蔡伯峰,王宜懷

(1.蘇州大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘇州215006;2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

WSCN節(jié)點開發(fā)與測試平臺的研制*

蔡伯峰1,2,王宜懷1

(1.蘇州大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘇州215006;2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

針對無線傳感器控制網(wǎng)絡(luò)(WSCN)應(yīng)用開發(fā)難度大、周期長等現(xiàn)狀,根據(jù)軟件工程和構(gòu)件設(shè)計的基本理論,提出一種基于KW01-ZigBee的通用WSCN節(jié)點開發(fā)與測試平臺。通過平臺硬件架構(gòu)、硬軟件構(gòu)件、構(gòu)件化工程框架、測試樣例工程等關(guān)鍵要素的設(shè)計與應(yīng)用完成了整個研制過程。該平臺架構(gòu)清晰、開發(fā)套件齊全、對外接口豐富、驅(qū)動構(gòu)件完備、測試樣例工程設(shè)計科學(xué)。芯片溫度采集工程設(shè)計及平臺實際應(yīng)用的結(jié)果表明,使用平臺開發(fā)WSCN節(jié)點工程方便快捷,能有效降低應(yīng)用開發(fā)難度,提高開發(fā)效率。

開發(fā)與測試平臺;KW01-ZigBee;WSCN節(jié)點

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由若干具有感知周圍環(huán)境信息的具有信息采集、處理和傳輸?shù)裙δ艿臒o線傳感器節(jié)點(WSN節(jié)點),以自組網(wǎng)、多跳路由方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器控制網(wǎng)絡(luò)(WSCN)也是一種WSN,但其節(jié)點還具有控制功能,即控制其連接的終端設(shè)備。

隨著嵌入式軟硬件、傳感器、無線通信及芯片制造技術(shù)的飛速發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已相對成熟,作為其核心的WSCN已滲入家居、醫(yī)療、航空等各種應(yīng)用領(lǐng)域。但WSCN是以MCU為基礎(chǔ),涉及到組網(wǎng)方案設(shè)計、節(jié)點架構(gòu)、底層硬件構(gòu)件設(shè)計、射頻通信電路設(shè)計、底層驅(qū)動構(gòu)件設(shè)計、通信協(xié)議、應(yīng)用程序編程、操作系統(tǒng)融入、可重用性和可移植性等眾多知識和技術(shù),具有較高的技術(shù)門檻,這導(dǎo)致WSCN應(yīng)用開發(fā)難度大、周期長,開發(fā)的產(chǎn)品可維護性和可移植性差等問題。如果能研制一款架構(gòu)清晰、對外引出所有接口、驅(qū)動構(gòu)件完備的通用的WSCN節(jié)點開發(fā)與測試平臺,那么將會對WSCN應(yīng)用開發(fā)提供極大的便利,將會降低開發(fā)難度、提高開發(fā)效率、縮短開發(fā)周期,也能提高產(chǎn)品的可維護性和可移植性。

基于以上原因,有一些相關(guān)研究,如王平[1]等研究了物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的設(shè)計與實現(xiàn),張亞[2]等研究了氣象無線傳感網(wǎng)觀測節(jié)點設(shè)計,范寧寧[3]等研究遠程測控系統(tǒng)框架,石晶[4]等設(shè)計MQX下中斷程序開發(fā)平臺。但這些研究針對的是嵌入式應(yīng)用開發(fā)的特定方面,如硬件平臺、氣象節(jié)點開發(fā)平臺、使用構(gòu)件組裝系統(tǒng)和中斷程序開發(fā)平臺等,沒有從軟硬件整體架構(gòu)角度考慮,適用范圍有限,通用性不夠強,實用性一般。

