0 前言
隨著社會信息化的發展，我國餐飲業，尤其是快餐行業迅猛發展。傳統餐飲業管理成本高、管理水平低、人力資源浪費、服務員工作量大、工作效率低、點菜周期長、跑單漏單嚴重、紙張等耗材大，嚴重影響到餐飲業服務品質和形象。無線點菜系統為造就高檔就餐環境，提高顧客的滿意程度，吸引更多顧客創造了條件，提高了餐飲業的自動化、信息化水平。
1 ZigBee技術簡介
ZigBee的名稱源于蜜蜂的舞蹈，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈交換各種信息。故將新一代無線通信技術命名為ZigBee。ZigBee過去又稱為"HomeRF Lite"、"RF-EasyLink"或"FireFly"無線電技術，目前統稱為ZigBee技術。
ZigBee技術利用全球共用公共頻率2．4GHz，該頻段為全球統一無需申請ISM頻段，被劃為16個信道，數據傳輸速率250kbps，碼元速率為 62．5kbaud，采用16進制正交調制，碼片長度為8的偽隨機碼直接擴頻，具有顯著的低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢，目前被視為替代有線監視和控制網絡領域最有前景的技術之一。
ZigBee的特點主要表現在以下幾個方面：
(1)低功耗：待機模式，2節AAA干電池可支持1個節點工作0．5～1年。
(2)低成本：協議大幅簡化，免執照頻段、協議專利費。
(3)低速率：250、40和20kbps原始數據吞吐率。
(4)近距離：傳輸范圍為10～75m，增加RF發射功率，可達1～3km。
(5)網絡容量大：可組成65000個節點的大網。
(6)短時延：響應速度快，睡眠轉入工作狀態需15ms，節點連接入網需30ms。
(7)安全性能高。
2 系統總體方案設計
2．1 系統方案選擇
較早期的無線點菜系統主要是IC卡點菜終端和紅外點菜終端。
IC卡點菜終端：服務員領卡、插卡、客戶點菜，結束后需到固定地點讀卡。特點是信息準確、價格低、速度慢、費時費力。
紅外點菜終端：顧客可直接在其上點菜，速度快、價格中、發射距離短、需直線接收。
目前較為流行的點菜系統設計方案主要有以下三種：
(1)商用PDA+無線網卡。借助帶無線網卡的商品化PDA開發。較典型的幾種采用Windows mobile操作系統的Dell-Axim x50、采用Pocket PC操作系統的宏基-N1O等。特點是開發方便、開發調試工具較好、功能強大、802．11協議、傳輸數據可靠安全，但價格昂貴。
(2)單片機+無線模塊。采用單片機、單色LCD模塊、按鍵輸入、微功耗的無線IC，如RF401。無操作系統、定制式軟件、價格便宜、功耗低、簡單易用。但人機對話差、功能弱、軟件升級難、軟件移植復用能力差。
(3)處理器+操作系統+無線模塊
微軟WINCE操作系統、32位處理器、16色LCD觸摸屏和無線模塊。開發、使用較方便，但操作系統非免費且不開源，增加了單個商品成本。
對比以上方案，結合中、小型規模餐飲企業的實際需求，本文采用第二種方案進行點菜系統的研究。
2. 2 系統總體架構
本系統由用于無線點菜的通信終端設備(簡稱“終端”)、協調器設備、作為服務器的PC機、打印機等部分組成。
服務員攜帶終端，可根據顧客需求為顧客提供實時服務：點菜、套餐點菜、加菜、退菜、套餐退菜、催菜、口味選擇等。點菜完成，點菜信息經由星型ZigBee無線傳感網絡實現數據傳輸，傳送至服務器。
服務器完成與終端實時通信、咨詢、賬單打印、數據維護管理、賬單結算、酒店人事管理等。該系統架構圖如圖1所示。
2. 3系統工作流程
系統工作流程如圖2所示。顧客進店，服務員據終端顯示的空桌開臺，顧客據菜譜(紙制，放于桌上)選擇適合口味的菜，據“編號-菜名”鍵入菜名編號。點菜完成，終端顯示菜單及結算賬單。顧客確認后，可選擇發送鍵，完成數據發送。服務臺收到信息后，經過廚師制作、出品核對、傳菜、臺位劃菜，最后收銀臺打印賬單小票、結賬。
3 系統網絡建立
據餐飲業的實際環境和需求，對比星形、樹型和網狀拓撲結構網絡的各自優缺點，選用星形拓撲結構組建ZigBee無線傳感網絡。
星型網絡中，采用PCB天線，傳輸距離：50～100m。協調器采用電源線供電，采用SMA棒狀天線，在大發射功率下傳輸距離1000m。整個網絡響應速度快，采集終端從睡眠模式轉入工作模式約需要15ms，采集終端的連接入網時間約為30ms，由活躍設備信道連接入網時間約為15m-s，網絡延時很小。
