無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層平臺的深層研究

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用一般需要無線操作系統(tǒng)的支撐，才能有效地管理和調(diào)度資源，提高系統(tǒng)的效率。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層平臺是連接上層軟件和底層硬件的橋梁，是無線操作系統(tǒng)研究的重要技術(shù)之一。合理的底層平臺能夠提高系統(tǒng)的兼容性、穩(wěn)定性、可移植性和開發(fā)效率。本文主要研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的底層平臺，對無線模塊、USART、SPI、中斷和定時(shí)器進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；底層平臺；STM32；CC2520

引言
    目前，對WSN(Wireless Sensor Netwoek)的研究主要集中在協(xié)議棧、定位算法、能耗管理以及體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，而針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的研究卻相對較少，尤其是對其底層平臺的研究更少，所以針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)底層平臺的研究有十分廣闊的空間。本論文針對意法半導(dǎo)體STM32系列MCU和TI公司的CC2520無線模塊進(jìn)行介紹。主要描述了操作系統(tǒng)底層平臺的構(gòu)建，以及硬件驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)。本論文的底層硬件抽象層是針對CC2520無線射頻模塊的，包括了平臺構(gòu)建、相關(guān)寄存器，以及外圍接口等各個(gè)部分。而硬件驅(qū)動程序主要是為完成無線通信所需的硬件驅(qū)動設(shè)計(jì)，這主要包括：相應(yīng)異步事件的中斷機(jī)制；和PC通信的USART驅(qū)動；連接MCU和CC2520的SPI驅(qū)動；完成超時(shí)計(jì)時(shí)的定時(shí)器等。這些模塊的有效組成，才能構(gòu)成一個(gè)完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最小通信系統(tǒng)，完成節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理，以及定位和導(dǎo)航等任務(wù)。
    STM32系列MCU采用ARM公司V7架構(gòu)的Correx—M3內(nèi)核。CC2520是第二代ZigBee／IEEE 802．15．4收發(fā)器。

1 底層平臺研究
    硬件抽象層的底層硬件模塊有很多，本節(jié)只簡單介紹和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的底層模塊設(shè)計(jì)。
1．1 定時(shí)器
    STM32系列的CPU能提供8個(gè)定時(shí)器，其中TIM1和TIM8是高級定時(shí)器，可用于各種用途，包括測量輸入信號的脈沖長度(輸入捕捉)或產(chǎn)生輸出波形(輸出比較)等，它們的時(shí)鐘由APB2提供。TIM2～TIM7是普通定時(shí)器，時(shí)鐘由APB1提拱。圖1為STM32時(shí)鐘樹中有關(guān)定時(shí)器的部分。

