CyFi無線傳感囂網(wǎng)絡(luò)組建與通信設(shè)計(jì)
1 CyFi簡(jiǎn)介
Cypress公司先前推出的WirelessUSB技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于無線鼠標(biāo)、鍵盤、游戲手柄等產(chǎn)品中。在此基礎(chǔ)之上，Cypress公司又推出了針對(duì)嵌入式控制領(lǐng)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(chǎng)定位使其具有可靠、簡(jiǎn)化、低功耗、多信道等特點(diǎn)。
①可靠。通過使用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)調(diào)制技術(shù)，CyFi能夠使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從可能的錯(cuò)誤中恢復(fù)回來，從而提供出色的連接可靠性。對(duì)于來自同樣工作在非常擁擠的2．4 GHz頻段的Wi—Fi、藍(lán)牙、ZigBee等其他無線技術(shù)的干擾，CyFi的跳頻技術(shù)能以預(yù)設(shè)的頻段間隔自動(dòng)搜索干凈的信道進(jìn)行通信，如圖1所示。同時(shí)，CyFi的鏈接管理功能可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將發(fā)射功率、傳輸速率自動(dòng)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(shù)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(jiǎn)化。CyFi提供的輕量級(jí)星型協(xié)議棧CYFISNP尺寸非常小，應(yīng)用于Hub僅占用8 KB，而應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)僅為6 KB，如圖2所示。CYFISNP協(xié)議棧可直接在PSoCDesigner中使用，其所提供的用戶模塊使開發(fā)者只需簡(jiǎn)單的拖放即可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的無線設(shè)計(jì)，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(jié)合使其在研發(fā)過程的任何階段都可進(jìn)行重新編程。
③低功耗。為了實(shí)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(shí)間；而在干擾較強(qiáng)的情況下，將啟用DSSS調(diào)制技術(shù)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(dāng)節(jié)點(diǎn)與Hub的距離較近時(shí)，節(jié)點(diǎn)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(jī)制使得采用CyFi的典型傳感器應(yīng)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(dá)80個(gè)，而ZigBee等僅能使用16個(gè)5 MHz的信道。
2 CY3271簡(jiǎn)介
CY3271是Cypress公司針對(duì)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(yīng)控制軟件SCD、帶RF功能的PC橋FTPC、多功能板FTMF、支持長(zhǎng)距離無線應(yīng)用并帶功率放大器的RF擴(kuò)展板FTRF，以及2個(gè)電池板。其中，PC橋FTPC作為CyFi的Hub設(shè)備使用；RF擴(kuò)展板FTRF作為CyFi的節(jié)點(diǎn)設(shè)備使用，同時(shí)帶有一個(gè)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(lán)3個(gè)LED燈。本文中僅以CapSense觸摸傳感器為例。
3 硬件結(jié)構(gòu)
由于CyFi使用的是星型廣播式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所有消息需要經(jīng)過中心Hub，故實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B數(shù)據(jù)通信的過程如下：節(jié)點(diǎn)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(gè)LED燈的亮滅情況等數(shù)據(jù)，并與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B的ID號(hào)一起通過RF發(fā)送出去；Hub檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中有消息后，再根據(jù)消息中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID將消息轉(zhuǎn)發(fā)出去，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存到緩存中等待PC機(jī)讀取；節(jié)點(diǎn)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(gè)LED燈的亮滅。其中Hub所在設(shè)備FTPC有2個(gè)PSoC內(nèi)核：主內(nèi)核實(shí)現(xiàn)USB—I2C轉(zhuǎn)換和各個(gè)板卡(包括從內(nèi)核)的編程功能；從內(nèi)核實(shí)現(xiàn)Hub功能，同時(shí)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(shè)計(jì)
4．1 PSoC軟件設(shè)計(jì)
CY3271套件的光盤中提供了各個(gè)PSoC的設(shè)計(jì)樣例，本文中PSoC部分的設(shè)計(jì)就是在這些樣例的基礎(chǔ)上修改而成的。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要在節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的消息中添加目的節(jié)點(diǎn)B的ID信息，以便Hub將接收到的消息再轉(zhuǎn)發(fā)出去。每個(gè)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(shí)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(diǎn)綁定時(shí)確定，可以事先指定也可以由Hub動(dòng)態(tài)分配。由于Ra-dio ID較復(fù)雜，開發(fā)人員在開發(fā)過程中可以忽略RadioID，而只關(guān)注Node ID。
