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)測系統(tǒng)：指通過對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：

　　對于每個(gè)建筑或者相對獨(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請求來啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的請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)的請求，入網(wǎng)請求將以MLME請求的方式發(fā)送到codinator.當(dāng)請求到達(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)請求，并接收PAN Co-ordinator的信標(biāo)請求回應(yīng)。需要掃描的通道和速率將在config.h中定義。掃描請求的初始化和發(fā)送的工作可以通過MLME請求的方式通過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)請求，這一請求將通過MLME請求的方式提交。

　　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，用簡單的結(jié)構(gòu)詮釋了“簡單就是可靠”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)載請注明出處，違者必究！