-PAGE1-某煤粉濃度檢測系統(tǒng)的軟件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23639某煤粉濃度檢測系統(tǒng)的軟件設計案例 1244891開發(fā)環(huán)境與協(xié)議棧 18962系統(tǒng)軟件總體設計 4293853協(xié)調器軟件 5102264路由節(jié)點軟件 713045終端傳感器節(jié)點軟件 899126網(wǎng)絡測試 91開發(fā)環(huán)境與協(xié)議棧目前，開發(fā)EW嵌入式系統(tǒng)最完整的工具是C/C++交叉編譯器和調試器[42]，它還包括編譯、編輯和項目管理程序等等。為了便于用戶使用，EW可以為不同的MCU提供相同的接口，EW集成編譯器與C語言完全兼容，能夠進行浮點計算，代碼效果很好，而且很容易中斷處理等。此外，產生的程式碼遠比其他開發(fā)工具更有效率，并使用適合不同晶片的最佳化技術。總之，考慮到EW開發(fā)環(huán)境的優(yōu)勢，本文采用EW開發(fā)環(huán)境。協(xié)議棧是通訊兩邊實現(xiàn)詳細通訊尺度的一種狀態(tài)[43]，換一種說法，也就是用一套代碼實現(xiàn)一系列具有必然通訊功用的通訊。Zigbee和協(xié)議棧是一組基于OSI模子條理布局設想的Zigbee和談函數(shù)實現(xiàn)的函數(shù)庫。Zigbee和協(xié)議棧與其他無線通訊尺度比較，具有分層簡樸、利用利便的特性，其分層布局如圖1.16所示。圖1.16Zigbee協(xié)議棧的構成Fig.1.161CompositionofZigbeestack本文中Z-Stack-1.4.0-1.4.0的協(xié)議棧[44]符合最新TI標準Zigbee2007，與CC2530芯片上的處理方案兼容，從而既便利了節(jié)點的軟件設想和實現(xiàn)，又有必然的通用性和開辟性。這個協(xié)議棧是以函數(shù)庫的情勢分層封裝的，具有很好的條理性。具體的層次性結構見表1.7。Zigbee協(xié)議棧[45]能很好地體現(xiàn)Zigbee的功能，并根據(jù)自身需求，在應用層編寫相應的函數(shù)和任務，從而實現(xiàn)新的項目。Z-stack是Zigbee協(xié)議的一個具體實現(xiàn)，它能夠利便地辦理Zigbee和協(xié)議棧，并在基于和協(xié)議棧的開辟利用中引入利用框架。若是把特定的利用程序工具作為一個目標來處置，那么所需求實現(xiàn)的利用程序框架包括了撐持多使命的目標分派機制，以是Zigbee和協(xié)議棧必要OSAL來履行多使命。表1.7Zigbee協(xié)議內容及功能Table1.7ThecontentandfunctionofZigbeeprotocolZigbee協(xié)議棧引入了操作系統(tǒng)的概念，并在協(xié)議棧的OSAL層進行了實現(xiàn)。OSAL就像圖1.17中顯示的那樣，它只需要完成從事件到任務的調度，然后根據(jù)特定的事件由相應的事件處理器來解決。圖1.17OSAL的任務調度機制Fig.1.17ThetaskschedulingmechanisminOSAL雖然OSAL層根據(jù)操作環(huán)境封裝了協(xié)議規(guī)范和一些軟件，但實際上，只要調用OASL提供的接口（ApplicationProgrammingInterface,API),OSAL層各個API函數(shù)就可以實現(xiàn)特定的功能，如表1.8所示。表1.8OSAL層API函數(shù)比較Table1.8ComparisonoftheAPIfunction函數(shù)描述信息管理API提供一種管理機制，用于外部級別的事件或任務之間交換信息任務同步API可以為任務指定一個事件，在安裝其中一個事件后進行編輯時間管理API允許計時器用于內部任務和外部任務。該系統(tǒng)實現(xiàn)了計時器的啟動和停止功能，計時器可以通過ms進行設置中斷管理API在界面之外，可允許和禁止的操作斷任務管理API管理和添加OSAL中的任何角色內存管理API描述了大量淺存儲分配系統(tǒng)電源管理APIOSAL電力處理系統(tǒng)簡介Zigbee和協(xié)議棧在事務輪回處置機制的根本上撐持OSAL層操縱體系。它的主函數(shù)存在于ZMain表中，整體來講，主函數(shù)首要完成了硬件的系統(tǒng)上電操作，同時也完成了軟件架構各個模塊的初始化和OSAL層的主輪回程序[45]。