電子發(fā)燒友App
作者：北京博控自動(dòng)化技術(shù)有限公司技術(shù)總監(jiān) 劉楷
背 景
能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：指通過對(duì)建筑和大型公共建筑安裝分類和分項(xiàng)能耗計(jì)量裝置，采用遠(yuǎn)程傳輸?shù)仁侄渭皶r(shí)采集能耗數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)建筑能耗的在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析功能的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的統(tǒng)稱。
能耗監(jiān)控的技術(shù)核心在于能耗優(yōu)化，而優(yōu)化的前提是準(zhǔn)確的能耗計(jì)量以及優(yōu)化過程中能耗的計(jì)量。這樣由傳統(tǒng)意義上的“抄表”這樣簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)集中演變成了“在線數(shù)據(jù)匯總與控制”，這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。
首先，要求網(wǎng)絡(luò)雙向速度。其次，要求靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。第三要求網(wǎng)絡(luò)能容納足夠的節(jié)點(diǎn)。
下圖就是一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)示意圖：
對(duì)于每個(gè)建筑或者相對(duì)獨(dú)立的WPAN內(nèi)部可以使用無線、PLC或者以太網(wǎng)和無線混合組網(wǎng)方式。WPAN內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖中采集節(jié)點(diǎn)隨著能耗采集和控制方式演變也有多種形式，從最開始的公共建筑和廠礦中的三項(xiàng)電表，到如下圖所示家用、辦公室用的采集插座和無線燈控，越來越多。
整個(gè)系統(tǒng)中計(jì)量的核心在于具有數(shù)據(jù)匯聚和處理功能，并且保證PAN和WAN連接的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
下面我們就重點(diǎn)討論網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。
設(shè) 計(jì)
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：
這部分內(nèi)容從函數(shù)的級(jí)別詳細(xì)解釋了代碼。我們將分別解釋PAN Co-ordinator和End Device的代碼。
config.h頭文件將被引用到兩個(gè)源代碼文件中，同時(shí)兩個(gè)源代碼文件也引用了以下的頭文件：
jendefs.h， AppHardwareApi.h， AppQueueApi.h， mac_sap.h， mac_pib.h
coordinator.c的內(nèi)容
開發(fā)者最常問的問題之一就是為什么Jennic的程序都沒有Main函數(shù)，這個(gè)熟悉的函數(shù)哪里去了呢？這是因?yàn)镴ennic程序都由boot loader來啟動(dòng)和引導(dǎo)，boot loader引導(dǎo)完成后就將自動(dòng)的調(diào)用AppColdStart函數(shù)，您可以認(rèn)為AppColdStart就是我們通常所說的Main（）。
AppColdStart將進(jìn)行下面的操作：
1.AppColdStart將調(diào)用函數(shù)vInitSystem（），這一函數(shù)將完成以下任務(wù)：
初始化設(shè)備的IEEE 802.15.4的協(xié)議棧
設(shè)置PAN ID和PAN Co-ordinator的短地址，在這個(gè)應(yīng)用中這些參數(shù)都由我們預(yù)定義在config.h這個(gè)文件中
打開射頻接收器
使Co-ordinator可以接受其他的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)
2.AppColdStart（）會(huì)調(diào)用vStartEnergyScan（），這一函數(shù)將會(huì)開始在各個(gè)通道進(jìn)行能量掃描以獲得各個(gè)通道的能量級(jí)別。所掃描的通道以及速率都定義在config.h中。掃描將通過初始化一個(gè)MLME請(qǐng)求并將其發(fā)送給IEEE 802.15.4的MAC層來實(shí)現(xiàn)。
3.AppColdStart（）將通過調(diào)用vProcessEventQueues（）的方式等待MLME的回應(yīng)。vProcessEventQueues（）函數(shù)將檢查三個(gè)不同類型的事件隊(duì)列并將接到的事件交給不同的事件處理函數(shù)處理。比如這個(gè)函數(shù)將調(diào)用vProcessIncomingMlme（）函數(shù)來處理MLME回應(yīng)。 而這個(gè)函數(shù)將調(diào)用vHandleEnergyScanResponse（）來處理能量檢測(cè)掃描的回應(yīng)結(jié)果。這個(gè)函數(shù)將檢查所有通道的能量級(jí)別，并挑選一個(gè)最安靜的通道作為建立網(wǎng)絡(luò)的通道。接下來將調(diào)用vStartCoordinator（）函數(shù)，這個(gè)函數(shù)將設(shè)置必要的參數(shù)并且遞交MLME請(qǐng)求來啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求不需要處理任何的回復(fù)信息。
4.AppColdStart（）循環(huán)調(diào)用vProcessEventQueues（）來等待其他設(shè)備的加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，入網(wǎng)請(qǐng)求將以MLME請(qǐng)求的方式發(fā)送到codinator.當(dāng)請(qǐng)求到達(dá)的時(shí)候函數(shù)將調(diào)用vHandleNodeAssociation來處理。接下來codinator將創(chuàng)建并發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求回復(fù)。
5.AppColdStart將循環(huán)調(diào)用vProcessEventQueues來處理來自于MCPS的消息隊(duì)列和來自于硬件的消息隊(duì)列。
當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)MCPS隊(duì)列后，vProcessEventQueues首先調(diào)用函數(shù)vProcessIncomingMcps（）來接收到達(dá)的數(shù)據(jù)幀.vProcessIncomingMcps（）調(diào)用vHandleMcpsDataInd（），這個(gè)函數(shù)將調(diào)用vProcessReceivedDataPacket，在這個(gè)函數(shù)里面您可以自定義您自己的數(shù)據(jù)處理過程。