    從圖1可以看出，從系統(tǒng)設(shè)置的時(shí)鐘源產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率輸入到AHB預(yù)分頻器，進(jìn)行分頻處理，然后經(jīng)過APB1預(yù)分頻器和APB2預(yù)分頻器給不同模塊提供不同的時(shí)鐘頻率。下面以定時(shí)器2作為例子說明。當(dāng)AHB預(yù)分頻器輸入頻率為72 MHz的時(shí)候，由于APB1支持的最大頻率為36 MHz，所以APB1預(yù)分頻器，設(shè)置必須大于或等于2，假設(shè)設(shè)置為2，則在APB1倍頻器中，頻率被設(shè)置為72 MHz(當(dāng)APB1分頻數(shù)=1的時(shí)候，APB1倍頻器加倍系數(shù)為1，當(dāng)APBl分頻數(shù)>1的時(shí)候，APB1倍頻器加倍系數(shù)為2)，所以最終提供給定時(shí)器2～7的頻率為72 MHz。所以只需要設(shè)置APB1預(yù)分頻器和APB1倍頻器的值，便可以提供不同頻率的定時(shí)器。定時(shí)器采用計(jì)數(shù)溢出的方式觸發(fā)定時(shí)器中斷，因此想要使用定時(shí)器，必須先配置好定時(shí)器中斷。
1．2 中斷
    對STM32系列MCU的中斷配置步驟如下：
    ①系統(tǒng)初始化：如系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，使用固件模板中自帶的SystemInit()函數(shù)即可，此函數(shù)把主頻默認(rèn)調(diào)整到72 MHz。
    ②GPIO配置：配置觸發(fā)CPU中斷的引腳，務(wù)必注意打開相應(yīng)引腳的GPIO時(shí)鐘和AFIO時(shí)鐘。配置引腳的頻率和輸入模式，一般為浮空輸入模式。
    ③EXTI配置：首先指明當(dāng)前系統(tǒng)中使用哪個(gè)引腳作為觸發(fā)外部中斷的引腳，然后清除中斷標(biāo)志位，配置中斷請求和觸發(fā)方式(上升沿觸發(fā)或下降沿觸發(fā))。
    ④NVIC配置：主要配置中斷對應(yīng)的通道，并且設(shè)置優(yōu)先級別，最后需要對通道使能。
    ⑤編寫中斷服務(wù)程序：中斷服務(wù)程序是發(fā)生中斷時(shí)實(shí)際運(yùn)行的程序，它打斷了正在運(yùn)行的程序，對相應(yīng)中斷事件進(jìn)行相應(yīng)處理。由于中斷程序打斷了現(xiàn)有程序的運(yùn)行，而且需要對中斷事件作出快速響應(yīng)，所以要盡量短小，而且不能傳遞參數(shù)，沒有返回值。
1．3 USART
    USART模塊一般分為三大部分：數(shù)據(jù)發(fā)送器、數(shù)據(jù)接收器和時(shí)鐘發(fā)生器。所有模塊共享控制寄存器。時(shí)鐘發(fā)生器由波特率發(fā)生器和同步邏輯電路組成。
    數(shù)據(jù)發(fā)送器部分由寫入緩沖寄存器(USART DR)、校驗(yàn)位發(fā)生器、串行移位寄存器和控制邏輯電路構(gòu)成。使用寫入緩沖寄存器，可以連續(xù)快速地發(fā)送多幀數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)接收器是USART模塊最復(fù)雜的部分最主要的是數(shù)據(jù)接收單元和時(shí)鐘。數(shù)據(jù)接收單元用作異步數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)接收器還包括移位寄存器、控制邏輯、校驗(yàn)位校驗(yàn)器和接收緩沖器。數(shù)據(jù)接收器支持與數(shù)據(jù)發(fā)送器相同的幀結(jié)構(gòu)，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)溢出、幀錯(cuò)誤和校驗(yàn)錯(cuò)誤的檢測。
    無線節(jié)點(diǎn)可以通過USART與PC通信。本文只實(shí)現(xiàn)了簡單的USART功能。串口使用前需要完成初始化，主要設(shè)置字長、波特率、奇偶校驗(yàn)位、傳輸模式、數(shù)據(jù)位數(shù)、流控制、打開串口時(shí)鐘和配置串口發(fā)送接收引腳等。
    有了串口的輸入／輸出功能后，可以自己重寫庫函數(shù)printf，便于調(diào)試和觀察節(jié)點(diǎn)運(yùn)行情況，讓節(jié)點(diǎn)終端輸出重定向到PC，然后在PC上通過串口工具顯示節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，從而分析終端運(yùn)行情況。具體函數(shù)設(shè)計(jì)是：如果節(jié)點(diǎn)輸出字符串?dāng)?shù)據(jù)，則直接調(diào)用串口輸出字符串函數(shù)，通過串口把字符串?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到PC顯示；如果是輸出數(shù)字，則先把數(shù)字按指定顯示進(jìn)制轉(zhuǎn)換成字符串，然后按照輸出字符串方式處理。可以重寫itoa()函數(shù)，把輸入的數(shù)字按照任意進(jìn)制保存到字符串中。
1．4 SPI
    SPI有三種寄存器：控制寄存器(SPI_CR)、狀態(tài)寄存器(SPI_SR)、數(shù)據(jù)寄存器(SPI_DR)。SPI接口包括4種信號：MOSI——從器件數(shù)據(jù)輸入，主器件數(shù)據(jù)輸出；MISO——從器件數(shù)據(jù)輸出，主器件數(shù)據(jù)輸入；SCLK——時(shí)鐘信號，由主器件產(chǎn)生；NSS——從器件選擇使能信號，由主器件控制，有的芯片廠家會標(biāo)注為CS(Chip Select)。
    由于無線模塊CC2520必須通過SPI接口才能和MCU通信，所以必須先實(shí)現(xiàn)SPI接口，才能控制CC2520接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。SPI接口的處理方式和USART接口的處理方式很像，本文只實(shí)現(xiàn)了簡單的SPI功能。SPI使用前必須初始化，主要工作包括設(shè)置主從模式、波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、數(shù)據(jù)幀格式、配置輸入／輸出引腳和時(shí)鐘信號的相位和極性等。
1．5 CC2520驅(qū)動
    MCU通過SPI接口控制CC2520啟動、關(guān)閉、收發(fā)數(shù)據(jù)等。SPI接口由SI、SO、CSn和SCLK四個(gè)引腳構(gòu)成。在MCU和CC2520通信過程中，CC2520為SPI接口從設(shè)備，接收MCU發(fā)來的時(shí)鐘信號和片選信號，并在MCU的控制下執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等操作；STM32為接口主設(shè)備，可以通過SPI接口訪問CC2520內(nèi)部存儲區(qū)和寄存器。CC2520通過FIFO、FIFOP、SFD和CCA四個(gè)引腳來表示工作狀態(tài)。MCU可以通過讀取這些引腳的數(shù)據(jù)來獲得CC2520收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。SFD信號表示剛接收到或者剛發(fā)送完幀開始信號；FIFO信號表示一個(gè)或者多個(gè)字節(jié)在接收緩沖區(qū)；FIFOP信號表示接收緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)超出設(shè)置的門限或者接收到至少一幀完整的數(shù)據(jù)；CCA信號表示信道空閑。
    CC2520大概工作流程：首先是準(zhǔn)備工作。上層應(yīng)用程序中使用halRfInit()函數(shù)完成CC2520的一些初始化工作，如復(fù)位CC2520，關(guān)閉電壓調(diào)整器，根據(jù)CC2520數(shù)據(jù)手冊需要延時(shí)1100μs。延時(shí)完成后，開啟電壓調(diào)整器，再延時(shí)200μs，然后使能CC2520，完成后，申請SPI資源并初始化。開啟振蕩器，然后通過SPI接口配置CC2520中一些寄存器的默認(rèn)值，如TXPOWER、CCACTRL0、MAMCTRL0、MAMCTRL1等寄存器的值。然后對MCU和CC2520相連的引腳進(jìn)行初始配置，比如把RSTN、VREN和CSN配置為輸出模式，把FIFO、FIFOP、CCA和SFD配置為輸入模式。
    上層應(yīng)用程序中使用basicRfInit()函數(shù)完成對信道、短地址和網(wǎng)絡(luò)ID的設(shè)置，并配置接收中斷處理函數(shù)，用于接收到數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷時(shí)處理接收數(shù)據(jù)。
    應(yīng)用程序執(zhí)行發(fā)送命令時(shí)，按照協(xié)議棧從上層一層層封裝好數(shù)據(jù)后，最終把數(shù)據(jù)交給basicRfSendPacket()函數(shù)處理。具體發(fā)送過程如圖2所示。