就像圖1.18所示，ZigBee和協(xié)議棧的事情流程由兩個初始化部門和OSAL操縱體系部門組成,初始化部門最重要的是初始化時鐘，還有就是檢測芯片電壓，每個定時器的初始化等，這部分也用于制備系統(tǒng)；進入操作系統(tǒng)后，確定任務的優(yōu)先級，并調用任務事件處理程序，完成相應目的的目的。圖1.18Z-Stack系統(tǒng)運行流程圖Fig.1.18FlowchartofZ-Stacksystemoperation2系統(tǒng)軟件總體設計系統(tǒng)的軟件設計包括三個主要部分:傳感器終端節(jié)點編程、路由節(jié)點編程和協(xié)調器節(jié)點，如圖1.19所示，組成Zigbee傳感器網(wǎng)絡。圖1.19系統(tǒng)軟件總體結構Fig.1.19SoftwarearchitectureofZigbeenetwork在功用上，從圖1.19中能夠看出，體系軟件分為三個方面：協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點，并將其分別為收集辦理和數(shù)據(jù)收集傳輸。此中，網(wǎng)管部門首要完成調和組網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)的搭建、結點的進來、結點上的結點綁定、各結點之間的數(shù)據(jù)傳輸調和等。在煤粉濃度信息收集過程中，以數(shù)據(jù)傳輸為焦點，同時停止收集辦理，保管了數(shù)據(jù)的不變、靠得住傳輸。在數(shù)據(jù)收集傳輸部門，對應著三個硬件節(jié)點的功用。終究的傳感器節(jié)點判定收到的指令是不是為收集信息，若是獲得煤粉濃度信息，則終端傳感器節(jié)點挪用數(shù)據(jù)收集功用收羅濃度信息，挪用數(shù)據(jù)發(fā)送程序發(fā)送封裝數(shù)據(jù)包，若終端節(jié)點與調和器節(jié)點通訊距離充足遠，還需求轉發(fā)路由節(jié)點，不然將由調和器節(jié)點作為匯聚節(jié)點，同一領受各終端節(jié)點、路由節(jié)點發(fā)送的煤粉濃度信息，然后統(tǒng)一上傳上位機中的處置。3協(xié)調器軟件無線傳感器網(wǎng)絡的核心是協(xié)調器節(jié)點。其功能分為兩個主要方面:第一，整個網(wǎng)絡的初始裝配和對其他節(jié)點的訪問；第二代是作為聚合節(jié)點作為聚合節(jié)點收集路由節(jié)點和終端傳感器。節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)將上載到主計算機。當然，如果有多個終端節(jié)點同時，請求網(wǎng)絡，坐標未來得及處理節(jié)點就可能會放棄部分處理，此時，終端節(jié)點就會不斷發(fā)送請求，直至處理完畢。這一節(jié)還將從兩方面介紹協(xié)調節(jié)點的軟件設計，如圖1.20所示，它協(xié)調了節(jié)點的工作流程。1.協(xié)調器節(jié)點組網(wǎng)在系統(tǒng)通電后，協(xié)調器開始工作，起初，對軟硬件架構進行初始化，配置傳感器網(wǎng)絡。普遍景況下，協(xié)調器用電后，最先要進行能量掃描，判斷附近沒有網(wǎng)絡，假設附近已經(jīng)有網(wǎng)絡，只需選擇父節(jié)點添加網(wǎng)絡就可以了；倘若在功耗測試中沒有出現(xiàn)其他網(wǎng)絡，請樹立一個網(wǎng)絡作為協(xié)調節(jié)點。協(xié)調程序結束自己的初始化任務后，將處于掛機狀態(tài)，當收到另一個節(jié)點的請求時，將允許該節(jié)點加入網(wǎng)，并將網(wǎng)絡地址分配給該節(jié)點，如圖1.21所示。一般而言，協(xié)調程序的初始化工作包括硬件的初始化、界面的初始化和軟件架構的初始化。同時，協(xié)調器還需要完成自己配置的初始化，比如信道編號、PANID設置等。如表1.9所示。表1.9協(xié)調器初始化參數(shù)配置Table1.9Coordinatorparameterconfiguration參數(shù)默認值備注網(wǎng)絡信道號2011-26任意值PANID0x1230x0000-0x3FFF接收緩沖區(qū)大小1024BYTE1.協(xié)調器節(jié)點接收數(shù)據(jù)從終端傳感器節(jié)點和路由節(jié)點接收數(shù)據(jù)信息后，協(xié)調器節(jié)點將確定有效的數(shù)據(jù)信息，并通過串行端口將其上載到上層計算機，如圖1.22所示。