網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) - 組建SMAC協(xié)議構(gòu)架的ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)

　　3? 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1? SMAC協(xié)議包簡(jiǎn)介

　　Freescale公司提供足夠的軟件支持MC13192硬件，SMAC是MC13192射頻模塊產(chǎn)品隨機(jī)附帶的軟件協(xié)議包，用于簡(jiǎn)單的個(gè)人無(wú)線連接。SMAC協(xié)議包源程序是C語(yǔ)言，該協(xié)議包可以應(yīng)用在基于MC13192集成電路的RF收發(fā)器中。協(xié)議包包含一個(gè)SMAC應(yīng)用模版以及幾個(gè)應(yīng)用示例程序（Wireless UART、Packet Error Rate等），可以直接應(yīng)用于Freescale公司的2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器*估板（MC13192EVB）。SMAC協(xié)議包雖是建立于HCS08系列的MCU和其串行接口SPI組成的硬件電路，但是具有很好的可移植性，能夠移植到大多數(shù)處理器內(nèi)核中使用。

　　3.2? 軟件設(shè)計(jì)構(gòu)架

　　當(dāng)MC13192射頻模塊搭配了適合的MCU時(shí)，用戶首先要在SMAC協(xié)議包的基礎(chǔ)上弄明白收發(fā)器各個(gè)工作狀態(tài)的基本特征，以及各個(gè)工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制。然后更改SMAC協(xié)議包中硬件接口部分的程序，在主程序中調(diào)用相應(yīng)功能服務(wù)函數(shù)進(jìn)行組合。整個(gè)SMAC協(xié)議構(gòu)架采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換的思想，清楚地將MC13192收發(fā)器的休眠、睡眠、空閑、發(fā)送、接收等狀態(tài)抽象并分解出來(lái)，收發(fā)器對(duì)接收到數(shù)據(jù)的有效信息的相應(yīng)字段進(jìn)行判斷之后，依據(jù)協(xié)議改變收發(fā)器的工作狀態(tài)。

　　SMAC協(xié)議包是不包含ZigBee規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)層的，也就是說(shuō)該協(xié)議包中不具有組網(wǎng)通信、節(jié)點(diǎn)自主加入的功能程序，使用SMAC協(xié)議包只能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線模塊之間進(jìn)行無(wú)目的的廣播方式的無(wú)線通信。要使用MC13192收發(fā)器組建一個(gè)有效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并且能夠與其他的ZigBee產(chǎn)品相兼容，軟件設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格遵守IEEE 802.15.4協(xié)議，在SMAC協(xié)議包構(gòu)架的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展。本文成功實(shí)現(xiàn)了非超幀結(jié)構(gòu)的星形網(wǎng)絡(luò)，具體軟件流程如圖4所示。

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　　3.3? 組網(wǎng)的基本過(guò)程

　　PAN協(xié)調(diào)器選定創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的信道后，首先要初始化網(wǎng)絡(luò)的各種屬性，建立協(xié)調(diào)器的PAN信息數(shù)據(jù)庫(kù)，分配網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)和16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，設(shè)定允許設(shè)備入網(wǎng)機(jī)制并初始化設(shè)備近鄰表，然后進(jìn)入接收模式等待其他節(jié)點(diǎn)加入。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上電后，也要初始化內(nèi)部資源并建立其自身節(jié)點(diǎn)的PAN信息數(shù)據(jù)庫(kù)之后，發(fā)送掃描信號(hào)進(jìn)而準(zhǔn)備通過(guò)MAC層關(guān)聯(lián)過(guò)程加入網(wǎng)絡(luò)。

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)先以廣播方式發(fā)送一個(gè)掃描信號(hào)，查看當(dāng)前信道是否存在PAN。協(xié)調(diào)器收到廣播信號(hào)后會(huì)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)若沒(méi)有收到確認(rèn)幀就代表當(dāng)前信道還沒(méi)有協(xié)調(diào)器，則繼續(xù)處于接收模式，等待協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)后直接將其加入網(wǎng)絡(luò)；若收到確認(rèn)幀，即存在PAN，該節(jié)點(diǎn)就可以嘗試加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)首先向PAN協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求命令，收到協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀后，根據(jù)信標(biāo)幀更新自身節(jié)點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的PAN標(biāo)識(shí)等相關(guān)屬性，并判斷當(dāng)前PAN協(xié)調(diào)器是否未飽和以及是否允許設(shè)備入網(wǎng)。若協(xié)調(diào)器允許設(shè)備入網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就要向協(xié)調(diào)器發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令，嘗試通過(guò)關(guān)聯(lián)方式加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器收到后把該節(jié)點(diǎn)信息（如64位擴(kuò)展地址等）寫(xiě)入設(shè)備近鄰表并向該節(jié)點(diǎn)分配16位的網(wǎng)絡(luò)短地址。該節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器的關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令后，把短地址寫(xiě)入其數(shù)據(jù)信息庫(kù)，即成功入網(wǎng)。然后網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照功能設(shè)定使用此短地址向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般為電池供電，在空閑狀態(tài)時(shí)就會(huì)進(jìn)入休眠節(jié)能狀態(tài)。外圍電路的控制主要是針對(duì)傳感器、開(kāi)關(guān)、LED等器件的控制，可隨時(shí)根據(jù)不同需求對(duì)軟件進(jìn)行相應(yīng)修改。

