关永莉 欧阳斌林 钱科威

东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030

基于MSP430和CC2420的无线点菜系统的设计

关永莉 欧阳斌林 钱科威

东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030

本文紧紧围绕低成本低功耗的要求，研究了时下热门的无线射频技术Zigbee，并以射频芯片CC2420为核心，设计了一套基于CC2420与MSP430单片机的无线点菜系统。该系统可以方便服务员和顾客随时随地使用无线点菜机进行点菜、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。

Zigbee；MSP430；CC2420；点菜系统

引言

短距离无线通信技术的应用给酒店服务业带来了全新的发展，其技术日臻成熟。WiFi技术最早在一些西方的大型酒店中得到了应用，由于得到大企业的支持，技术较成熟，但其成本高，适用于大规模的场合。国内也有部分中小企业使用了Zigbee技术，但其系统本身成本依旧偏高。ZigBee是基于IEEE802.15.4规范的无线技术，工作于免授权的2.4GHz频段，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本和低数据传输率的双向无线通信技术，具有省电、可靠性高、成本低、时延短、安全、网络容量大和易于组网等优点，支持星型结构、网状结构和簇状结构三种主要的自组织网络类型[1]。Zigbee采用了具有避免冲突的载波侦听多路接入的CSMACA碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通讯业务预留了专用间隙，避免了数据传输的竞争和拥堵。由于Zigbee联盟的推动和各大IC巨头的支持，Zigbee技术得到了快速的发展。本文采用了ZigBee技术，针对中小酒店业的需要，提出了一种低成本，小规模应用系统设计。

1 系统总体方案

本系统由若干手持的带ZigBee无线数据通讯功能的手持终端机和支持ZigBee无线通讯的控制中心组成。控制中心是无线网络的协调器（主节点），与多个手持终端组成星型网络，完成数据传输。其中，手持终端是由MSP430单片机和支持ZigBee无线协议的cc2420芯片组成，而控制中心由Zigebee收发器和PC组成，核心是PC的系统管理软件。利用该系统，服务员或顾客可以随时随地使用手持终端机进行点菜、加菜、结算等工作，并即时把数据传到控制中心服务器。控制中心是Zigbee无线局域网的中心节点，可以在有效范围内与手持终端机进行随时随地地通讯，并负责后台的数据维护管理。本系统中，手持终端是电池供电，控制中心的Zigbee收发装置由PC机的USB口供电。

2 系统硬件设计

硬件选用MSP430F149作为MCU，以CC2420为核心设计符合Zigbee标准的低功耗高性能无线通信模块。点菜信息通过手持终端的触摸屏输入，并通过Zigbee无线协议发射出去，控制中心接收到数据后通过串口传输给上位机，最后由上位机管理软件综合处理各类信息。其中触摸屏为四线制电阻式触摸屏，触摸屏驱动器TSC2046获取触点坐标信息后通过SPI串口发送给MSP430单片机，MSP430与CC2420通过SPI串口通信。硬件结构框图如图1：

图1 系统硬件框图

2.1 MSP430和CC2420芯片特点

MSP430F149单片机是TI公司生产的一种16位超低功耗的混合信号处理器。它针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案，其突出优点是低电源电压、超低功耗，可采用电池工作，有很长的使用时间［2,3］。MSP430F149内含的60K闪存可以存储系统程序和菜品信息，2个USART可以配置成SPI或者UART，从而提高了系统的集成度和可扩充性。

CC2420是Chipcon As公司推出的符合2.4 GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件是一款适用于ZigBee产品的RF器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性［4］。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250 kb/s可以实现多点对多点的快速组网。

2.2 CC2420与MSP430的硬件接口电路

本设计中，CC2420与MSP430通过SPI连接，MSP430处于主模式，CC2420处于从模式。MSP430还有4个I/O与CC2420相连，主要起查询CC2420状态的作用。CC2420使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA这4个引脚表示收发数据的状态。SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引脚组成。处理器通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储器从而实现数据交换和命令发送。CC2420与MSP430的接口电路如图2所示。

图2 CC2420与MSP430接口电路

当CC2420收到物理帧的SFD字段后，会在SFD引脚输出高电平，直到接收完该帧。如果启动了地址辨识，在地址辨识失败后，SFD引脚立即转为输出低电平。FIFO和FIFOP引脚表示接收FIFO的缓存区状态。如果接收FIFO缓存区有数据，FIFO引脚输出高电平；如果接收FIFO缓存区为空，FIFO引脚输出低电平。当FIFOP引脚在接收FIFO缓存区的数据超过某个临界值时，或者在CC2420接收到一个完整的帧以后输出高电平。临界值可以通过CC2420的寄存器设置。CCA引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效。