從協(xié)議堆棧的最低MAC層到最高APP層[46]，每個層都使用解析函數(shù)以特定幀格式解析包。圖1.20協(xié)調器工作流程圖Fig.1.20Flowchartofcoordinatorwork圖1.21協(xié)調器組網(wǎng)流程圖Fig.1.21Flowchartofrealizingnetworkcoordinator圖1.22協(xié)調器接收數(shù)據(jù)流程Fig.1.22Flowchartofreceivingdatainacoordinator4路由節(jié)點軟件在網(wǎng)絡中，除了數(shù)據(jù)傳輸路徑，轉發(fā)分組之外的路由節(jié)點擴展了通信距離，并且具有網(wǎng)絡管理的功能并保持無線傳感網(wǎng)絡的正常操作。其程序配置和協(xié)調節(jié)點有些不一致，本文中使用的基礎知識只是下載程序的不一致。在路由節(jié)點的電流作用下，發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡要求進入該網(wǎng)絡并與第一個響應該網(wǎng)絡的協(xié)調者或路由節(jié)點結合，然后將該路由節(jié)點作為路由節(jié)點等待其他節(jié)點加入，如圖1.23所示。圖1.23路由節(jié)點的工作流程圖Fig.1.23Flowchartoftheroutingnodes5終端傳感器節(jié)點軟件最首要的功用就是終端傳感器節(jié)點能夠搜集現(xiàn)場情況數(shù)據(jù)并發(fā)送到路由器或調和器，同時還能夠領受和諧器或路由器的節(jié)制號令。軟件設想中可按照終端傳感器節(jié)點的功用分為：體系初始化、數(shù)據(jù)收集傳輸、休眠。圖1.24顯示了終端傳感器節(jié)點的工作流程。圖1.24傳感器節(jié)點工作流程圖Fig.1.24Flowchartofsensornode1.終端傳感器節(jié)點入網(wǎng)實際上，對終端傳感器節(jié)點進行電氣初始化之后，請求接入網(wǎng)絡的節(jié)點或路由節(jié)點被綁定到響應它們的第一聯(lián)系人，并且僅在綁定之后才彼此通信。一般來說，終端傳感器節(jié)點的登錄過程是，終端節(jié)點首先在整個網(wǎng)絡上發(fā)送登錄請求，等待接收協(xié)調器或路由器的響應，接收到響應后再發(fā)送連接請求，然后改請求等到有效響應，這樣的節(jié)點就成功入網(wǎng)，具體流程見圖1.25。1.終端傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)這一節(jié)以終端傳感器節(jié)點和協(xié)調人節(jié)點之間的通信為例，介紹了一種終端傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送程序。實際上，聯(lián)想到無線傳感器開發(fā)的低功耗情況下，當傳感器節(jié)點沒有發(fā)送請求或不需求發(fā)送數(shù)據(jù)時，傳感器節(jié)點就會進入休眠狀況，從而導致系統(tǒng)功耗增加。在休眠期，當節(jié)點受到干擾時，該節(jié)點就會恢復到工作狀態(tài)。Terminal[47]傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖見圖1.26。圖1.25終端節(jié)點入網(wǎng)流程Fig.1.25FlowchartofEnd-pointjoining圖1.26終端節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送流程Fig.1.26Flowchartofdatasendinginaterminalnode6網(wǎng)絡測試根據(jù)傳感器網(wǎng)絡的硬件平臺，分別對協(xié)調程序、路由節(jié)點程序和終端傳感器節(jié)點程序進行了下載量測試，并對整個無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了通信拓撲分析和網(wǎng)絡結構分析。該方式起始對節(jié)點范例通過預定義，然后由終端傳感器節(jié)點主動拔取路由節(jié)點，自構造網(wǎng)絡，最初經(jīng)由過程串口調試助手對網(wǎng)絡進行驗證，并按照每個節(jié)點的父節(jié)點繪制分歧環(huán)境的網(wǎng)絡拓撲圖。