3．1 組網過程
具體組網流程：協調器初始化，選定PAN ID，自身配給一16位網絡短地址作為組網標識，短地址格式定義為0x0000，經通道能量掃描檢測API，選擇可用通道并建立WAN，開放對加入網絡請求應答，啟動網絡：終端完成初始化，進行頻道掃描，找到協調器，以特定頻率發送信
標請求，接收16位短地址，作為網絡標識。完成ZigBee星型網絡建立。
3．2 CSMA／CA介質訪問控制方法
在通信網絡的通信過程中，數據傳輸量較少，CSMA／CA是網絡的最佳選擇。CSMA／CA采用隨機指數退避來實現沖突避免功能，實現數據安全、可靠傳輸。
3．3 網絡的數據傳輸
終端與協調器的數據傳輸有兩種方式：直接數據傳輸和間接數據傳輸。終端向協調器發送數據時，采用直接數據傳輸，協調器收到數據后返回確認信息。
3．4 ZigBee網絡的通信協議
在數據的傳輸過程中，有多種指令和不同長度的數據，為實現程序設計方便及數據傳輸的可靠性、有效性，通信過程中定義了通信協議幀，如圖3、4所示。通信過程中，終端未收到確認幀，則連續發送三次，仍沒應答，確認為通信故障。
4 硬件設計
4．1 終端硬件設計
終端由MCU、電源、工作狀態指示、復位、鍵盤、LCD、晶振、天線、SD RAM等電路組成。終端硬件結構、電路如圖5、6所示。
選用Chipeon公司的CC2430作為MCU。該芯片支持IEEE802．15．4協議，片內集成RF前端、1個8位內核、128kB可編程閃存、8kB RAM，內置ZigBee協議棧。實現人機接口顯示操作、信息發送及各個模塊控制。
采用3×3鍵盤，其中4個方向鍵分別為確認鍵、撤銷鍵、分類查詢鍵、菜單查詢鍵，通過中斷方式掃描鍵盤，響應處理中斷，實現鍵值查詢等功能。LCD選用臺灣矽創電子公司生產的ST7920 OCMJ4X8C，采用串并轉換芯片74HC164節省MCU的I／O口。CC2430通過P0．1控制MAX756的SHON，低電平不工作。采用非平衡變壓器，傳輸距離為100m。CC2430內嵌-UART，可與SD卡座直接相連，SD POW引腳通過一個8550控制SD卡電源，對其上電操作。SD卡用來存儲菜譜信息和顧客菜單等信息，通過PC機實現菜譜數據的更新。
4．2 協調器硬件設計
協調器模塊電路由復位電路、天線電路、電源指示電路、晶振電路等組成。交流電源經LDO AM1117-3．3產生3．3V為CC2430供電。協調器經RS232／TTL電平轉換與PC相連。協調器硬件電路如圖7所示。
5 系統軟件設計
系統軟件由終端、協調器、服務器三個模塊組成。主程序流程如圖8、9所示。服務器的運行環境為Windows操作系統，負責數據的存儲、查詢、處理與控制，數據庫采用SQL Server進行數據的存儲，Visual Basic 6．0處理軟件開發。軟件采用結構化設計，便于完善和維護，同時做到界面美觀，操作簡便。
6 系統低功耗設計
終端的功耗問題是關鍵。CC2430在睡眠模式，發射功率為10mW。發射模式電流消耗為17mA，接收模式為15mA，睡眠模式為0．7μA。終端大多時間處于睡眠模式下，關閉收發電路及液晶等外圍電路，極大限度減少功耗，外部中斷可喚醒MCU，通過檢查信道，與協調器同步、發
送或接收數據。
終端與協調器之間采用間接數據傳輸方式，降低了系統功耗。
7 系統測試
帶有ZigBee開發平臺的PC通過RS232與協調器連接進行測試，終端與服務器接收端發送10B的數據包，通信信道設定為0XOB。室內無障礙物，距離20m：丟包率0％，RSSI為-81．36dBm；60m：丟包率O．7％，RSSI為-90．01dBm；120m：丟包率 1．4％，RSSI為-90．97dBm。
通信時延包括協議棧時延和媒介傳播時延。協議棧時延從執行發送消息函數開始到無線目標實際開始物理發射的延遲，兩者之差即為協議棧發射時延。實際測試接收時延為500μs。
8 結束語
本文設計在開發周期、性能、價格等方面有很大優勢，符合手持設備的設計要求。隨著經營規模增大，可組建樹型網增大覆蓋面，保證數據可靠傳輸。ZigBee技術在餐飲無線點菜系統、茶樓、咖啡館、網吧、KTV娛樂場所呼叫系統將會得到廣泛應用。