　　3.4? 調(diào)試及運(yùn)行

　　MC13192包括4種主動(dòng)模式：空閑模式、TX模式、RX模式和CCA/能量檢測(cè)模式?？臻e模式是退出低功耗模式后的缺省模式，每次各個(gè)模式間轉(zhuǎn)換的起點(diǎn)必須是空閑模式，從該模式起才能轉(zhuǎn)化到其他主動(dòng)模式。

　　MC13192發(fā)送片上事件給主控MCU通過(guò)中斷（IRQ）來(lái)完成，作為主機(jī)的外部中斷源，主機(jī)通過(guò)讀MC13192的中斷標(biāo)志寄存器IRQ_status的相應(yīng)標(biāo)志位來(lái)判別各個(gè)片上事件的發(fā)生。然而IRQ的中斷優(yōu)先級(jí)在MCU中僅次于復(fù)位信號(hào)，比計(jì)數(shù)器中斷、鍵盤(pán)中斷等優(yōu)先級(jí)都要高，因此當(dāng)程序中涉及其他中斷時(shí),用戶須先屏蔽MCU的外部中斷源（IRQ），再單獨(dú)打開(kāi)要使用的中斷源。

　　4? 應(yīng)用

　　目前，本設(shè)計(jì)已被應(yīng)用于某紡織車間線路改造的項(xiàng)目中。該車間有200臺(tái)紡機(jī)，每臺(tái)紡機(jī)獨(dú)立工作?，F(xiàn)在工廠要對(duì)車間實(shí)行統(tǒng)一控制，需要在每臺(tái)紡機(jī)上安裝.，把紡機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳給中央控制器。中央控制器通過(guò)控制每臺(tái)紡機(jī)的停車狀態(tài)、車速、打緯次數(shù)、加時(shí)產(chǎn)量等信息，進(jìn)而控制整個(gè)車間的運(yùn)行狀態(tài)。這樣既可提高車間的生產(chǎn)效率，又使車間易于管理。若采用CAN總線等有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，由于車間各臺(tái)紡機(jī)布線通道已經(jīng)固定，且車間的空間較小，這些因素給車間的線路設(shè)計(jì)造成了不便，而且走線的過(guò)于密*給車間增加安全隱患。

　　ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的引入，解決了該車間布局下的多臺(tái)設(shè)備之間不易走線的問(wèn)題。中央控制器相當(dāng)于PAN協(xié)調(diào)器，而每臺(tái)紡機(jī)的.相當(dāng)于終端設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)中只有這兩種角色，不需要增加PAN協(xié)調(diào)器。每臺(tái)紡機(jī)每0.5 s上傳一次數(shù)據(jù)，而且最遠(yuǎn)的紡機(jī)距離區(qū)域控制器也在80 m之內(nèi)，這些因素ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)都能夠滿足。網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)答機(jī)制和數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制能夠保證紡機(jī)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗極低。測(cè)試表明，MC13192工作在停止、休眠、睡眠、空閑各模式時(shí)的工作電流依次為0.2 μA、1 μA、35 μA、200 μA。采用了低功耗的ZigBee無(wú)線技術(shù)之后，車間節(jié)約了大量成本。

　　5? 結(jié)論

　　本文利用Freescale公司的8位微處理器MC9S08GT60和射頻模塊MC13192在硬件上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)協(xié)議包SMAC進(jìn)行分析，在原有協(xié)議框架的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，在軟件上實(shí)現(xiàn)了ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)的組建。該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)入網(wǎng)、網(wǎng)間可靠通信等功能，并且成功應(yīng)用于紡織車間線路改造的項(xiàng)目中。

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