協(xié)調器節(jié)點作為會聚節(jié)點向上位機發(fā)送附加的終端傳感器節(jié)點和路由節(jié)點的數(shù)據(jù)，后者經(jīng)過進程MT(MonitorandTest）協(xié)議進行處理，數(shù)據(jù)包按其幀格式分為以下幾種：SOF(StartofFrame)、可變長度數(shù)據(jù)包以及FCS(FrameCheckSequence）如表1.10所示。表1.10幀的格式Table1.10FrameformatSOFMT數(shù)據(jù)包FCS1字節(jié)3-256字節(jié)1字節(jié)在這些方式中，字節(jié)的SOF模塊代表了幀的開端，但凡0xFE；字節(jié)FCS作為幀的校驗序列用于檢查數(shù)據(jù)包的完整性，而可變長度數(shù)據(jù)包則是3~256字節(jié)，MT和和協(xié)議數(shù)據(jù)包的款式見表1.11。表1.11MT數(shù)據(jù)包的格式Table1.11FormatofMTpacketLENCMDDATA1字節(jié)2字節(jié)0-250字節(jié)LEN是數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)長度，如果沒有通過數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)，則LEN為0。CMD（命令）是該消息的命令ID（標識符），而DATA是不同的命令ID，可以執(zhí)行不同的操作；DATA是指實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。本論文采用一種包含頭部、尾部和尾部的結構體來實現(xiàn)每一節(jié)點傳輸?shù)貓笪模€包括該節(jié)點設備類型、節(jié)點網(wǎng)絡地址、父節(jié)點網(wǎng)絡地址和采集的粉塵數(shù)據(jù)，第一數(shù)據(jù)用兩&個字符表示，后面使用一個&表示，如表1.12所示。表1.12節(jié)點數(shù)據(jù)包DATA的結構Table1.12StructureofnodeDATApacket頭設備類型節(jié)點網(wǎng)絡地址父節(jié)點網(wǎng)絡地址傳感器數(shù)據(jù)尾&&ROU/ENDXXXXXXXXXXXX&當終端傳感器節(jié)點毗連到收集時，調和器會為終端傳感器節(jié)點分派16位邏輯地點。使其辨認收集中的分歧設備，并在數(shù)據(jù)傳輸中指定源地點和方針地點。本論文采用一臺協(xié)調器、兩臺路由器、三臺終端節(jié)點進行組網(wǎng)驗證。將收集分為自組網(wǎng)和組網(wǎng)，按照現(xiàn)實環(huán)境，采取分歧的拓撲布局，改動節(jié)點的擺設位置，從而改動收集布局。該調和程序作為匯聚節(jié)點向上位機發(fā)送終端傳感器節(jié)點和路由節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)由過程上位機串口調試助手對質組網(wǎng)停止準確性考證。1.終端節(jié)點直接與協(xié)調器通信在與PC機串口調試助手顯示如圖1.28所示的當協(xié)調器安排網(wǎng)絡端點和端點之間的直接通信時，網(wǎng)絡拓撲如下圖1.27所示，協(xié)調器結點接收終端節(jié)點的數(shù)據(jù)。圖1.27協(xié)調器與終端直接通信拓撲結構Fig.1.27Topologyofcoordinatorandterminaldirectcommunication圖1.28組網(wǎng)測試結果Fig.1.28ResultofNetwork上面的方框圖標的邏輯地址是143E路由節(jié)點，這在圖表中是指具體的數(shù)據(jù)串。正面如上一節(jié)中所示，具體見表1.13。表1.13節(jié)點數(shù)據(jù)包DATA的結構Table1.13StructureofnodeDATApacket頭設備類型節(jié)點網(wǎng)絡地址父節(jié)點網(wǎng)絡地址傳感器數(shù)據(jù)尾&&ROU143E0000G0471*0583*0528*0146&裝置為ROU，代表節(jié)點為路由器，后接路由器網(wǎng)路位址及父節(jié)點網(wǎng)路位址，感應器資料片段第一個字G代表氣體感應器收集資訊，以*號間隔代表四個感應器的采集值。1.終端節(jié)點通過路由與協(xié)調器通信如果終端節(jié)點與協(xié)調器節(jié)點的距離較大，則無法進行直接通信，需要采用路由節(jié)點轉發(fā)，如圖1.29所示。在PC機串口調試助手中[48