l 无线 局域网无疑是先进的，开放而且速度快，但作为无线点菜设备并不是最优的选 择，没有实现资源的最大利用率。 z i g b e e 是近几年提出的一种近距离、低功耗、低速率、低成本的无线通信 技术，其目标是开发低成本、低功耗的产品。z i g b e e 是一组基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的有关组网、安全和应用软件等方面的技术四，2 4 ，2 5 1 ，z i g , b e e 协议可以嵌入 到各类电子设备中实现低流量的数据通信【2 6 。，广泛应用于家庭网络，门禁控制， 水电抄表，医疗监护，环境检测等领域。z i g b e e 网络支持的可接入设备多，一 个z i g b e e 节点可以支持2 5 5 个设备，一个区域内可以同时存在1 0 0 多个这样的 子网络，每个节点间的通信距离在3 0 米到数百米之间，分别提供 2 5 0 k b p s ( 2 4 0 h z ) 、4 0 k b p s ( 9 1 5 m h z ) 、2 0 k b p s ( 8 6 8 m h z ) 的传输速度。 无线点餐系统中的数据是以短消息和命令形式传输，不需要大文件和流媒 体等大数据量传输，因此对数据传速率要求低，而更关注的是功耗和成本等。 通过比较红外、蓝牙、8 0 2 1 1 系列、w i f i 、z i p j 3 e e 等几种无线技术，由z i g b e e 的技术参数分析得出，z i g b e e 以其低成本、低功耗、低速率的特点最贴切于本 课题的无线点餐系统设计需求。综上考虑，本文设计了一种基于3 2 位a r m 微 处理器和z i g b e e 无线技术的嵌入式点餐系统。 1 4 论文的主要工作及章节安排 本课题设计的无线点餐系统采用3 2 位a r m 微处理器l p c 2 4 7 8 作为终端主 控制器，采用m i c r i u m 公司的b o o s 一1 i 嵌入式操作系统和g c g u i 图形开发软 件来设计l c d 和触摸屏上的图形用户界面，采用顺舟科技公司的s z 0 5 - z i g b e e 模块作为无线收发模块，实现了数据的无线传输。 5 第1 章绪论 论文的主要章节安排如下： 第一章绪论中比较了近几年来的各种餐饮无线信息化产品，综述了嵌入式 计算机技术在无线点餐领域的应用情况，阐述了课题的选题意义。 第二章介绍了嵌入式系统和几种短距离无线通信技术的背景知识。 第三章介绍了嵌入式无线点餐系统终端的相关外围电路设计 第四章介绍了嵌入式无线点餐系统终端的软件设计，主要包括嵌入式操作 系统u c o s i i 的移植过程和基于心g u i 的图形用户界面的设计 第五章介绍了一个基于l m 3 s 6 9 1 6 微处理器的z i g b e e 数据接收器，将点餐 终端发送来的菜单数据转换适合在i n t e r n e t 上传输的t c p 数据包发送上网，可 以在远程p c 端正确传输据到相关数据。 第六章总结了论文所作的工作，并对工作的不到之处作了展望。 6 第2 章嵌入式系统和无线通信技术概述 第2 章嵌入式系统和无线通信技术概述 无线点餐系统集无线通信技术与嵌入式系统等高端技术于一身，是现代餐 饮业最先进的解决方案。本文从理论上介绍了嵌入式技术和无线通信技术的相 关知识，并比较了当前比较流行的几种无线通信技术。 2 1 嵌入式系统 2 1 1 嵌入式系统 第一台计算机诞生于1 9 4 6 年，是人类历史上最伟大的科学成就之_ 。当今 世界的几乎所有专业都与计算机息息相关。通用计算机和嵌入式系统就是现 代计算机科学的两大体系。 嵌入式系统最早起源于阿波罗登月工程，登月飞船对小型控制系统的需求 促进了超小型嵌入式计算机的发展。从2 0 世纪7 0 年代开始嵌入式计算机陆续 在多个领域得到应用，人们将微型计算机经电气加固、机械加固，并配置各种 外围接口电路之后，安装到飞机中，构了成智能化程度很高的自动驾驶仪或发 动机状态监测系统；安装到照相机中，可以对摄像的各技术参数进行智能化设 置，获得质量很高的相片【2 7 】。这样一来，计算机就有别于通用计算机的形态和 功能。人们把这种嵌入到对象体系中的计算机称为嵌入式系统。嵌入式系统的 出现将计算机应用范围扩展到传统的电子系统领域，嵌入式计算机也由此成为 继桌面计算枕之后最重要的i t 科技，应用数量甚至远远超过通用计算机【2 8 l ，如 一台通用计算机的外设中就包含了5 - 1 0 个嵌入式系统，如键盘、鼠标、硬盘、 软驱、网卡、声卡、显卡、打印机、扫描仪、u s b 集线器、调制解调器等。发 现到现在，嵌入式系统几乎涵盖了今天所有的电器设备，如手机、p d a 、m p 3 4 、 上网本、车载电子、微波炉、数码相机、工业仪表与医疗仪器等阳。 相比通用计算机，嵌入式系统强调专用性，注重某一用途的需求。