基于CyFi的無線傳感器網(wǎng)絡組建與通信設計

   實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的相關協(xié)議層出不窮，如紅外、藍牙、ZigBee、Wi-Fi等。但是目前這些協(xié)議都存在種種問題，例如紅外技術遇到障礙物就失靈，藍牙比較耗電，ZigBee協(xié)議比較復雜等等。針對這些問題，Cypress公司推出了CyFi低功耗無線解決方案，同時還推出了針對新手的PSoC FirstTouch入門套件CY3271以及其他擴展套件。本文使用此套件組建CyFi無線傳感器網(wǎng)絡，并在PC機上通過USB接口實現(xiàn)節(jié)點的綁定及數(shù)據(jù)的采集。

1 CyFi簡介

  Cypress公司先前推出的WirelessUSB技術已被廣泛應用于無線鼠標、鍵盤、游戲手柄等產(chǎn)品中。在此基礎之上，Cypress公司又推出了針對嵌入式控制領域的一款低成本、低功耗、高可靠性的無線射頻解決方案——CyFi。CyFi的市場定位使其具有可靠、簡化、低功耗、多信道等特點。

①可靠。通過使用直接序列擴頻(DSSS)調(diào)制技術，CyFi能夠使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從可能的錯誤中恢復回來，從而提供出色的連接可靠性。對于來自同樣工作在非常擁擠的2．4 GHz頻段的Wi—Fi、藍牙、ZigBee等其他無線技術的干擾，CyFi的跳頻技術能以預設的頻段間隔自動搜索干凈的信道進行通信，如圖1所示。同時，CyFi的鏈接管理功能可以根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境將發(fā)射功率、傳輸速率自動調(diào)整到保證可靠鏈接的最優(yōu)配置上。DSSS調(diào)制、跳頻技術和成熟的鏈接管理算法使得CyFi成為2．4 GHz頻段的高可靠性無線解決方案。

②簡化。CyFi提供的輕量級星型協(xié)議棧CYFISNP尺寸非常小，應用于Hub僅占用8 KB，而應用于節(jié)點僅為6 KB，如圖2所示。CYFISNP協(xié)議?？芍苯釉赑SoCDesigner中使用，其所提供的用戶模塊使開發(fā)者只需簡單的拖放即可實現(xiàn)創(chuàng)新的無線設計，用戶無需自行編寫任何通信協(xié)議或編碼，與PSoC可編程片上系統(tǒng)的結合使其在研發(fā)過程的任何階段都可進行重新編程。

③低功耗。為了實現(xiàn)低功耗，CyFi盡量工作在睡眠模式。這意味著在干擾較弱的情況下，CyFi將以盡可能快的速度(1 Mbps)傳輸，以縮短傳輸時間；而在干擾較強的情況下，將啟用DSSS調(diào)制技術并提高RF發(fā)射功率以250 kbps的速率傳輸，從而減少重傳的可能。當節(jié)點與Hub的距離較近時，節(jié)點也能降低發(fā)射功率從而減小功耗。這種有效的電源管理機制使得采用CyFi的典型傳感器應用只靠2節(jié)AA電池就可使用4年之久。

④多信道。由于CyFi僅占用1 MHz的帶寬，故可用信道多達80個，而ZigBee等僅能使用16個5 MHz的信道。

2 CY3271簡介

CY3271是Cypress公司針對新手推出的一款帶CyFi的低成本USB接口套件，包括PSoC集成開發(fā)環(huán)境PSoCDesigner、用于數(shù)據(jù)采集的感應控制軟件SCD、帶RF功能的PC橋FTPC、多功能板FTMF、支持長距離無線應用并帶功率放大器的RF擴展板FTRF，以及2個電池板。其中，PC橋FTPC作為CyFi的Hub設備使用；RF擴展板FTRF作為CyFi的節(jié)點設備使用，同時帶有一個超低功耗的溫度傳感器；而多功能板FTMF中帶有CapSense觸摸傳感器、接近式傳感器、溫度傳感器、光傳感器和紅、黃、藍3個LED燈。本文中僅以CapSense觸摸傳感器為例。

