以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)在節能計量系統中的設計

　　作者：北京博控自動(dòng)化技術(shù)有限公司技術(shù)總監 劉楷
　　背 景

　　能耗監測系統：指通過(guò)對建筑和大型公共建筑安裝分類(lèi)和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸等手段及時(shí)采集能耗數據，實(shí)現重點(diǎn)建筑能耗的在線(xiàn)監測和動(dòng)態(tài)分析功能的硬件系統和軟件系統的統稱(chēng)。

　　能耗監控的技術(shù)核心在于能耗優(yōu)化，而優(yōu)化的前提是準確的能耗計量以及優(yōu)化過(guò)程中能耗的計量。這樣由傳統意義上的“抄表”這樣簡(jiǎn)單的數據集中演變成了“在線(xiàn)數據匯總與控制”，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。第三要求網(wǎng)絡(luò )能容納足夠的節點(diǎn)。

　　下圖就是一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò )示意圖：

　　對于每個(gè)建筑或者相對獨立的WPAN內部可以使用無(wú)線(xiàn)、PLC或者以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)混合組網(wǎng)方式。WPAN內部的結構如下圖所示：

　　圖中采集節點(diǎn)隨著(zhù)能耗采集和控制方式演變也有多種形式，從最開(kāi)始的公共建筑和廠(chǎng)礦中的三項電表，到如下圖所示家用、辦公室用的采集插座和無(wú)線(xiàn)燈控，越來(lái)越多。

　　整個(gè)系統中計量的核心在于具有數據匯聚和處理功能，并且保證PAN和WAN連接的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。

　　下面我們就重點(diǎn)討論網(wǎng)關(guān)的設計。

　　設 計

　　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的內部結構如下：

　　這部分內容從函數的級別詳細解釋了代碼。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的內容

　　開(kāi)發(fā)者最常問(wèn)的問(wèn)題之一就是為什么Jennic的程序都沒(méi)有Main函數，這個(gè)熟悉的函數哪里去了呢？這是因為Jennic程序都由boot loader來(lái)啟動(dòng)和引導，boot loader引導完成后就將自動(dòng)的調用AppColdStart函數，您可以認為AppColdStart就是我們通常所說(shuō)的Main（）。

　　AppColdStart將進(jìn)行下面的操作：

　　1.AppColdStart將調用函數vInitSystem（），這一函數將完成以下任務(wù)：

　　初始化設備的IEEE 802.15.4的協(xié)議棧

　　設置PAN ID和PAN Co-ordinator的短地址，在這個(gè)應用中這些參數都由我們預定義在config.h這個(gè)文件中

　　打開(kāi)射頻接收器

　　使Co-ordinator可以接受其他的設備加入網(wǎng)絡(luò )

　　2.AppColdStart（）會(huì )調用vStartEnergyScan（），這一函數將會(huì )開(kāi)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(guò)初始化一個(gè)MLME請求并將其發(fā)送給IEEE 802.15.4的MAC層來(lái)實(shí)現。

　　3.AppColdStart（）將通過(guò)調用vProcessEventQueues（）的方式等待MLME的回應。vProcessEventQueues（）函數將檢查三個(gè)不同類(lèi)型的事件隊列并將接到的事件交給不同的事件處理函數處理。比如這個(gè)函數將調用vProcessIncomingMlme（）函數來(lái)處理MLME回應。 而這個(gè)函數將調用vHandleEnergyScanResponse（）來(lái)處理能量檢測掃描的回應結果。這個(gè)函數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(lái)將調用vStartCoordinator（）函數，這個(gè)函數將設置必要的參數并且遞交MLME請求來(lái)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信息。

　　4.AppColdStart（）循環(huán)調用vProcessEventQueues（）來(lái)等待其他設備的加入網(wǎng)絡(luò )的請求，入網(wǎng)請求將以MLME請求的方式發(fā)送到codinator.當請求到達的時(shí)候函數將調用vHandleNodeAssociaTIon來(lái)處理。接下來(lái)codinator將創(chuàng )建并發(fā)送入網(wǎng)請求回復。

　　5.AppColdStart將循環(huán)調用vProcessEventQueues來(lái)處理來(lái)自于MCPS的消息隊列和來(lái)自于硬件的消息隊列。

　　當數據到達MCPS隊列后，vProcessEventQueues首先調用函數vProcessIncomingMcps（）來(lái)接收到達的數據幀.vProcessIncomingMcps（）調用vHandleMcpsDataInd（），這個(gè)函數將調用vProcessReceivedDataPacket，在這個(gè)函數里面您可以自定義您自己的數據處理過(guò)程。