按照i e e e 的定义：嵌入式系统是控制、监视或辅助装置、机器和设备运行的装置 1 2 9 1 ( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o ni t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ， m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这从应用上定义了嵌入式系统是软硬件的耦合体， 7 第2 章嵌入式系统和无线通信技术概述 可以涵盖机械等附属装置。也可以这样定义：嵌入式系统是以应用为中心、 以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成 本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 。 嵌入式系统也是计算机架构中的一个分支，一个标准的计算机架构中包含 中央处理器、内存、输入、输出等装置，只是在嵌入式系统中，这些单元以特殊 的形式存在，如手机的标准输入装置可能是十几个按钮，而不像计算机的键盘 【3 0 1 。嵌入式软件包括嵌入式操作系统和应用程序。操作系统控制着应用程序和 硬件的交互，负责管理软硬件资源；应用程序则控制着系统的运作和行为。嵌 入式操作系统和应用软件的耦合性是嵌入式系统和w i n d o w sp c 系统的最 大区别。嵌入式系统集应用软硬件于一体，类似于p c 的b i o s 工作方式，具 有软件代码小、高度自动化、响应速度快等优点，适合于实时多任务系统。 2 1 2 嵌入式系统的结构 嵌入式系统是对对象进行自动控制使其具有智能化并可嵌入对象体系中 的、集软硬件于一体的可独立工作的专用计算机系统。它主要由嵌入式处理器、 相关硬件、操作系统及应用软件等组成，实现对其他设备的控制、监视和管 理。 硬件层 硬件层由嵌入式微处理器、存储器、通用设备和i o 接口组成。功能 复杂的嵌入式系统应用中，还需加上电源电路、时钟电路和存储器电路等 来构成一个嵌入式核心控制模块。 中间层 中间层是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，它包括了系 统中大部分与硬件相关的软件模块，也称硬件抽象层，它将系统软件和底 层硬件隔离。中间层具有硬件初始化、数据输入，输出和硬件设备的配置等 功能，特点是硬件相关性和操作系统相关性。 系统软件层 系统软件层由嵌入式操作系统( r t o s ) 、图形用户界面( g u i ) 、文 件系统( f s ) 、网络系统和通用组件模块组成。嵌入式操作系统是嵌入式 应用程序的基础和开发平台，完成任务调度和系统资源管理等核心功能， 8 第2 章嵌入式系统和无线通信技术概述 并与上层应用密切相关。嵌入式操作系统把c p u 时钟、中断、i o 、定时 器等资源封装起来，为用户提供一个标准的a p i 函数接口。 应用软件层 应用软件层由基于操作系统开发的应用程序组成，面向被控对象和用 户，实现对被控对象的控制等。应用程序和操作系统一起被固化在嵌入式 系统的r o m 中。 2 1 3a r m 嵌入式微处理器 后p c 时代，以微处理器为核心的计算机技术嵌入式技术迅速崛起。 9 0 年代初，a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司率先推出3 2 位r i s c 微处理器 芯片系统( s o c ) 知识产权( p ) 公开授权概念，从此改变了半导体行业。全球各大 半导体厂商通过购买a r m 公司的i p 授权来生产自己的微处理器芯片。在a r m 处理器内核基础上、各芯片厂商结合自身的技术优势以及芯片的市场定位使芯 片设计最优化，从而生产了一大批各具特色的s o c 芯片。a r m 处理器采用精 简指令( r i s c ) 体系结构，减小硬件执行指令的复杂度，设计一套能在高时钟频 率下单周期执行，简单有效的指令集。a r m 处理器内核小巧，代码密度高，支 持各种低成本的存储器，实现了低成本、功耗小、集成度高的重要需求。正是 这些方面的优势，使a r m 内核获得了巨大的成功。目前，a r m 微处理器占据 了3 2 位嵌入式微处理器7 5 以上的市场份额，全球8 0 的3 g g s m 手机、9 9 的c d m a 手机和大部分p d a 产品均采用a r m 体系微处理器1 3 。 a r m 微处理器目前包括删7 、删9 、删9 e 、删1 0 e 、s e c u r c o r e 、 x s c a l e 、s t r o n g a r m 、c o r t e x 3 2 1 几个系列，除了具有a r m 体系结构的共同特点 以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。其中，a r m 7 、 a r m 9 、a r m 9 e 和a m r l 0 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对 独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的 应用而设计。