3 硬件結構

  由于CyFi使用的是星型廣播式網(wǎng)絡協(xié)議，所有消息需要經(jīng)過中心Hub，故實現(xiàn)節(jié)點A到節(jié)點B數(shù)據(jù)通信的過程如下：節(jié)點A通過I2C協(xié)議采集多功能板A的CapSense觸摸滑塊的位置、3個LED燈的亮滅情況等數(shù)據(jù)，并與目標節(jié)點B的ID號一起通過RF發(fā)送出去；Hub檢測到網(wǎng)絡中有消息后，再根據(jù)消息中的目標節(jié)點ID將消息轉(zhuǎn)發(fā)出去，同時將數(shù)據(jù)保存到緩存中等待PC機讀??；節(jié)點B接收到消息之后根據(jù)消息中的數(shù)據(jù)，同樣通過I2C協(xié)議控制多功能板B上的3個LED燈的亮滅。其中Hub所在設備FTPC有2個PSoC內(nèi)核：主內(nèi)核實現(xiàn)USB—I2C轉(zhuǎn)換和各個板卡(包括從內(nèi)核)的編程功能；從內(nèi)核實現(xiàn)Hub功能，同時通過I2C與主內(nèi)核連接。系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

4 軟件設計

4．1 PSoC軟件設計

   CY3271套件的光盤中提供了各個PSoC的設計樣例，本文中PSoC部分的設計就是在這些樣例的基礎上修改而成的。為了實現(xiàn)上述功能，需要在節(jié)點A發(fā)送的消息中添加目的節(jié)點B的ID信息，以便Hub將接收到的消息再轉(zhuǎn)發(fā)出去。每個CyFi收發(fā)器有2種ID；一種為6字節(jié)的Radio ID，此ID在收發(fā)器出廠時燒入，不可更改且全球唯一；另一種為1字節(jié)的Node ID，此ID在節(jié)點綁定時確定，可以事先指定也可以由Hub動態(tài)分配。由于Ra-dio ID較復雜，開發(fā)人員在開發(fā)過程中可以忽略RadioID，而只關注Node ID。

   對于多功能板A可直接使用光盤上的MF_CS_SLIDE樣例，不需要修改。對于節(jié)點A使用的RF_12C_BRIDGE樣例，主函數(shù)中需修改調(diào)用CyFiSNP_BindStart()函數(shù)時的參數(shù)，如下：

  其中，采集并發(fā)送消息的函數(shù)sendNewTxMsg()中發(fā)送的消息類型必須修改為CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR，且應在調(diào)用的loadTxData()函數(shù)中添加如下一句以添加節(jié)點B的ID信息：

txApiPkt．payload[I2C_PAYLOAD_MAX]=DEV_ID_RX；

  對于Hub使用的RF_HUB樣例，首先需要將用戶模塊CYFISNP的Device ID assignment屬性設置為Preas-signed Device ID，以便節(jié)點A、B使用指定的ID綁定成功。重新編譯后，在ServeSNPPackets()函數(shù)中接收到CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR類型的消息之后，添加如下代碼：

  對于節(jié)點B使用的RF_I2C_BRIDGE樣例，其主函數(shù)同樣需要修改CYFISNP_BindStart()函數(shù)的參數(shù)，同時還需暫存接收到的消息。核心代碼如下：

其中，負責接收消息并且控制多功能板B的函數(shù)receiveNewRxMsg()中必須與節(jié)點A對應的將消息類型修改為CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR，且在其中調(diào)用的SetI2CData()函數(shù)如下：

  對于多功能板B使用的MF_CS_SLIDE樣例，首先使用PSoC Designer的工程克隆功能，將樣例中PSoCExpress編寫的系統(tǒng)級工程克隆為PSoC Designer的芯片級工程，否則不能直接修改程序中的代碼。然后在主函數(shù)中添加如下核心代碼：