為此,本文研制了一種能用于教學(xué)、實驗和產(chǎn)品開發(fā)的通用實用的WSCN節(jié)點開發(fā)與測試平臺。根據(jù)軟件工程對構(gòu)件設(shè)計的基本要求,通過將MCU的硬件最小系統(tǒng)、MCU提供的對外接口、硬件模塊驅(qū)動等封裝成構(gòu)件,使得終端用戶通過直接使用構(gòu)件就可享用MCU提供的服務(wù);通過給出完備的驅(qū)動構(gòu)件、固定的文件名和內(nèi)容及可修改文件的內(nèi)容模板、工程框架應(yīng)用方法步驟、帶有一定功能的通信協(xié)議,在此基礎(chǔ)上,終端用戶只要根據(jù)模板修改文件內(nèi)容并增加一些任務(wù)內(nèi)容,就能完成WSCN節(jié)點開發(fā)。同時,通過帶有多個測試樣例工程的測試平臺就能完成節(jié)點的測試。

本文從開發(fā)板及硬軟件構(gòu)件設(shè)計使用、構(gòu)件化工程框架設(shè)計與應(yīng)用、測試樣例工程設(shè)計等方面進行闡述。

1 總體設(shè)計

1.1 WSCN開發(fā)平臺

WSCN節(jié)點是以MCU為核心,通過MCU、外設(shè)模塊、MCU方程序等軟硬件的協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)節(jié)點的信息采集、處理、傳輸和控制等功能。本文研制的開發(fā)平臺用于開發(fā)WSCN節(jié)點應(yīng)用工程,通過Kinetis Design Studio(KDS)等嵌入式集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)MCU方應(yīng)用程序。開發(fā)平臺采用如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu),由硬件平臺層和MCU方工程框架組成。MCU采用飛思卡爾公司的Sub-GHz芯片KW01[5],集成了基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核微控制器KL26與SX1231-RF射頻模塊[6],性價比較高。

圖1 WSCN節(jié)點開發(fā)平臺系統(tǒng)架構(gòu)

硬件平臺層是由KW01-ZigBee開發(fā)板、下載程序到MCU的SWD寫入器等組成的開發(fā)套件,如圖2所示。

MCU方工程框架采用由硬件抽象層、軟件構(gòu)件層和應(yīng)用層組成的三層邏輯架構(gòu)。硬件抽象層包含的文件用于芯片上電復(fù)位啟動和編譯鏈接。軟件構(gòu)件層包括底層驅(qū)動構(gòu)件、應(yīng)用構(gòu)件和高層構(gòu)件。底層驅(qū)動構(gòu)件是MCU硬件驅(qū)動程序的封裝;應(yīng)用構(gòu)件指調(diào)用底層驅(qū)動構(gòu)件和高層構(gòu)件完成特定功能的構(gòu)件,如light、電機開關(guān)構(gòu)件等;高層構(gòu)件是指與MCU無關(guān)的軟件構(gòu)件,如排序、鏈表等。應(yīng)用層的用戶代碼包括用戶任務(wù)、主程序、中斷服務(wù)例程(ISR)。工程框架中融入MQXLite實時操作系統(tǒng)(RTOS)是為便于開發(fā)功能復(fù)雜的WSCN應(yīng)用工程, MQXLite是MQX的簡化版,可管理、調(diào)度、處理多任務(wù),可實現(xiàn)MQX的大部分功能[7],能滿足一般的應(yīng)用工程開發(fā)需要,當(dāng)應(yīng)用工程不使用RTOS時無需包含MQXLite相關(guān)文件。

圖2 KW01-ZigBee開發(fā)套件

1.2 WSCN測試平臺

WSCN測試平臺用于測試WSCN節(jié)點應(yīng)用工程,測試平臺硬件架構(gòu)如圖3所示,由待測WSCN節(jié)點、PC節(jié)點(測試輔助節(jié)點)、PC機組成。待測節(jié)點與PC節(jié)點通過射頻(RF)通信,PC節(jié)點通過USB-TTL串口線與PC機相連。PC節(jié)點與待測節(jié)點采用相同的開發(fā)板和工程框架。測試平臺設(shè)計了多個測試樣例工程以測試待測節(jié)點的基本功能。