n x p 公司的l p c 系列芯片是目前应用较多的一款a r m 核处理器 芯片，其中的l p c 2 4 7 8 是一款内部集成了l c d 控制器的专门针对各种高级通 讯、高质量图像显示应用的高集成度微控制器，接口模块丰富，适用面广，可 用于手机、可视电话、多媒体终端、消费类电子设备等对人机交互界面要求较 高的嵌入式应用系统。本系统对图形用户界面的要求较高，因此选用l p c 2 4 7 8 作为点餐系统终端机的核心处理器，其显著特点是低价格，低功耗，l c d 支持。 第2 章嵌入式系统和无线通信技术概述 2 1 4 嵌入式操作系统 操作系统是计算机中位于机器语言之上、负责支撑应用程序运行环境和用 户操作环境的系统软件。主要负责组织计算机工作流程、控制程序的执行，管 理各种软资源和提供作业管理等面向应用程序的服务等。 嵌入式操作系统是一段嵌入在目标代码中的系统软件，包括与硬件相关的 底层驱动软件、操作系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化 浏览器等【3 3 】。在系统启动后首先执行，相当于用户主程序，控制应用程序与硬 件的运行，它为多任务创建运行环境，完成任务的切换和调度。 嵌入式操作系统作为嵌入式应用软件的基础和开发平台【3 4 1 ，向上提供图形 界面、库函数a p i 等用户接口，向下提供硬件驱动程序等硬件交互接口，隔离 硬件和管理复杂的系统资源。系统运行时，由操作系统根据各任务的实际要求， 给各个任务分配c p u 时间和系统资源( 如存储器、外设等) 、管理任务调度、任 务间通信等。嵌入式操作系统一般以源代码形式提供给开发者，作为p r o j e c t 源 程序的一部分参加编译和汇编，占用一部分应用程序代码，需要一定的 r o m r a m 开销、2 - - - ，5 的c p u 负荷p 引。 目前用得最多的嵌入式操作系统有：p a l mo s 、v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、 l i n u x 、h c o s - t i 等。 1 ) p a l mo s ：是3 c o m 旗下p a l mc o m p u t i n gp d a 公司开发的一款商用操作 系统，在p d a 市场占有很大的市场份额。p a l mo s 具有开放的操作系统应用程 序接口a p i ，其优势在于可以让用户灵活方便地定制操作系统来适应自身习惯。 2 ) w i n d o w sc e ：由m i c r o s o f t 公司开发，沿用了w i n d o w s 视窗风格，非常 直观易用。但w i n d o w sc e 不是消减的w i n d o w s 版本，它是从整体上为有限资 源的嵌入式平台设计的多线程、完整优先级的多任务操作系统。w i n d o w sc e 采用模块化设计，可以进行定制。w i n d o w sc e 的g u i 丰富，开发工具强大， 类似于w i n d o w s 下开发应用软件。w i n d o w sc e 主要应用于p d a 、手机、医疗 设备等对图形界面要求较高的产口。但价格昂贵，不提供源代码； 3 1v x w o r k s 3 6 ：可靠性和实时性极强，是军事和航天领域的不二选择。如 爱国者导弹导航系统，美国“极地登陆者号、“深空二号 、火星气候轨道 器等航天器都使用了v x w o r k s ，负责控制探测器的飞行过程，包括飞行纠正、 载体自旋、降落高度控制和收集数据与地球通信等。但v x w o r k s 的价格昂贵， 只提供二进制码内核，因此仅限于高端应用领域。 1 0 第2 章嵌入式系统和无线通信技术概述 4 ) l i n u x ；结构复杂但功能完全，完全免费使用并提供全部源代码，使用 g u n 工具链开发，提供通用的l i n u x a p i ，有完整的t c p i p 协议栈d 另一种常 用的嵌入式l i n u x 是u c l i n u x ，它去掉了l i n u x 中的内存管理单元，主要用于没 有内存管理单元的处理器，该系统直接访问内存，所有程序中的地址都是物理 地址。l i n u x 其主要缺点是：内核调试工具不全，调试不方便，尚没有很好的 用户图形界面。 5 ) r t c o s 1 i ：是m i c r i u m 公司专为微控制器应用设计的一个微内核系统， 简单易用，完全免费使用，提供全部源代码，支持6 4 个任务。r t c o s 1 1 提供了 完整的任务调度、任务间的同步和通信、内存管理、时钟管理等到功能p 7 1 ，具 有运行速度快，实时、多任务运行，可裁剪、占用资源小等优点，被广泛应用 于从8 位到6 4 位的多种微处理器微控制器d s p 芯片上。心o s t t 以其良好的 稳定可靠性通过了美国联邦航空局的r t c a d o 1 7 8 b 标准认证，可用于商用飞 机、航天器等对实时性和安全条件要求极为苛刻的控制系统中。 由于r t c o s 1 i 内核小巧，对系统资源占用小，全部开源代码，完全免费使 用。而且在r t c o s 1 i 之上添加l a c g u i 图形软件可以提供良好的图形用户界面， 因此本课题选择i - t c o s 1 1 作为a r m 终端的操作系统。 