    圖中封裝的格式按照協(xié)議要求，內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)長度、幀控制域(FCF)、目的地址、源地址、目的網(wǎng)絡(luò)ID、源網(wǎng)絡(luò)ID、發(fā)送數(shù)據(jù)、CRC(Cyclic Redundancy Check)校驗(yàn)碼等。當(dāng)采用的是硬件CRC檢驗(yàn)時(shí)，不需要用戶計(jì)算添加CRC檢驗(yàn)碼，也不需要CRC檢驗(yàn)數(shù)據(jù)寫入TXFIFO(CC2 520發(fā)送緩沖區(qū))中，有專門的寄存器存儲CRC檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，由硬件完成檢驗(yàn)和發(fā)送。當(dāng)采用軟件CRC檢驗(yàn)時(shí)，需要用戶自己計(jì)算CRC檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，并填寫在幀的最后兩字節(jié)中，隨幀中其他數(shù)據(jù)一起寫入TXFIFO。
    封裝好后把數(shù)據(jù)寫入TXFIFO中，注意CC2520發(fā)送緩沖區(qū)為128字節(jié)，不能超出這個(gè)范圍，否則會引發(fā)TXOVERFLOW異常。然后，打開接收數(shù)據(jù)中斷后才能調(diào)用發(fā)送命令發(fā)送數(shù)據(jù)，在這里可以對發(fā)送過程進(jìn)行完全的控制，比如在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，可以通過捕獲SFD引腳的上升沿信號來對發(fā)送準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。發(fā)送數(shù)據(jù)后等待接收方回復(fù)ACK，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到ACK，則判定重傳次數(shù)是否超過最大重傳次數(shù)，沒有的話則按照一定策略退避一段時(shí)間后再重新發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)包，如果超過最大重傳次數(shù)則丟棄這個(gè)包，并設(shè)置發(fā)送失敗標(biāo)志供上層程序參考。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到ACK，則會觸發(fā)RX_FRMDONE中斷，會調(diào)用basicRfRxFrmDonelsr()接收數(shù)據(jù)中斷處理程序?qū)κ盏降腁CK包進(jìn)行分析，如果是對剛發(fā)送包的正確回復(fù)，則表示發(fā)送成功，更新相應(yīng)信息，例如發(fā)送序列號加1，更新發(fā)送狀態(tài)，清除TX_FRM_DONE異常等。
    接收過程和發(fā)送過程類似，具體接收流程如圖3所示。