圖3 WSCN節(jié)點測試平臺硬件架構(gòu)

2 WSCN節(jié)點開發(fā)平臺的研制

開發(fā)平臺中的開發(fā)板是WSCN應(yīng)用工程測試、運行的載體,也用于組網(wǎng)實驗、科研等,MCU方工程框架用于為應(yīng)用程序開發(fā)提供工程模板,以降低開發(fā)難度、提高開發(fā)效率。

2.1 KW01-ZigBee開發(fā)板組成

開發(fā)板是節(jié)點功能實現(xiàn)的基礎(chǔ),是MCU方程序運行的載體。一個設(shè)計良好的開發(fā)板應(yīng)該架構(gòu)清晰,使用維護方便,有利于應(yīng)用工程開發(fā)。KW01-ZigBee開發(fā)板由MCU及其外圍電路、RF前端電路、電源電路、小燈電路等模塊和各種接口組成,而MCU又由KL26(含Cortex-M0+內(nèi)核、各種硬件功能模塊如GPIO、UART、SPI、ADC、定時器、TSI、SPI、I4C等)和RF收發(fā)器組成。MCU 有128 KB Flash、16 KB RAM,具有無線電性能高傳輸距離遠、數(shù)據(jù)傳輸速率快、處理能力強、超低功耗、適合野外工作等特點。

2.2 硬件構(gòu)件設(shè)計

構(gòu)件設(shè)計與使用是提高軟、硬件設(shè)計可重用性和可移植性的基礎(chǔ)和保障[8],直接使用構(gòu)件“組裝”系統(tǒng)能有效提高開發(fā)效率。在KW01-ZigBee開發(fā)板研制時,將各個電路模塊設(shè)計成獨立的硬件構(gòu)件并提供了功能明確的接口。

硬件最小系統(tǒng)構(gòu)件由MCU方程序運行所必須的最低規(guī)模的外圍電路組成,包括電源及其濾波電路、晶振電路、復(fù)位電路。RF前端電路構(gòu)件由選頻電路和濾波通路組成,用于連接KW01的射頻引腳RFIO(RF)和天線。小燈電路構(gòu)件由小燈和電阻組成,用于指示程序運行情況。

KW01 MCU共有60個引腳,除硬件最小系統(tǒng)本身使用的引腳外,將MCU的其他輸入輸出引腳封裝成各種構(gòu)件,如SWD寫入器接口、UART接口、對外接口等。對外接口構(gòu)件及其各個引腳默認功能如圖4所示,實驗、科研、開發(fā)時可直接使用默認功能,或根據(jù)表1選擇合適的引腳并按照KW01技術(shù)參考手冊[6]上的功能復(fù)用表進行引腳功能復(fù)用。

表1 開發(fā)板對外接口構(gòu)件引腳功能歸類

工程開發(fā)時,將傳感器等外設(shè)模塊直接連接到相關(guān)接口構(gòu)件上,根據(jù)需要復(fù)用引腳功能,能極大提高開發(fā)效率。

圖4 KW01-Zigbee開發(fā)板對外接口構(gòu)件

2.3 底層驅(qū)動構(gòu)件設(shè)計

編程時對MCU硬件模塊的操作是通過相應(yīng)的驅(qū)動程序進行的。為便于重用、移植和降低應(yīng)用開發(fā)難度,硬件模塊驅(qū)動程序必須封裝成底層驅(qū)動構(gòu)件,供用戶直接調(diào)用。