對(duì)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(duì)于節(jié)點(diǎn)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(shí)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(yīng)在調(diào)用的loadTxData()函數(shù)中添加如下一句以添加節(jié)點(diǎn)B的ID信息：
txApiPkt．payload[I2C_PAYLOAD_MAX]=DEV_ID_RX；
對(duì)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(shè)置為Preas-signed Device ID，以便節(jié)點(diǎn)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：
[!--empirenews.page--]對(duì)于節(jié)點(diǎn)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(shí)還需暫存接收到的消息。核心代碼如下：
其中，負(fù)責(zé)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(diǎn)A對(duì)應(yīng)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(duì)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(jí)工程克隆為PSoC Designer的芯片級(jí)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(gè)部分的PSoC程序全部編寫完成，最后分別編譯各個(gè)程序再使用PSoC Programmer燒錄到各個(gè)板卡中即可。
4．2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
盡管CY3271的配套光盤中已包含了用于數(shù)據(jù)采集和感應(yīng)控制的軟件SCD，但為了弄清楚FTPC設(shè)備USB接口的讀寫過程，以及今后將Hub移植到其他平臺(tái)，還是編寫了功能可定制的上位機(jī)軟件。此軟件使用VisualC++2005編寫，同時(shí)使用了TeeChart圖表顯示控件。
由于CY3271中的FTPC設(shè)備采用USB接口與PC機(jī)連接，且此USB設(shè)備已模擬成標(biāo)準(zhǔn)的HID設(shè)備，故上位機(jī)軟件與FTPC設(shè)備通信時(shí)只需要使用標(biāo)準(zhǔn)的HID設(shè)備的控制及讀寫函數(shù)。對(duì)FTPC設(shè)備的讀寫過程大致如下：
①使用HidD_GetHidGuid()函數(shù)獲取本機(jī)HID設(shè)備的接口類GUID。
②使用SetupDiGetClassDevs()函數(shù)獲取HID類中所有設(shè)備的信息集合。
③在該設(shè)備信息集合中，使用SetupDiEnumDevi-ceInterfaces()函數(shù)獲取每個(gè)設(shè)備的信息。
④使用SetupDiGetDeviceInterfaceDetail()函數(shù)獲取某個(gè)設(shè)備的詳細(xì)信息。要獲取某個(gè)設(shè)備的詳細(xì)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(shè)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(shè)備詳細(xì)信息。
⑤獲得設(shè)備的詳細(xì)信息后，使用設(shè)備詳細(xì)信息結(jié)構(gòu)體中的DevicePath作為Create File()函數(shù)的參數(shù)打開指定的設(shè)備。
⑥打開設(shè)備后，使用HidD_GetAttributes()函數(shù)獲取設(shè)備的屬性(屬性中包含了廠商編號(hào)VID、產(chǎn)品編號(hào)PID以及產(chǎn)品版本號(hào)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(shè)備已經(jīng)找到；如果不一致，則切換到下一個(gè)設(shè)備，然后重復(fù)前面的步驟③～⑥。
找到設(shè)備后，就可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫了。使用Bus Hound軟件查看USB設(shè)備及抓取USB數(shù)據(jù)包。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TPC設(shè)備是使用HID設(shè)備中的中斷端點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的，故應(yīng)調(diào)用ReadFile()和WriteFile()函數(shù)實(shí)現(xiàn)讀寫。由于FTPc設(shè)備為HID從設(shè)備，故對(duì)FTPC設(shè)備的每個(gè)讀或?qū)懙倪^程都同時(shí)有先寫后讀的操作。也就是說，寫FTPC設(shè)備時(shí)是先寫入相關(guān)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(shè)備時(shí)是先寫入相關(guān)的讀命令，再讀出欲讀取的數(shù)據(jù)。
按照上述方法，再結(jié)合Hub的PSoC程序中定義的命令和：Bus Hound抓包得到的結(jié)果，就可以對(duì)FTPC設(shè)備中的Hub執(zhí)行相應(yīng)的操作了，如進(jìn)入綁定狀態(tài)，讀取綁定結(jié)果，讀取接收到的消息等。節(jié)點(diǎn)綁定成功之后，即可查看實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集情況，包括數(shù)據(jù)采集的時(shí)間和滑塊位置值等，如圖4所示。
結(jié) 語(yǔ)
CyFi的出現(xiàn)使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)單的代碼，就能輕松地完成復(fù)雜的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的設(shè)計(jì)與開發(fā)。同時(shí)，入門套件的Hub設(shè)備模擬成標(biāo)準(zhǔn)的HID設(shè)備，也使PC機(jī)上應(yīng)用程序的開發(fā)變得輕而易舉。
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