在CC2420进入接收状态至少8个符号(symbol)周期后，才会在CCA引脚上输出有效的信道状态信息。SPI接口接收或者发送数据时，都与时钟下降沿对齐。

2.3 MSP430与触摸屏接口电路

触摸屏分为电阻、电容、表面声波、红外线扫描和矢量压力传感等类型,其中使用最多的是四线或五线电阻触摸屏[6]。四线电阻触摸屏是由两个透明电阻膜构成的，在它的水平和垂直电阻网上施加电压，就可通过A/D转换面板在触摸点测量出电压而对应出坐标值。MSP430F149有6组共48个通用IO管脚，USART又可以配置成SPI模式。因此MSP430通过IO控制触摸屏显示，同时通过SPI接口与触摸驱动芯片通讯。图3是安富莱3.0英寸的TFT触摸屏的CPU接口。

图3 触摸屏控制软件流程图和触摸屏接口电路图

2.4 Zigbee网络配置

ZigBee无线网络可采用多种类型的网络配置。本设计使用星型网络实现通信。星型网络配置由一个协调器节点（主设备）和一个或多个终端设备（从设备）组成。在星型网络中，所有的终端设备都只与协调器通信。根据系统需求，协调器会在非易失性存储器中存储所有网络关联，称为邻接表。为了连接到网络，终端设备可能执行孤立通知过程来查找先前与之关联的网络或者执行关联过程来加入一个新网络。在执行孤立通知过程的情况下，协调器将通过查找其邻接表来识别先前与之关联的终端设备。

3 系统软件设计

本系统软件分为控制中心主节点软件，终端节点软件和上位机点菜系统应用软件。主节点软件主要功能是组织和管理Zigbee无线网络；终端节点软件完成Zigbee无线信息发送和人机界面控制；上位机软件主要起管理点菜系统数据库并综合分析处理各项数据的功能。

3.1 控制中心的主节点软件设计

主节点即协调器，是分布式处理中心，属于全功能设备，负责建立和管理网络。主节点将扫描指定通道，选择一个最小能量的通道来建立网络，并建立网络从节点的标识ID。网络成功建立后，主节点进入允许绑定模式，才可以对终端节点输出的数据作出响应。主节点通过串口与计算机相连，主要功能是建立无线网络、管理终端节点，接收终端上传到点菜信息，并通过串口发送给计算机。

3.2 终端节点软件设计

终端设备通过扫描指定参数的通道，发现指定参数的网络。启动ZDO_StartDevice函数发现和加入网络，与协调器建立绑定关系后，发送点菜数据。

应用层主要负责人机接口和菜单的管理，出于降低功耗的需要，终端节点在空闲状态时CPU处于休眠状态，只有在发生外部键盘中断时唤醒休眠。点菜操作可以采用以下三种方式：一是编号输入法，即根据菜品编号点菜；二是简拼输入法，即根据菜品的每个字的首字母索引点菜。完成输入后，系统将输入信息编码发送给主节点，具体编码格式如图4：

图4 点菜数据编码格式

在收到主节点的确认信息之后，终端屏幕会显示发送成功字样。若一段时间内没有输入，如设60秒，终端将重新进入休眠模式。终端的软件流程图如图5：

图5 终端软件流程图

3.3 控制中心数据库搭建和串口通信

本系统采用VC和SQL设计该数据库，功能见图6。使用mscomm控件设置串口通信，选择波特率115200，以实现PC机和ZigBee收发端的通信。

图6 数据库功能模块图

4 结束语

本文介绍的点菜系统的突出特点是低成本低功耗、操作简单方便，可广泛应用于各中小型酒店。提高了酒店信息化管理，简便了点菜流程，减少了点菜过程的错误，大大促进了酒店管理的效率。因此，本系统有一定的实际应用价值和前景。

[1]黄丽芬.ZigBee无线通信技术及其应用.2007(04):40-41

[2]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例.中国电力出版社.2005:11－14

[3]MSP430F149技术手册

[4]黄智伟.无线发射与接收电路设计.北北京航空航天大学出版社.2007:617－619

[5]王寅.基于Zigbee的无线点菜系统.技术应用.2010:62-64

[6]朱品伟.新一代TSC2046触摸屏控制器.新器件新技术.2005:51-53

The Design of Wireless Order System Based on MSP430 and CC2420

According to low cost and low power requirements,a CC2420 and MSP430 microcontroller-based wireless order system is designed after doing research on Zigbee which is nowadays popular wireless RF technology. It’s convenient for attendants and customers to order, accounts settlement with this wireless order system. Thus,it helps the hotel to improve staff service efficiency,to low labor costs, and to make hotel towards informationization.

Zigbee;MSP430;CC2420;Order System

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.068

关永莉 硕士研究生，研究方向：信息处理与智能测控。