以KW01的RF模塊為例,由于它具有初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、能量檢測等基本操作,按照構(gòu)件思想,可將它們封裝成獨立的功能函數(shù),但從實際使用出發(fā),還需封裝初始化參數(shù)設(shè)置、采用CSMA/CA機制發(fā)送數(shù)據(jù)、通道號設(shè)置等函數(shù)。由于對RF模塊的編程已涉及到對硬件底層寄存器操作,故可將這些函數(shù)存放在以構(gòu)件名命名的rf.c文件中,并按照構(gòu)件設(shè)計原則封裝,同時配以rf.h頭文件,以聲明函數(shù)原型及RF模塊基本信息如底層寄存器映射等。

頭文件是構(gòu)件操作指南,尤其是要充分設(shè)計好函數(shù)原型并給出詳細注釋,方便用戶使用。以RF發(fā)送數(shù)據(jù)幀函數(shù)為例,其功能是將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)組幀后發(fā)出去,故需提供緩沖區(qū)地址和數(shù)據(jù)長度,以及硬件過濾地址(是當(dāng)前工程中統(tǒng)一設(shè)置的節(jié)點硬件地址,據(jù)此過濾其他工程發(fā)送的數(shù)據(jù)包),這樣函數(shù)原型設(shè)計為:

按照RF_Send Data()設(shè)計方法設(shè)計的所有的RF驅(qū)動程序函數(shù)原型見表2,其余構(gòu)件類似。編程時,先通過#include語句包含驅(qū)動函數(shù)所在構(gòu)件的頭文件,再提供驅(qū)動函數(shù)的出入口參數(shù)值,就可方便調(diào)用驅(qū)動函數(shù)。

表2 KW01的RF構(gòu)件驅(qū)動程序函數(shù)原型

2.4 MCU方構(gòu)件化工程框架設(shè)計與應(yīng)用

2.4.1 構(gòu)件化工程框架的設(shè)計與RF收發(fā)功能

根據(jù)軟件工程對工程框架必須滿足結(jié)構(gòu)清晰、文件安排合理,具有可移植和易修改的要求,以及構(gòu)件設(shè)計基本理論和三層邏輯架構(gòu)(見圖1)的設(shè)計思想,設(shè)計融入了MQXLite的構(gòu)件化工程框架AMQXFW(All-In-One MQX FrameWork)如圖5所示,本課題組的蔣建武[9]等已在“MQX-RTOS與NOS統(tǒng)一的工程框架構(gòu)建與應(yīng)用研究”一文對AMQXFW的設(shè)計過程做了詳細介紹,此處不再贅述。

圖5 工程框架及其文件文件夾說明

AMQXFW共包含12個文件夾,個數(shù)和名稱固定,其中09_MQXLiteapp是用戶編程的主要目錄。由于RF收發(fā)是WSCN節(jié)點基本功能,故在AMQXFW中包含實現(xiàn)RF收發(fā)功能的程序,包括中斷服務(wù)例程isr.c、RF發(fā)送task_rf_send.c、RF接收task_rf_recv.c,以及用于任務(wù)定義、登記、創(chuàng)建的01_app_include.h、02_task_templates.c、03_task_main.c等3個內(nèi)容布局固定的文件模板。

RF收發(fā)功能工作流程如圖6所示,當(dāng)PTC4引腳收到一幀數(shù)據(jù)時產(chǎn)生RF中斷,調(diào)用ISR進行中斷處理[10],即從數(shù)據(jù)接收隊列取出數(shù)據(jù),并根據(jù)與RF接收任務(wù)對應(yīng)的事件置相應(yīng)的事件位(#define EVENT_RF_RECV ((1uL)<<(1))以啟動RF接收任務(wù)task_rf_rev;在task_rf_ rev任務(wù)中,解析幀命令字節(jié),如果要立即通過RF回發(fā)數(shù)據(jù),則先組幀,再置RF發(fā)送事件位以啟動RF發(fā)送任務(wù)task_rf_send,否則可通過自定義任務(wù)進行;在task_rf_ send任務(wù)中,通過調(diào)用RF構(gòu)件的RFSendDataByCSMACA()函數(shù)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。其中,數(shù)據(jù)幀按照自行設(shè)計的實現(xiàn)難度低的SD-ZigBee通信協(xié)議要求設(shè)計,格式見表3。