這樣，5個部分的PSoC程序全部編寫完成，最后分別編譯各個程序再使用PSoC Programmer燒錄到各個板卡中即可。

4．2 上位機軟件設計

  盡管CY3271的配套光盤中已包含了用于數(shù)據(jù)采集和感應控制的軟件SCD，但為了弄清楚FTPC設備USB接口的讀寫過程，以及今后將Hub移植到其他平臺，還是編寫了功能可定制的上位機軟件。此軟件使用VisualC++2005編寫，同時使用了TeeChart圖表顯示控件。

  由于CY3271中的FTPC設備采用USB接口與PC機連接，且此USB設備已模擬成標準的HID設備，故上位機軟件與FTPC設備通信時只需要使用標準的HID設備的控制及讀寫函數(shù)。對FTPC設備的讀寫過程大致如下：

①使用HidD_GetHidGuid()函數(shù)獲取本機HID設備的接口類GUID。

②使用SetupDiGetClassDevs()函數(shù)獲取HID類中所有設備的信息集合。

③在該設備信息集合中，使用SetupDiEnumDevi-ceInterfaces()函數(shù)獲取每個設備的信息。

④使用SetupDiGetDeviceInterfaceDetail()函數(shù)獲取某個設備的詳細信息。要獲取某個設備的詳細信息，此函數(shù)必須調(diào)用2次。第1次調(diào)用是為了得到保存設備信息需要的緩沖區(qū)大小，第2次調(diào)用才是真正地獲取設備詳細信息。

⑤獲得設備的詳細信息后，使用設備詳細信息結構體中的DevicePath作為Create File()函數(shù)的參數(shù)打開指定的設備。

⑥打開設備后，使用HidD_GetAttributes()函數(shù)獲取設備的屬性(屬性中包含了廠商編號VID、產(chǎn)品編號PID以及產(chǎn)品版本號等信息)。然后比較VID、PID是否與FTPC的一致。如果一致(VID=04B4，PID=F115)，則退出查找，說明設備已經(jīng)找到；如果不一致，則切換到下一個設備，然后重復前面的步驟③～⑥。

  找到設備后，就可以對設備進行數(shù)據(jù)讀寫了。使用Bus Hound軟件查看USB設備及抓取USB數(shù)據(jù)包。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TPC設備是使用HID設備中的中斷端點傳輸數(shù)據(jù)的，故應調(diào)用ReadFile()和WriteFile()函數(shù)實現(xiàn)讀寫。由于FTPc設備為HID從設備，故對FTPC設備的每個讀或?qū)懙倪^程都同時有先寫后讀的操作。也就是說，寫FTPC設備時是先寫入相關的寫命令和欲寫入的數(shù)據(jù)，再讀出寫入是否成功的反饋；讀FTPC設備時是先寫入相關的讀命令，再讀出欲讀取的數(shù)據(jù)。

  按照上述方法，再結合Hub的PSoC程序中定義的命令和：Bus Hound抓包得到的結果，就可以對FTPC設備中的Hub執(zhí)行相應的操作了，如進入綁定狀態(tài)，讀取綁定結果，讀取接收到的消息等。節(jié)點綁定成功之后，即可查看實時的數(shù)據(jù)采集情況，包括數(shù)據(jù)采集的時間和滑塊位置值等，如圖4所示。

結 語

  CyFi的出現(xiàn)使無線傳感器網(wǎng)絡中的各種問題迎刃而解，而PSoC的用戶模塊方式極大地方便了開發(fā)人員，使開發(fā)人員只需通過拖放及添加簡單的代碼，就能輕松地完成復雜的無線傳感器網(wǎng)絡應用的設計與開發(fā)。同時，入門套件的Hub設備模擬成標準的HID設備，也使PC機上應用程序的開發(fā)變得輕而易舉。