2 測試
2．1 測試方法
    測試的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過一根串口線連接到PC。在測試程序中添加測試代碼，把測試節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的MAC(Media Access Contro1)層數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送到PC上。然后通過PC上的串口調(diào)試助手顯示出來。對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析便可以知道節(jié)點(diǎn)上各模塊程序的運(yùn)行情況。
2．2 測試過程及結(jié)果
    通過分析群首節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)幀到群中終端節(jié)點(diǎn)的過程來判斷底層模塊的運(yùn)行情況。群首節(jié)點(diǎn)A和群中終端節(jié)點(diǎn)(B、C、D)都通過串口線連接到PC上。群網(wǎng)絡(luò)號為0x0001，節(jié)點(diǎn)A、B、C、D地址分別為：0x0001、0x0002、0x0003、0x0004。A通過無線模塊發(fā)送廣播數(shù)據(jù)到B、C、D，并把發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送到PC顯示，最后把接收到的ACK回復(fù)幀也發(fā)送到PC顯示；B、C、D通過無線模塊接收到A發(fā)過來的數(shù)據(jù)，按自己節(jié)點(diǎn)地址大小進(jìn)行延時(shí)后對接收數(shù)據(jù)幀進(jìn)行回復(fù)，并把接收數(shù)據(jù)幀和回復(fù)ACK幀通過串口發(fā)送到PC顯示。

