多個(gè)Zigbee監測網(wǎng)絡(luò )遠程監控的實(shí)現

　　4.2. 與數據采集節點(diǎn)間的數據傳遞

　　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)作為Zigbee監測網(wǎng)絡(luò )與IP網(wǎng)絡(luò )的連接點(diǎn)，除了要與上一層的消息代理進(jìn)行數據傳遞，還要與Zigbee監測網(wǎng)絡(luò )中的數據采集節點(diǎn)間進(jìn)行數據傳遞，獲得原始的監測數據和向數據采集節點(diǎn)傳遞設置參數。

　　4.2.1. 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的硬件結構

　　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的硬件結構如圖2所示。主要分成兩大部分：系統運行的硬件平臺和IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)通信模塊。

圖2 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)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(luò )安全處理器。

　　無(wú)線(xiàn)通信模塊采用飛思卡爾的MC13192。它實(shí)現了IEEE802.15.4物理層的數據傳輸，可以自動(dòng)完成數據的校驗和封裝。

　　Au1550與MC13192通過(guò)3線(xiàn)SPI接口、一個(gè)片選線(xiàn)和一個(gè)中斷請求線(xiàn)相連，完成數據傳輸和控制。

　　4.2.2. 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的軟件設計

圖3 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)軟件系統的結構

　　根據網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的功能，軟件系統主要完成兩個(gè)功能，一是負責網(wǎng)絡(luò )的建立和維護、匯集監測網(wǎng)絡(luò )中的監測數據、向數據采集節點(diǎn)發(fā)送設置參數。這一部分為實(shí)時(shí)部分，由內核模塊實(shí)現，運行于內核態(tài)；二是與遠程的消息代理之間的消息傳遞、原始監測數據的預處理。這部分為非實(shí)時(shí)部分運行于用戶(hù)空間。

　　當MC13192接收到IEEE802.15.4物理層的數據后，產(chǎn)生中斷請求觸發(fā)數據處理任務(wù)讀取，校驗正確后寫(xiě)入FIFO中，用戶(hù)空間的應用程序則定時(shí)讀取FIFO中的數據，然后將原始數據形成文本格式的消息發(fā)送給消息代理。

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

　　一、Au1550與MC13192間的數據傳輸

　　MC13192與Au1550之間通過(guò)SPI進(jìn)行數據傳輸。將SPI的通信模式設為主從方式，Au1550為主機，MC13192為從設備。數據的傳輸完全由主機Au1550通過(guò)片選信號控制完成。

　　SPI數據幀由幀頭和數據組成。幀頭為8位，第一位為讀寫(xiě)標志位，R/W=1表示讀操作(從到主)，R/W=0表示寫(xiě)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(huì )將接收到的主機數據暫存到發(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數據幀后，存儲到接收RAM中，確定數據幀的長(cháng)度、進(jìn)行校驗和和鏈路質(zhì)量的計算，數據校驗正確后向主機發(fā)出中斷請求，請求主機將數據讀走。

　　二、實(shí)時(shí)任務(wù)與非實(shí)時(shí)應用間的數據傳輸

　　實(shí)時(shí)任務(wù)與非實(shí)時(shí)應用間采用FIFO進(jìn)行數據傳遞。每一個(gè)FIFO都是在一個(gè)方向上傳送數據。要實(shí)現實(shí)時(shí)任務(wù)與非實(shí)時(shí)應用間的雙向傳輸，需要建立兩個(gè)FIFO。一個(gè)FIFO用于實(shí)時(shí)任務(wù)向非實(shí)時(shí)應用發(fā)送原始監控數據，一個(gè)FIFO用于接收非實(shí)時(shí)應用的控制命令。

　　在實(shí)時(shí)任務(wù)一側，不管FIFO狀態(tài)是什么，任何讀寫(xiě)入操作都是非阻塞的。因此，讀寫(xiě)后都立即返回。在內核模塊中FIFO通過(guò)rtf_create()來(lái)創(chuàng )建，rtf_put()向FIFO寫(xiě)數據, rtf_get()從FIFO讀數據。FIFO的讀過(guò)程由一個(gè)周期性的實(shí)時(shí)線(xiàn)程完成。

　　從應用程序一側來(lái)看，FIFO就像一個(gè)常規文件。因此，調用文件打開(kāi)函數來(lái)獲得相關(guān)FIFO的指針，獲得指針后通過(guò)讀寫(xiě)函數實(shí)現對FIFO的讀寫(xiě)操作。數據的讀操作也由專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)程用輪詢(xún)方式完成，數據的發(fā)送操作則直接用函數調用方式。

　　5. 結束語(yǔ)

　　本文給出基于中間件技術(shù)的分層體系結構，實(shí)現對多個(gè)Zigbee監測網(wǎng)絡(luò )的集中管理的方法，并給出了數據傳遞、網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)等關(guān)鍵技術(shù)的具體實(shí)現。這種方式有效地解決了星型拓撲結構Zigbee監測網(wǎng)絡(luò )監測范圍受限的問(wèn)題。通過(guò)增加監測網(wǎng)絡(luò )的個(gè)數來(lái)擴大監測范圍或多點(diǎn)分布式監測，而且還不會(huì )影響到管理應用。

　　本文的創(chuàng )新點(diǎn)：利用基于中間件技術(shù)的分層體系結構，實(shí)現了對多個(gè)Zigbee監測網(wǎng)絡(luò )的集中管理，有效地解決了星型拓撲結構Zigbee監測網(wǎng)絡(luò )監測范圍受限的問(wèn)題。星形拓撲結構具有結構簡(jiǎn)單、易于部署的特點(diǎn)，而且節點(diǎn)間不需要路由，可以有效節省節點(diǎn)的能耗。增加監測網(wǎng)絡(luò )的個(gè)數可以擴大監測范圍，但存在對多個(gè)監測網(wǎng)絡(luò )集中管理的問(wèn)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

　　[3] IBM.Websphere Using Java,2004.