Fırat Üniversitesi-Elazığ

ZigBee TEKNOLOJİSİ KULLANILARAK KABLOSUZ KAFE OTOMASYON SİSTEMİ TASARIMI

Şuayip ÖZTAŞ1,Mehmet Ali BELEN2,İrfan KAYA3, Adnan KAYA4

1.2.4 Elektronik-Haberleşme Mühendisliği Bölümü Süleyman Demirel Üniversitesi

3 Kentucky University

1oztastr@hotmail.com 2mehmetalibelen@hotmail.com 3 irfankay_5@hotmail.com 4cellular1973@gmail.com

ÖZET

Bu çalışmada bir kablosuz kafe otomasyonu tasarlanmış ve gerçekleştirilmi ştir. Sistemde haberleşme 2,4 GHz ISM bandında Zigbee (Xbee) teknolojisi ile gerçekleştirilmiştir. Her masada bulunan dokunmatik ekran 4D Graphics Language hazırlanmış menü ve kablosuz çalışan masa modülleri (Zigbee) bulunmaktadır. Kullanılan ZigBee modülü açık alanda 120m’ ye kadar ve kapalı alanda 40 m mesafeye kadar desteklemektedir. Buda birçok işletme için yeterli alan olarak ifade edilebilecek bir alandır. Ayrıca alıcı ve verici konumunda 40mA gibi düşük bir güç tüketimi yapmaktadır. Sistemde ayrıca masalardan gönderilen bilgilerin mutfaktan takip edildiği bir görüntüleme ekranı ve PC’de çalışan kullanıcı ara yüzü bulunmaktadır. Müşteri, masasında bulunan dokunmatik ekrandan seçilen sipariş zigbee modülü üzerinden kablosuz olarak iletmektedir. Bu sistem işitme engellilerin ve konuşma engellilerin çalışabileceği ve daha hızlı servis sağlamak için geliştirilmi ş olup sistemin hizmet sektörünün birçok alanında kullanılabileceği düşünülmüştür. Anahtar Kelimeler: Kafe otomasyonu, ISM bandı, ZigBee

1. GİRİŞ

Hızla gelişen teknolojiye paralel olarak ilerleyen ve her geçen gün yeni bir gelişmeyle karşımıza çıkan radyo haberleşme sistemlerinin kullanımı, gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Üretim teknolojilerindeki gelişmelerin bir neticesi olan üretim maliyetlerin azalması ile önceleri ancak sanayi işletmelerinde kullanım alanı bulabilen bu sistemler, artık günlük hayatımızın bir parçası haline gelmeye başlamıştır. Gelişen radyo haberleşme sistemlerinin sayısal sistemler ile entegre edilmesi, geliştirilen uygulamaların kullanılabilirliğini ve esnekliğini arttırmış, dolayısıyla kullanım alanları daha da genişlemiştir[1]. Bu şekilde gerçekleştirilen birçok uygulama, evlerimizde, iş yerlerimizde ve hatta sokaklarda kullanılmaya başlanmıştır. İyi tasarlanmış kablosuz erişim sistemleri belirli bir altyapıyla karmaşık yapıyı azaltır. Bunun da ötesinde son kullanıcının ihtiyaçlarına adapte olabilen dinamik kapasiteyle esnek bağlantı sunar böylece finansal verimlilik çözümü sağlar. Haberleşme sistemleri için düşük gürültü, iyi kararlılık istenir[2]. Kısa mesafe, hızlı veri alışverişine uygun kablosuz haberleşme protokolü olan IEEE 802.11b/g, 2,4–2,5 GHz bandında çalışmakta ve geniş bir kullanım alanına sahip olmaktadır. Örneğin ISM band haberleşme sistemleri [3], ihtiyaçlara cevap olabilecek düzeyde kapasiteye sahiptir ve