    圖4為群首節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀和接收ACK幀的過程。協(xié)議棧MAC層幀的封裝格式按照IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)。從圖4可以看出：第一個(gè)框中為發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，后面三個(gè)框中為接收到的終端節(jié)點(diǎn)回復(fù)的ACK幀。按照IEEE Std 802．15．4—2006標(biāo)準(zhǔn)中的幀封裝格式，發(fā)送窗口顯示的第一個(gè)字節(jié)為物理層數(shù)據(jù)長度。后面緊跟的是FCF(Frame Control Field幀控制字段，占2字節(jié))，對發(fā)送可信廣播數(shù)據(jù)幀為0x8801。參考標(biāo)準(zhǔn)手冊中FCF設(shè)置，可以看出對數(shù)據(jù)幀的設(shè)置如下：節(jié)點(diǎn)地址和網(wǎng)絡(luò)地址都采用16位；在幀中同時(shí)包括源網(wǎng)絡(luò)ID、源節(jié)點(diǎn)地址、目的網(wǎng)絡(luò)ID、目的節(jié)點(diǎn)地址；需要ACK幀確認(rèn)；沒有采用安全設(shè)置。后面是DSN(1字節(jié))，這是傳輸?shù)牡谝粋€(gè)幀，所以設(shè)置為0x01。后面為目的網(wǎng)號0x0001(占2字節(jié))。后面為目的節(jié)點(diǎn)地址0xFFFF(占2字節(jié))，這是廣播地址，當(dāng)CC2520發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)地址為廣播地址時(shí)，便向所有節(jié)點(diǎn)傳輸廣播幀。后面為源網(wǎng)絡(luò)號0x0001(占2字節(jié))。后面為源節(jié)點(diǎn)地址0x0001(占2字節(jié))。因?yàn)檫@是同一個(gè)網(wǎng)段中的群首向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播幀，所以目的網(wǎng)絡(luò)號和源網(wǎng)絡(luò)號相同。后面接著的2字節(jié)為MAC層數(shù)據(jù)，為了測試簡單，測試時(shí)只發(fā)送了2字節(jié)的數(shù)據(jù)(1和2，ASCALL碼為0x31和0x32)。可信廣播幀要求接收節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK幀，后面三個(gè)框中數(shù)據(jù)分別是節(jié)點(diǎn)B、C、D回復(fù)的ACK幀。回復(fù)幀的格式和數(shù)據(jù)幀的設(shè)置情況類似，區(qū)別是回復(fù)幀的FCF為0x8802，表示是回復(fù)幀且不需要確認(rèn)，回復(fù)幀中沒有數(shù)據(jù)字段，且回復(fù)幀中的目的網(wǎng)絡(luò)號、目的地址為接收數(shù)據(jù)幀中的源網(wǎng)絡(luò)號、源地址。

    圖5為接收節(jié)點(diǎn)B的接收數(shù)據(jù)幀。從圖中可以看出，第一個(gè)框中為接收到的可信廣播數(shù)據(jù)幀，第二框中數(shù)據(jù)為發(fā)送的ACK幀。接收窗口中前面的數(shù)據(jù)和發(fā)送窗口中數(shù)據(jù)一樣。不一樣的是最后的2字節(jié)(具體解釋請參考3．5節(jié)CC2520接收過程)。接收節(jié)點(diǎn)解析目的地址，發(fā)現(xiàn)是廣播地址，需要再檢查FCF字段中的Ack Request是否為1，如果為1，則需要回復(fù)ACK幀。為了避免群中節(jié)點(diǎn)收到可信廣播數(shù)據(jù)幀，同時(shí)回復(fù)ACK幀造成信道碰撞，回復(fù)ACK幀的時(shí)候按照自己節(jié)點(diǎn)地址大小延時(shí)發(fā)送。群中其他節(jié)點(diǎn)(C、D)的接收串口顯示數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)B的類似，這里就不再詳細(xì)說明。

結(jié)語
    從測試的結(jié)果看，發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過CC2520發(fā)送的數(shù)據(jù)能被接收，節(jié)點(diǎn)正確接收并通過串口發(fā)送到PC。這說明論文介紹的各個(gè)模塊都能夠正確穩(wěn)定地工作。通過這些底層模塊的協(xié)同工作，為上層操作系統(tǒng)和協(xié)議棧提供了通信的基礎(chǔ)服務(wù)。本論文只是簡單地完成了各模塊的功能，還有很多可以改進(jìn)的地方，比如，可以在CC2520通信過程中加入精確的時(shí)序控制，為上層提供更好的服務(wù)。