多個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡遠程監(jiān)控的實現(xiàn)

　　4.2. 與數(shù)據(jù)采集節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳遞

　　網(wǎng)關節(jié)點作為Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡與IP網(wǎng)絡的連接點，除了要與上一層的消息代理進行數(shù)據(jù)傳遞，還要與Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)采集節(jié)點間進行數(shù)據(jù)傳遞，獲得原始的監(jiān)測數(shù)據(jù)和向數(shù)據(jù)采集節(jié)點傳遞設置參數(shù)。

　　4.2.1. 網(wǎng)關節(jié)點的硬件結構

　　網(wǎng)關節(jié)點的硬件結構如圖2所示。主要分成兩大部分：系統(tǒng)運行的硬件平臺和IEEE802.15.4無線通信模塊。

圖2 網(wǎng)關節(jié)點的硬件結構

　　CPU選用AMD的 Au1550。它是一款多功能、高性能、低功耗、高集成度的網(wǎng)絡安全處理器。

　　無線通信模塊采用飛思卡爾的MC13192。它實現(xiàn)了IEEE802.15.4物理層的數(shù)據(jù)傳輸，可以自動完成數(shù)據(jù)的校驗和封裝。

　　Au1550與MC13192通過3線SPI接口、一個片選線和一個中斷請求線相連，完成數(shù)據(jù)傳輸和控制。

　　4.2.2. 網(wǎng)關節(jié)點的軟件設計

圖3 網(wǎng)關節(jié)點軟件系統(tǒng)的結構

　　根據(jù)網(wǎng)關節(jié)點的功能，軟件系統(tǒng)主要完成兩個功能，一是負責網(wǎng)絡的建立和維護、匯集監(jiān)測網(wǎng)絡中的監(jiān)測數(shù)據(jù)、向數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送設置參數(shù)。這一部分為實時部分，由內核模塊實現(xiàn)，運行于內核態(tài)；二是與遠程的消息代理之間的消息傳遞、原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的預處理。這部分為非實時部分運行于用戶空間。

　　當MC13192接收到IEEE802.15.4物理層的數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生中斷請求觸發(fā)數(shù)據(jù)處理任務讀取，校驗正確后寫入FIFO中，用戶空間的應用程序則定時讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，然后將原始數(shù)據(jù)形成文本格式的消息發(fā)送給消息代理。

　　當用戶空間的應用程序收到消息代理發(fā)來的控制消息后，轉換成控制命令字寫入FIFO中，內核模塊中FIFO讀取任務則定時讀取FIFO的控制命令，形成MAC層的幀格式，通過SPI傳遞給MC13192。

　　一、Au1550與MC13192間的數(shù)據(jù)傳輸

　　MC13192與Au1550之間通過SPI進行數(shù)據(jù)傳輸。將SPI的通信模式設為主從方式，Au1550為主機，MC13192為從設備。數(shù)據(jù)的傳輸完全由主機Au1550通過片選信號控制完成。

　　SPI數(shù)據(jù)幀由幀頭和數(shù)據(jù)組成。幀頭為8位，第一位為讀寫標志位，R/W=1表示讀操作(從到主)，R/W=0表示寫操作(主到從)。低六位表示MC13192中寄存器的地址。

　　MC13192設置成包傳輸模式，它就會將接收到的主機數(shù)據(jù)暫存到發(fā)送RAM中，當接收完成后再以包的形式發(fā)送出去。同樣，收到IEEE802.15.4數(shù)據(jù)幀后，存儲到接收RAM中，確定數(shù)據(jù)幀的長度、進行校驗和和鏈路質量的計算，數(shù)據(jù)校驗正確后向主機發(fā)出中斷請求，請求主機將數(shù)據(jù)讀走。

　　二、實時任務與非實時應用間的數(shù)據(jù)傳輸

　　實時任務與非實時應用間采用FIFO進行數(shù)據(jù)傳遞。每一個FIFO都是在一個方向上傳送數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)實時任務與非實時應用間的雙向傳輸，需要建立兩個FIFO。一個FIFO用于實時任務向非實時應用發(fā)送原始監(jiān)控數(shù)據(jù)，一個FIFO用于接收非實時應用的控制命令。

　　在實時任務一側，不管FIFO狀態(tài)是什么，任何讀寫入操作都是非阻塞的。因此，讀寫后都立即返回。在內核模塊中FIFO通過rtf_create()來創(chuàng)建，rtf_put()向FIFO寫數(shù)據(jù), rtf_get()從FIFO讀數(shù)據(jù)。FIFO的讀過程由一個周期性的實時線程完成。

　　從應用程序一側來看，F(xiàn)IFO就像一個常規(guī)文件。因此，調用文件打開函數(shù)來獲得相關FIFO的指針，獲得指針后通過讀寫函數(shù)實現(xiàn)對FIFO的讀寫操作。數(shù)據(jù)的讀操作也由專門的線程用輪詢方式完成，數(shù)據(jù)的發(fā)送操作則直接用函數(shù)調用方式。

　　5. 結束語

　　本文給出基于中間件技術的分層體系結構，實現(xiàn)對多個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡的集中管理的方法，并給出了數(shù)據(jù)傳遞、網(wǎng)關節(jié)點等關鍵技術的具體實現(xiàn)。這種方式有效地解決了星型拓撲結構Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡監(jiān)測范圍受限的問題。通過增加監(jiān)測網(wǎng)絡的個數(shù)來擴大監(jiān)測范圍或多點分布式監(jiān)測，而且還不會影響到管理應用。

　　本文的創(chuàng)新點：利用基于中間件技術的分層體系結構，實現(xiàn)了對多個Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡的集中管理，有效地解決了星型拓撲結構Zigbee監(jiān)測網(wǎng)絡監(jiān)測范圍受限的問題。星形拓撲結構具有結構簡單、易于部署的特點，而且節(jié)點間不需要路由，可以有效節(jié)省節(jié)點的能耗。增加監(jiān)測網(wǎng)絡的個數(shù)可以擴大監(jiān)測范圍，但存在對多個監(jiān)測網(wǎng)絡集中管理的問題?！?/p>

　　參考文獻

　　[1] Motorola.MC13192/MC13193 Reference Manual

　　[2] LAN-MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), IEEE, 2003

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