2 2z i g b e e 无线通信技术 2 2 1z i g b e e 标准的发展 对于多数无线组网技术，主要应用集中在高速率和长传输距离方面，而低 速率应用一直较少关注，但这并不意味着低速率应用不重要。事实上，低速率 网络与高速率网络一样在工业生产和日常生活都有着广泛的应用。在许多应用 中，系统所要传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要 求进行实时传送，如采用传统的无线通信技术，虽然能满足上述要求，但是存 在组网复杂，成本高和功耗大等问题，人们希望有一种低复杂度、成本低和功 耗小无线接入技术。针对这些需求特点，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公 司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头于2 0 0 2 年共同宣 布，组成z i g b e e 技术联盟，以研发名为“z i g b e e 的新的无线通信标准。z i g b e e 第2 章嵌入式系统和无线通信技术概述 这一词源自蜜蜂在发现花粉时，通过跳z i 配a g 形舞蹈来传递花粉的方位信息， 用这种方式构成群体的通信网络。人们以此来命名这种新的无线技术1 26 。 z i g b e e 协议标准由i e e e8 0 2 1 5 4 小组和z i g b e e 联盟共同制定，i e e e 8 0 2 1 5 4 负责完成硬体标准的制定，z i g b e e 联盟负责完成软体标准韵制赳”j 。 2 0 0 0 年1 2 月z i g b e e 成立8 0 2 1 5 4 小组，2 0 0 3 年5 月通过8 0 2 1 5 4 标准，2 0 0 6 年8 0 2 1 5 4 任务小组制订了8 0 2 1 5 4 b 标准，8 0 2 1 5 4 b 标准是8 0 2 1 5 4 标准的 改良版，包括解决标准的疑义之处、降低复杂度、提高弹性并思考新的频段分 配等，该标准简化了架构并改善了互通性，进而提高了系统的稳定度。z i g b e e 联盟负责制定网络层、安全管理层、应用层规范，同时也承担互通测试的任务， 2 0 0 4 年末推出v e r s i o n1 0 版规范。2 0 0 6 年底发布了z i g b e ev e r s i o n1 0 规范修 订版，对组设备、设备维护、目标组播、无线编程等四个方面做了增修。2 0 0 7 年底发布了新的z i g b e ep r of e a t u r es e t 规范( 简称z i g b e e2 0 0 7 p r o ) ，在v 1 0 版基础上进行技术上的完善和改进：改进了路由方式，使路由更加可靠，路由 表更加节省内存；增加了高级跳频技术，具有超强网络抗干扰能力；提供商业 级的加密通讯，将安全机制区分为标准安全与高度安全两种模式。到目前为止， 一些国际著名的半导体厂商己在积极推出z i g b e e 产品，开始z i g b e e 产品商业 化推进。 2 2 2z i g b e e 无线传感器网络 z i g b e e 作为无线传感器网络支撑技术，由大量分布广泛的微小传感器通过 无线电连接形成一个组网【3 9 1 ，这些传感器以微小的能量通过接力的方式将数 据从一个节点传到下一节点，具有很高的通信效掣4 0 l 。z i g b e e 可以应用于各种 环境下并整合到多样产品中，正朝开放的方向发展制定标准规范。 z i g b e e 依据i e e e8 0 2 1 5 4 标准【4 ，工作在公共的2 4 g h zi s m 频率上， 在节点间进行无线电波数据传输只需要极少的能量，具有低功耗的优点。 z i g b e e 无线网络一般来协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象 的信息，此外，z i g b e e 还可与其它网络融合，实现指定范围内目标的检测 或控制【4 2 】，实现无所不在的网络【4 3 1 。例如通过i n t e r n e t 监控异地的一个z i g b e e 控制网络。与长距离无线通信技术相比，z i g b e e 侧重低功耗和广分布性，对速 率要求不高，它通过牺牲通信距离来换取低成本和低功耗性，非常适合于低速 率数据应用，例如农业设施测控、森林防火、医疗监护等应用。 1 2 第2 章嵌入式系统和无线通信技术概述 z i g b e e 网络具有自组织性，每个z i g b e e 网络节点，只要在彼此间的通信 范围内，就会自动搜索并形成个互联的z i g b e e 网络，网络模块终端的相 对位置发生变化时，模块会自动重新搜索通信对象，确定彼此间的联络【棚。 节点间的通信距离一般在3 0 米到数百米之间。 z i g b e e 无线技术的特点概括如下 4 5 , 4 6 】： 功耗低 两节五号电池可支持一个节点工作6 2 4 个月。 成本低 z i g b e e 协议栈简单，复杂度仅为b l u e t o o t h 的