geleceğin önemli haberleşme sistemleri olmaya aday protokollerdir [4]. Kablosuz haberleşme denildiği zaman akla ses, resim, video vb. gibi büyük boyutlu verilerin yüksek veri hızında iletimini yapabilen Wi-Fi, WIMAX, Bluetooth ve şimdilerde popüler olan 3G, 4G gibi teknolojiler gelmektedir. Bu standartları kullanan cihazlar sistem kaynaklarını da iletim hızlarıyla doğru orantılı olarak fazla miktarlarda kullanırlar. Fakat her daim büyük boyutlarda veri iletimine ihtiyaç duyulmayabilir. Sensör ve kontrol cihazları küçük boyutlarda veri iletip veya alırlar. Bu durumda bu tarz verilerin iletimini sağlamak ve böyle cihazların kontrolünü yapmak için sistem kaynaklarını mümkün olduğunca az kullanacak, akıllı ağ topolojilerini destekleyecek bir teknolojiye ihtiyaç duyulmuştur. Bunun üzerine IEEE, 802.15.4 standardını çıkarmış, bu standartları temel alan ZigBee protokolünün ve bu protokolü destekleyen cihazların üretilmesini sağlamıştır. Böylelikle düşük güç tüketen, düşük maliyetli, akıllı ağ topolojileri kurabilen ZigBee destekli cihazlar günlük yaşamda yerini almaya başlamıştır. İnsanların yaşamını kolaylaştırmaya yönelik otomasyon sistemlerinin önemi her geçen gün artmaktadır. Günümüzde insanlar isteklerine en kolay yoldan ve zahmetsiz ulaşmak istemektedirler. Bir televizyonun uzaktan kumanda olmaksızın kullanılabilmesi çoğumuz için neredeyse imkânsızdır. Günümüzde insanların imkânları ölçüsünde otomasyon sistemlerine yöneldikleri görülmektedir. Hizmet sektörü müşteri memnuniyetinin ön planda olduğu başlıca sektör olduğundan bu sektörde otomasyonun uygulanması kaçınılmaz bir durumdur. Bunun ilk uygulamaları çay ocaklarının, taksi duraklarının v.b. kullandığı kablolu diyafon sistemidir. Kablolu sistemlerin kurulumundaki sıkıntılar teknoloji üretenleri kablosuz otomasyon sistemlerine yönlendirmiş ve değişik kablosuz teknolojiler geliştirilmi ştir. Otomasyonda RF’ın kullanılması da bu gelişmelerden birisidir. Bu aşamada RF erişimiyle ev, ofis iç ve dış ortamlarındaki sistemlerin kontrolü ön plana çıkmaktadır [5-7]. RF erişimli sayısal kontrol sistemi için 2.4 Ghz bandında çalışan IEEE802.15.4 standartlarıyla uyumlu çalışan Zigbee modüller kullanılmıştır. Bu çalışmada gerçekleştirilen sistem; restoran, pastane, kafe vb. gibi mekânlarda müşterilerin, siparişi garsonun masaya çağrılmasına gerek kalmadan mutfağa iletebilmesini mümkün kılmaktadır. Bu sistemin en önemli özelliği masalardaki modüllerin siparişi ana bilgisayara kablosuz olarak iletmesidir.

203

Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011

Geliştirilen sistem temel olarak masalarda bulunan sipariş verme modülleri ve siparişlerin görüntülendiği üzerinde RF alıcı modülü bulunan bilgisayar’dan oluşmaktadır. Müşterinin istekleri 4DGL-Platform LCD-TFT modül içerisindeki PICASO-GFX grafik işlemci ile yorumlanarak modül seri port’a çıkış olarak aktarılmaktadır. Bu bilgi Xbee (zigBee) modülde parity bit ve masa adres bilgileri eklenip veri 2400 MHz’de iletim ortamına aktarılmaktadır. Siparişlerin alındığı bilgisayara bağlı alıcı zigBee (Xbee) modül 2400 MHZ deki bu işareti adres bilgileri C# ile yazılmış ara yüzde yorumlayarak mutfak ve kasa bilgisayarlarında görüntülenmektedir. Yapılan bu çalışmada her masa için bir modül tasarlanmıştır. Siparişler bu modüller üzerinden verilmekte olup bunun için bir sipariş toplayan elemana ihtiyaç yoktur. Ayrıca bu sistemin işitme engellilerin çalıştırdığı bir kafe için geliştirildi ği de göz ardı edilmemelidir. Burada amaçlanan işitme engelli ve konuşamayan servis sağlayıcıların müşterilerin siparişlerini zorlanmadan veya herhangi bir yardım almadan alabilmelerini sağlamaktır. Tasarlanan bu sistem genel amaçlı olarak da kullanılabilmektedir. Ayrıca maliyet açısından da diğer cep bilgisayarı ile tasarlanan sistemlere göre çok daha düşük maliyetlidir.