表3 數(shù)據(jù)幀格式

2.4.2 使用AMQXFW開發(fā)應(yīng)用工程

開發(fā)WSCN節(jié)點應(yīng)用工程可直接使用AMQXFW,工作流程如圖7所示,如果實際工程功能較簡單,可以通過直接修改AMQXFW提供的各個任務(wù)、ISR等文件模板以完成節(jié)點開發(fā);如果功能較復(fù)雜,也只需添加新的ISR和任務(wù)文件及相關(guān)代碼,并按照3個內(nèi)容布局固定的文件模板定義任務(wù)號、事件、任務(wù)棧、登記任務(wù)、創(chuàng)建任務(wù)、注冊ISR,就可完成節(jié)點開發(fā)。

以芯片溫度采集工程為例,該工程可通過直接修改AMQXFW的task_rf_rev.c文件完成,即將圖6中“回發(fā)數(shù)據(jù)組幀”一節(jié)的代碼修改為:

圖6 RF收發(fā)功能工作流程

圖7 應(yīng)用工程開發(fā)工作流程

如果要通過添加新任務(wù)的方式完成芯片溫度采集工程開發(fā),那么可在09_MQXLiteapp中添加芯片溫度采集任務(wù)文件task_temp_ad.c,其采集溫度與組幀的代碼類似于“回發(fā)數(shù)據(jù)組幀”的代碼,但需在代碼最后啟動task_rf_ send任務(wù),再在task_rf_rev.c中置芯片溫度采集任務(wù)事件位(定義為:#define EVENT_TEMP_AD((1u L)<< (3)))以啟動task_temp_ad任務(wù)。其余步驟只需按照3個內(nèi)容布局固定的文件模板進行,就可方便快捷地完成節(jié)點應(yīng)用工程開發(fā)。

3 WSCN節(jié)點測試平臺的研制

WSCN節(jié)點開發(fā)完成后必須通過測試平臺測試以確保其功能正常。通常,測試不可能在真實環(huán)境下進行,會影響現(xiàn)行無線網(wǎng)絡(luò)正常運行,況且也很難對問題原因準(zhǔn)確定位。

3.1 測試平臺硬件架構(gòu)

為了盡量模擬真實環(huán)境,保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性,除待測WSCN節(jié)點外,還需另一個能與其進行RF通信的測試輔助節(jié)點,以便測試待測節(jié)點的RF無線收發(fā)等功能,本文將該節(jié)點稱為PC節(jié)點,它采用與WSCN節(jié)點相同的架構(gòu)。同時,為了下發(fā)測試數(shù)據(jù)包和測試命令、顯示測試結(jié)果等,還需要上位機——PC機。PC節(jié)點與PC機串行通信,PC節(jié)點的功能是RF轉(zhuǎn)發(fā)來自PC機的命令或數(shù)據(jù)包、將RF接收的來自待測節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給PC機。

3.2 測試樣例工程設(shè)計

由于各待測節(jié)點都具有信息采集、處理、節(jié)點參數(shù)設(shè)置、RF收發(fā)和控制等共性功能,為全面測試其是否正常,按照4層架構(gòu)思路設(shè)計4個通用的樣例工程:①硬件層測試:PC節(jié)點檢測并測試待測節(jié)點基本的RF通信功能。②功能層測試:測試Flash讀寫、串口、A/D、GPIO等硬件功能。③協(xié)議層測試:測試數(shù)據(jù)包收發(fā)情況。④應(yīng)用層測試:測試物理量采集情況(物理量封裝到幀的填充數(shù)據(jù)中)。由于各個樣例工程測試的內(nèi)容明確,所以既能保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性,又能快速定位問題的原因,同時也方便了WSCN節(jié)點的開發(fā)。