　　當硬件事件到達硬件隊列后，vProcessEventQueues將調用函數vProcessIncomingHwEvent來(lái)接收到來(lái)的事件。您需要在這個(gè)函數中自定義自己的事件處理過(guò)程。

　　您可以參考下面的示意圖來(lái)理解

　　圖4-4-9 Coordinator程序流程圖

　　enddevice.c的內容介紹

　　End Device的運行過(guò)程仍然是從AppColdStart開(kāi)始。這一函數和Co-ordinator的運行方式完全的不同，下面將詳細的講解這個(gè)過(guò)程。

　　1.AppColdStart調用vInitSystem，這個(gè)函數將初始化IEEE 802.15.4的協(xié)議棧

　　2.AppColdStart（）調用vStartAcTIveScan（）開(kāi)始對于活動(dòng)通道的掃描， End Device將向掃描的通道發(fā)送信標請求，并接收PAN Co-ordinator的信標請求回應。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(guò)MLME請求的方式通過(guò)IEEE 802.15.4的MAC層發(fā)送。

　　3.AppColdStart（）將通過(guò)vProcessEventQueues來(lái)檢查和處理MLME回應。這個(gè)函數將調用vProcessIncomingMlme（）來(lái)處理收到的MLME回應。vHandleAcTIveScanResponse（）會(huì )被調用處理返回的活動(dòng)通道掃描結果：

　　如果找到PAN Co-ordinator，函數將保存相應的Co-ordinator信息（比如 PAN ID，短地址，邏輯通道），并且調用vStartAssociate（）向Co-ordinator來(lái)提交入網(wǎng)請求，這一請求將通過(guò)MLME請求的方式提交。

　　如果PAN Co-ordinator沒(méi)有被找到（可能是由于Co-ordinator還沒(méi)有初始化完成）。這一函數將重新調用vStartAcTIveScan（）來(lái)重新啟動(dòng)掃描。

　　4. AppColdStart將循環(huán)的調用vProcessEventQueues（）等待來(lái)自Co-ordinator的入網(wǎng)回復。當收到回復后就將調用vProcessIncomingMlme（），然后將調用vHandleAssociateResponse來(lái)處理回復，接下來(lái)的函數將檢查回復的狀態(tài)：

　　如果PAN Co-ordinator接受的入網(wǎng)請求，將設備置于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。

　　如果PAN Co-ordinator拒絕了入網(wǎng)的請求，函數就將重新調用vStartActiveScan（）來(lái)開(kāi)始搜索另外一個(gè)PAN Co-ordinator。

　　5. AppColdStart（）接下來(lái)將循環(huán)的調用vProcessEventQueues來(lái)等待來(lái)自于PAN Co-ordinator的MCPS信息或者硬件的隊列信息。

　　當數據到達了MCPS隊列，vProcessEventQueue（）首先使用函數vProcessIncomingMcps（）來(lái)接收數據幀，接著(zhù)調用vHandleMcpsDataInd（），接著(zhù)調用vProcessReceivedDataPacket（），開(kāi)發(fā)人員可以在這個(gè)函數里面編寫(xiě)自己的數據處理過(guò)程。

　　當硬件事件到達硬件事件隊列，vProcessEventQueues（）將調用vProcessIncomingHwEvent（）來(lái)接收到達的事件，您可以在這個(gè)過(guò)程中編寫(xiě)自己的事件處理邏輯。

　　下面的圖表示了End Device的工作過(guò)程。

圖4-4-10 EndDevice程序流程

　　W5500驅動(dòng)：

　　Coordinator作為網(wǎng)絡(luò )的中心，通常也是數據匯聚的中心。因為我們在Coor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的驅動(dòng)：

　　圖4-4-11 Eclipse IDE

　　在工程導航欄可以看到：

　　圖4-4-12 工程導航

　　然后，把wizchip_conf.c中的接口代碼替換為JN5168的SPI函數：

　　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(wú)線(xiàn)IEEE802.15.4和以太網(wǎng)W5500的數據轉接。

　　結 論

　　在使用W5500后我們極大的簡(jiǎn)化了WPAN網(wǎng)關(guān)設計，這樣保證了通訊速率和可靠性的要求下，用簡(jiǎn)單的結構詮釋了“簡(jiǎn)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》透視新設計欄目，轉載請注明出處，違者必究！