2. KAFE OTOMASYON S İSTEM TASARIMI

2.1. ZigBee Teknolojisi

ZigBee, kablosuz haberleşme teknolojilerinde düşük hız kablosuz kişisel yerel ağ( LR-WPAN, Low –Rate Wireless Personal Area Network) haberleşmesi olarak bilinir. Zigbee teknolojisi, küçük boyutta veri alışverişi ile gerçekleştirilmesi mümkün uygulamalarda düşük maaliyetli olması, minimum güç tüketme prensibine dayanması, kurulumunun kolay ve esnek yapıda olması açısından büyük oranda tercih edilmektedir. Bu teknoloji sayesinde karmaşık ağ yapıları kurmak, bunları genişletmek ve bu yapıların diğer teknolojilerle haberleşmesini sağlamak mümkündür[7]. Bu teknolojinin tipik iletim mesafesi, kapalı mekân’da (indoor) görüş alanında olmayan farklı ortamlar arası için 30 metre, görüş alanı için 80 metreden fazla olarak rapor edilmiştir.

PHY

(MHz)

Frekans bandı (MHz)

Yayılım parametreleri

Chip oranı (kchip/s) Modülasyon

2400 2400-2483 2000 O-QPSK Veri parametreleri

Bit oranı (kb/s)

Sembol oranı (ksymbols/s)

Semboller

20 20 Binary

40 40 Binary

250 62.5 16’lı ortogonal

Tablo 1: IEEE 802.15.4 genel karakteristikleri-modülasyon

parametreleri

Tablo 1’de gösterilen frekans bandları farklı frekans bandlarındaki birkaç kanal spektrum içerisinde tekrar konumlandırmayı mümkün kılar. Bu standart, dinamik kanal seçimine izin verir, bir tarama fonksiyonu beacon aramasında

desteklenen kanallar listesini adım adım, alıcı enerjisi tespiti, bağlantı kalite göstergesi, kanal anahtarlama gibi olgularla kontrol eder. Düşük frekanslar daha uzak mesafeleri daha düşük yayılım kayıpları nedeniyle sağlarlar. Düşük oran, daha iyi hassasiyet ve büyük kapsama alanına çevrilebilir [9, 10].

Tablo 2: Kablosuz Haberleşme Teknolojilerinin Karşılaştırılması

Özellik ZigBee GPRS/GSM Bluetooth

Odaklanma Alanı

İzleme ve kontrol

Geniş Alan Ses ve Veri

Kablo yerine

Sistem Kaynağı 4-32Kb 16Mb+ 250Kb+ Pil Ömrü (Gün) 100-

1000+ 1-7 1-7

Ağ boyutu Sınırsız 1 7 Ağ Veri Genişliği (kb/s)

20-250 64-128+ 720

Kapsama Alanı (metre)

1-100+ 100+ 1-10

Başarı Alanları Dayanıklılık,

Maliyet, Güç

tüketimi

Ulaşılabilirlik, Kalite

Maliyet, Rahatlık

Tablo 2 İncelediğinde ZigBee 802.15.4 standardının veri yoğunluğu bakımından biraz zayıf kaldığı görülebilir. Ancak topoloji (yapı), menzil ve güç bakımından üstünlük sağlamaktadır. Ayrıca düğüm sayısı diğerlerinin düğüm sayısından çok fazladır ve bu özelliği ile kablosuz ağ alanında birçok uygulama alanında kullanılabileceği konusunda kendini kanıtlamıştır. ZigBee standardının getirdiği düşük güç ve nispeten daha uzak mesafe erişimi, kablosuz ses uygulamaları için oldukça cazip bir seçenektir. Ancak, gürültüye karşı daha dayanıklı olması nedeniyle bina içi haberleşmesi ve endüstriyel kontrolün birleştiği alan ZigBee’nin en önemli uygulama alanı olacağı görülmektedir.

2.2. Yazı Tipi 4DGL-Platform LCD-TFT Module ( µLCD-32032-P1T)

4DGL modül üzerindeki Seri Port, Grafik AMOLED ekran, µSD hafıza kart, I/O pin, gibi kontrol çıkışlarını kullanabilmesine imkan sağlar. Bu sayede µLCD-32032-P1T modül harici kontrolör veya işlemciye ihtiyaç duymadan kullanılabilir. LCD TFT teknolojinin en son ürünü, dokunmatik ve modülündeki PICASO-GFX işlemci sayesinde programlanabilir özelliktedir. ‘Kolay Öğren ve Kullan’ 4D Graphics Language (4DGL) özelliği sayesinde geniş fonksiyon kütüphanesi ile uygulamalarınızı oluşturmaya imkân sağlar.

2.3. Kablosuz Kafe Otomasyonu

Yapılan çalışmada gerçekleştirilen, kablosuz kafe otomasyonunun prensip çalışma şeklini gösteren blok şeması Şekil 1’de verilmiştir. Bu şemada iki verici ünitesi görülmekle birlikte bu sayının isteğe göre arttırılması mümkündür.