當(dāng)硬件事件到達(dá)硬件隊(duì)列后，vProcessEventQueues將調(diào)用函數(shù)vProcessIncomingHwEvent來接收到來的事件。您需要在這個(gè)函數(shù)中自定義自己的事件處理過程。
您可以參考下面的示意圖來理解
圖4-4-9 Coordinator程序流程圖
enddevice.c的內(nèi)容介紹
End Device的運(yùn)行過程仍然是從AppColdStart開始。這一函數(shù)和Co-ordinator的運(yùn)行方式完全的不同，下面將詳細(xì)的講解這個(gè)過程。
1.AppColdStart調(diào)用vInitSystem，這個(gè)函數(shù)將初始化IEEE 802.15.4的協(xié)議棧
2.AppColdStart（）調(diào)用vStartActiveScan（）開始對(duì)于活動(dòng)通道的掃描， End Device將向掃描的通道發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求，并接收PAN Co-ordinator的信標(biāo)請(qǐng)求回應(yīng)。需要掃描的通道和速率將在config.h中定義。掃描請(qǐng)求的初始化和發(fā)送的工作可以通過MLME請(qǐng)求的方式通過IEEE 802.15.4的MAC層發(fā)送。
3.AppColdStart（）將通過vProcessEventQueues來檢查和處理MLME回應(yīng)。這個(gè)函數(shù)將調(diào)用vProcessIncomingMlme（）來處理收到的MLME回應(yīng)。vHandleActiveScanResponse（）會(huì)被調(diào)用處理返回的活動(dòng)通道掃描結(jié)果：
如果找到PAN Co-ordinator，函數(shù)將保存相應(yīng)的Co-ordinator信息（比如 PAN ID，短地址，邏輯通道），并且調(diào)用vStartAssociate（）向Co-ordinator來提交入網(wǎng)請(qǐng)求，這一請(qǐng)求將通過MLME請(qǐng)求的方式提交。
如果PAN Co-ordinator沒有被找到（可能是由于Co-ordinator還沒有初始化完成）。這一函數(shù)將重新調(diào)用vStartActiveScan（）來重新啟動(dòng)掃描。
4. AppColdStart將循環(huán)的調(diào)用vProcessEventQueues（）等待來自Co-ordinator的入網(wǎng)回復(fù)。當(dāng)收到回復(fù)后就將調(diào)用vProcessIncomingMlme（），然后將調(diào)用vHandleAssociateResponse來處理回復(fù)，接下來的函數(shù)將檢查回復(fù)的狀態(tài)：
如果PAN Co-ordinator接受的入網(wǎng)請(qǐng)求，將設(shè)備置于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。
如果PAN Co-ordinator拒絕了入網(wǎng)的請(qǐng)求，函數(shù)就將重新調(diào)用vStartActiveScan（）來開始搜索另外一個(gè)PAN Co-ordinator。
5. AppColdStart（）接下來將循環(huán)的調(diào)用vProcessEventQueues來等待來自于PAN Co-ordinator的MCPS信息或者硬件的隊(duì)列信息。
當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)了MCPS隊(duì)列，vProcessEventQueue（）首先使用函數(shù)vProcessIncomingMcps（）來接收數(shù)據(jù)幀，接著調(diào)用vHandleMcpsDataInd（），接著調(diào)用vProcessReceivedDataPacket（），開發(fā)人員可以在這個(gè)函數(shù)里面編寫自己的數(shù)據(jù)處理過程。
當(dāng)硬件事件到達(dá)硬件事件隊(duì)列，vProcessEventQueues（）將調(diào)用vProcessIncomingHwEvent（）來接收到達(dá)的事件，您可以在這個(gè)過程中編寫自己的事件處理邏輯。
下面的圖表示了End Device的工作過程。
圖4-4-10 EndDevice程序流程
W5500驅(qū)動(dòng)：
Coordinator作為網(wǎng)絡(luò)的中心，通常也是數(shù)據(jù)匯聚的中心。因?yàn)槲覀冊(cè)贑oor的代碼中加入W5500的操作。
硬件連接上W5500作為SPI Slave工作，使用IO管腳如下：
在系統(tǒng)的初始化vInitSystem（）中加入W5500的初始化，
// 初始化和W5500連接的SPI
vAHI_SpiConfigure（1， E_AHI_SPIM_MSB_FIRST， E_AHI_SPIM_TXPOS_EDGE，
E_AHI_SPIM_RXPOS_EDGE， 1， E_AHI_SPIM_INT_DISABLE，
E_AHI_SPIM_AUTOSLAVE_DSABL）;
使用Eclipse IDE環(huán)境，在工程文件中添加W5500的驅(qū)動(dòng)：
圖4-4-11 Eclipse IDE
在工程導(dǎo)航欄可以看到：
圖4-4-12 工程導(dǎo)航
然后，把wizchip_conf.c中的接口代碼替換為JN5168的SPI函數(shù)：
void wizchip_cs_select（void）
{
/* select slave 1*/
vAHI_SpiSelect（E_AHI_SPIM_SLAVE_ENBLE_1）;
};
void wizchip_cs_deselect（void）
{
vAHI_SpiStop（）;
};
uint8_t wizchip_spi_readbyte（void）
{
u8AHI_SpiReadTransfer8（）;
return 0;
};
void wizchip_spi_writebyte（uint8_t wb）
{
vAHI_SpiStartTransfer8（wb）;
};
這樣就完成了代碼，我們可以看到無線IEEE802.15.4和以太網(wǎng)W5500的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接。
結(jié) 論
在使用W5500后我們極大的簡(jiǎn)化了WPAN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，這樣保證了通訊速率和可靠性的要求下，用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)詮釋了“簡(jiǎn)單就是可靠”的道理。
——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)4月《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特刊》透視新設(shè)計(jì)欄目，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，違者必究！
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論