各個樣例工程均包含待測節(jié)點和PC節(jié)點MCU程序、PC端測試界面程序,通過這些程序的協(xié)同工作完成測試任務(wù),比如樣例工程4的整體執(zhí)行流程如圖8所示,測試界面如圖9所示。

圖8 樣例工程4整體執(zhí)行流程

圖9 物理量采集測試界面

因PC節(jié)點的功能是雙向轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,故對4個樣例工程而言其設(shè)計均一樣,采用的硬件架構(gòu)和WSCN節(jié)點相同,為此可采用與WSCN節(jié)點相同的工程框架和開發(fā)方法開發(fā)MCU程序,其硬件連接為:運行指示燈連接于開發(fā)板對外接口構(gòu)件的JP_Left-14,由KW01的PTD7控制、低電平燈亮。

串口0連接于UART0,由PTA1、PTA2作為收、發(fā)引腳。各樣例工程中待測節(jié)點的MCU程序開發(fā)方法也與PC節(jié)點相同。由于PC端測試程序的功能是通過串口下發(fā)數(shù)據(jù)包(包含了測試命令)、顯示測試結(jié)果,因此可借助于C#的SerialPort控件收發(fā)數(shù)據(jù)包、通過窗體界面顯示結(jié)果,通過VS2013 C#完成窗體程序開發(fā)。

結(jié) 語

本文針對WSCN應(yīng)用開發(fā)現(xiàn)狀,研制了一款基于KW01-ZigBee的通用WSCN節(jié)點開發(fā)與測試平臺,先通過開發(fā)平臺開發(fā)節(jié)點工程,再通過配套的測試平臺對其測試。重點介紹了平臺的硬件架構(gòu)、硬件和軟件構(gòu)件設(shè)計與使用、AMQXFW工程框架模板的設(shè)計與應(yīng)用、測試樣例工程的設(shè)計。

目前該平臺已用于水質(zhì)監(jiān)測、舞臺燈光控制等多個系統(tǒng)的WSCN節(jié)點應(yīng)用工程開發(fā)中,應(yīng)用結(jié)果表明,平臺能有效降低開發(fā)技術(shù)難度和成本,縮短開發(fā)周期,提高開發(fā)效率60%以上。此外,本平臺還用于蘇大、泰職院等校物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)的實驗教學(xué)中,師生反響良好。本文提出的研制方法對同類平臺的設(shè)計具有很好的借鑒意義。

[1]王平,彭杰,嚴冬.780 MHz物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,24(2): 153-158.

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[3]范寧寧,王宜懷,陳瑞杰.基于WSCN與E-Ethernet相結(jié)合的遠程測控系統(tǒng)框架研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2016,39(2): 53-57,61..

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蔡伯峰(副教授),研究方向為嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、軟件開發(fā)等;王宜懷(教授),研究方向為嵌入式系統(tǒng)、傳感網(wǎng)與智能控制等。

Design of Development and Test Platform for WSCN Node

Cai Bofeng1,2,Wang Yihuai1

(1.School of Computer Science and Technology,Soochow University,Suzhou 215006,China; 2.Taizhou Vocational and Technical College)

Aiming at the questions of the wireless sensor network(WSCN)such as the development is difficult and the cycle is long,a development and test platform of WSCN node based on KW01-ZigBee is designed according to the basic theory of software engineering and component design.Through the design and application of hardware architecture,hardware and software components,component-based engineering framework and test sample projects,the entire design process is finished.The platform has clear structure,rich external interfaces,complete driving components,scientific test sample projects.The experimental results show that using the platform to develop application is easy,and it can effectively reduce the difficulty of development,and improve the efficiency of the development.

development and test platform;KW01-ZigBee;WSCN node

TP311

A

國家自然科學(xué)基金(61070169)資助,江蘇省高等職業(yè)院校國內(nèi)高級訪問學(xué)者計劃資助項目(2015FX078)資助。

(責(zé)任編輯:楊迪娜2016-05-12)