204

Fırat Üniversitesi-Elazığ

Şekil l: Gerçekleştirilen otomasyon sisteminin prensip blok

şeması Şekil 1’de verilen otomasyon sisteminin blok şemasında müşterilerin, siparişi garsonun masaya çağrılmasına gerek kalmadan mutfağa iletebilmesini mümkün kılmaktadır. Bu sistemde Xbee modüller siparişi ana bilgisayara kablosuz olarak iletmektedir. Alıcı kısımda yine Xbee modül üzerinden görüntüleme ekranından müşteri istekleri alınmaktadır.

Şekil 2: Sistemin görünüşü

Yapılan çalışmada gerçekleştirilen, kablosuz kafe otomasyonunun sistem görüntüsü şekil 2’te verilmiştir. Sistemde tek yönlü kablosuz haberleşme kullanılmıştır. Tasarlanan sistem ile zigbee kablosuz ağ teknolojisi ile kablosuz, hızlı ve güvenilir veri aktarımı sağlanmıştır.

Şekil 3: Zigbee (Xbee) USB Explorer devre şeması

Bu, XBee hattı ile beraber kullanmak için kullanımı kolay bir USB’den seriye gövde ünitesidir. Şekil 3’teki ünite Seri 1 ve Seri 2,5, standart ve Pro versiyonları da dâhil

olmak üzere bütün XBee modülleri ile çalışmaktadır. Üniteyi XBee Explorer içerisine bir mini USB kablosu bağlanabilir ve XBee ünitesi üzerindeki seri ve programlama pinleri için direk ulaşıma sahip olunabilir.

Şekil 4: ZigBee modül sinyal çıkışı

Şekil 4’da modülümüzün performans değerleri ölçümleri için Rohde&Schwarz marka FSH6 Spektrum Analizörü kullanılmıştır. Sipariş işlemi verilirken yapılan ölçümlerde 2.42GHz de -20dBm olarak çıkış sinyalimiz ölçülmüştür.

2.4. Kablosuz Kafe Otomasyonu Arayüz Yazılımı

Sistemde her bir masadaki dokunmatik ekranlardan sipariş vermek için ara yüz yazılmıştır ve bu siparişleri kontrol etmek için ana masadaki yani kasadan ve mutfaktan takip edilmesi için C# ile bir ara yüz yazılmıştır bununla ilgili örnek kodlar aşağıdaki gibidir. gfx_Button(DOWN, 0, 71, GRAY, RED, FONT1, 1, 18, "<<<"); gfx_Button(DOWN, 203, 71, GRAY, RED, FONT1, 1, 18, ">>>"); gfx_Button(DOWN, 150, 278, GRAY, WHITE, FONT1, 1, 4, "Siparis Ver");

4DLG programla dilinde gfx_button fonksiyonunu kullanarak buton çizilmektedir. ekran boyutu // x = 320, y = 240 snd_Volume(100); snd_BufSize(0); var x,y,p;//,BUTTONWIDTH=1,BUTTONHEIGHT=3; x := touch_Get(TOUCH_GETX); y := touch_Get(TOUCH_GETY); if(x > 200 && y < 200 && y > 80) // buton 1 sayac := sayac + 1; if(sayac > 8) sayac := 0; file_PlayWAV("22.wav"); else if(x > 0 && x < 80 && y < 200 && y > 80) // buton 2 sayac := sayac - 1; if(sayac < 0) sayac := 8; Programın bu kısmında ekran dokunmaya aktif hale getirilmektedir.

205

Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011

Şekil 5: 4DGL ile yazılmış ara yüz ekran görüntüsü

Tasarlanan proje kapsamında müşterinin masasındaki uLCD ler ile yapılan siparişler mutfak ve kasa kısmında takip edilebilmesi için c# ile bir arayüz programı yazılmıştır. Bu ara yüzde masa bilgileri ve sipariş bilgileri yer almaktadır. Şekil 5’de kullanılan dokunmatik ekran üzerinde müşterinin örnek bir siparişi yer almaktadır. if (serialPort1.IsOpen == false) { serialPort1.Open(); Programın bu kısmında com port açılmakta ve bilgisayar ile bağlantı kurulmaktadır. string[] strDizi = {"IZMIR KOFTE", "GAZOZ", "AYRAN", "KOLA", "PIZZA","ACILI ADANA P.","KEBAB PORSIYON","HAMBURGER MENU","KOFTE PORSIYON"}; Bu kısımda menü için string bir dizi oluşturulmaktadır.

Şekil 6: Ekran Çıktısı Bilgisayara gönderilen siparişlerin liste halinde ekranda görüntülenmesi “Toplayarak” ve “Eklenerek” biçimlerinde iki şekilde gerçekleşir. Şekil 6’da üç nolu masanın istekleri toplanarak alt alta menüde listelenmiştir. Toplayarak; Bilgisayara gönderilen siparişler liste halinde ekranda görüntülenebilir. Aynı masadan, aynı ürün, farklı zamanlarda istenirse ürün âdeti bir önceki âdeti ile toplanmaksızın sıralı bir şekilde menüde listelenir. Eklenerek; Bu menüde, bir öncekinden farklı olarak aynı üründen birden fazla sipariş verilmesi durumunda ürün adeti bir önceki adetle toplanarak menüde görüntülenir. Bu sayede sipariş verilen masa için, hangi üründen toplam kaç adet istendiği bilgisi listelenir.

3. SONUÇLAR

Bu çalışma ile alanında benzerlerinden farklı ve düşük maliyetli bir kablosuz kafe otomasyon sistemi tasarlanmıştır. Çalışma sonunda tasarlanan modüllerin bilgisayar ile haberleşmesi kablosuz olarak sağlanmıştır. Gerçekleştirilen sistemin kullanılabilirliği test edilerek denenmiştir. Maliyet açısından uygun olması sistemin ticari kullanımının geçerliliğini ortaya koymaktadır. Sistemdeki menü ara yüzüne farklı lisan seçenekleri eklenebilmekte ve böylece farklı dilden insanlara da sorunsuz hızlı servis edilebilmektedir. Ayrıca Masalardaki ekranlardan reklam ve benzeri animasyonlar eklenebilmektedir. Sipariş süresi ve aşçı ile ilgili bilgiler sisteme eklenebilmektedir. Ayrıca yemek tarifleri de eklenebilir. Sistemde tek yönlü kablosuz haberleşme kullanılmıştır. Bu kablosuz haberleşme iki yönlü hale getirilerek modül daha fonksiyonel bir hale getirilebilir. Modül içine bir PIC16877 programlayıcı koyarak değişiklik gerektiğinde daha kolay gerçekleştirilebilir. Tasarlanan sistem ile ZigBee kablosuz ağ teknolojisi ile kablosuz, hızlı ve güvenilir veri aktarımı sağlanmıştır.

Bu proje ile alanında benzerlerinden farklı ve düşük

maliyetli daha hızlı servis imkânı sağlayan bir kablosuz kafe, restaurant otomasyon sistemi tasarlanmıştır.

4. KAYNAKLAR

[1] Belen M.A, Kaya, A."Schotky diyot kullanılarak 2.4GHz Düşük Güçlü Aktif Alıcı-Verici Sistemler için Aktif Abant Geçiren Filtre Uygulaması" Elektrik - Elektronik Ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu 2010,

[2] W. Kluge, L. Dathe, R. Jaehne, S. Ehrenreich, and D. Eggert, “A 2.4GHz CMOS transceiver for 802.11b wireless LANs,” in IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, 2003, pp. 360–361

[3] David M. Pozar, John Wiley&Wiley, Microwave Engineering, 1998.

[4] W. Kluge, L. Dathe, R. Jaehne, S. Ehrenreich, and D.Eggert, “A 2.4GHz CMOS transceiver for 802.11b wireless LANs,” in IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, 2003, pp. 360–361.

[5] Smith, J. O. and Abel, J. S., ``Bark and ERB Bilinear Transforms'', IEEE Trans. Speech and Audio Proc., 7(6):697-708, 1999.

[6] Lee, K.-F., Automatic Speech Recognition: The Development of the SPHINX SYSTEM, Kluwer Academic Publishers, Boston, 1989.

[7] Çakır, A., Mardin, E., Çalış, H., "Kablosuz Konut Güvenlik Sistemi", III.OTOMASYON Sempozyumu, 2005, Denizli

[8] http://www.pitsotomasyon.com/(10.01.2009) [9] Callaway, E., Gorday, P., Hester, L., Gutierrez, J. A.,

Naeve, M., Heile, B., Bahl, V., “Home networking with IEEE 802.15.4 : A developing Standard for low-rate wireless Personal Area Networks”, Communication Magazine, IEEE, Vol. 40, No. 8, Aug. 2002.

[10] Safaric, S., Malaric, K.,"ZigBee wireless standard", 48th International Symposium ELMAR-2006, p.259-262, Zadar, Croatia, 07-09 June 2006.

206