0 引言

    KW01是飛思卡爾公司2014正式推出的業(yè)內(nèi)首款Sub-GHz芯片，是由基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的微控制器KL26與SX1231-RF射頻模塊組成^[1]。

    無線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Network，WSN）已滲入到醫(yī)療、家居、交通等各種領(lǐng)域，但由于其應(yīng)用開發(fā)涉及到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與方案、節(jié)點、RF通信電路、硬軟件構(gòu)件的設(shè)計，以及通信協(xié)議、操作系統(tǒng)融入、程序編寫、可重用和移植性等知識和技術(shù)，所以門檻較高，導(dǎo)致WSN應(yīng)用開發(fā)難度大、周期長、成本高，產(chǎn)品可維護(hù)性及移植性差。為解決這一現(xiàn)狀，茅正沖^[2]等研究可配置嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計模式，范寧寧^[3]等研究測控系統(tǒng)框架，曹敬瑜^[4]等研究高效軟件構(gòu)件化框架。但這些研究是通過設(shè)計構(gòu)件來開發(fā)應(yīng)用程序，并沒有設(shè)計出具有完整架構(gòu)的開發(fā)平臺。為此本文研制了一款基于KW01-ZigBee 的層次架構(gòu)清晰、接口豐富、驅(qū)動構(gòu)件完備的相對通用實用易用的WSN應(yīng)用開發(fā)平臺，極大方便了WSN應(yīng)用開發(fā)，將會降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期，并能增強產(chǎn)品的可維護(hù)性和可移植性。

1 開發(fā)平臺建模

    WSN一般由若干個終端節(jié)點、帶路由功能的終端節(jié)點，以及多個網(wǎng)關(guān)節(jié)點（本文稱為PC節(jié)點）組成。本文研制的平臺用于WSN應(yīng)用工程各節(jié)點的開發(fā)，采用如圖1所示的四層架構(gòu)平臺模型。

    硬件平臺層是由KW01-ZigBee開發(fā)板、寫入器和用于連接網(wǎng)關(guān)節(jié)點與PC的USB-TTL串口線組成的開發(fā)套件。為減少設(shè)計成本并保證穩(wěn)定可靠的通信，WSN中所有節(jié)點的開發(fā)板均相同。

    MCU方工程框架用于開發(fā)應(yīng)用程序，由硬件抽象層、軟件構(gòu)件層和應(yīng)用層組成。硬件抽象層文件主要用于芯片上電復(fù)位和鏈接。軟件構(gòu)件層包括底層驅(qū)動構(gòu)件、應(yīng)用構(gòu)件和高層構(gòu)件；應(yīng)用層的用戶代碼包括用戶任務(wù)、主程序和中斷服務(wù)例程（Interrupt Service Routine，ISR）。為便于開發(fā)功能復(fù)雜的WSN應(yīng)用工程，在框架中融入MQXLite實時操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，RTOS），用于管理、調(diào)度、處理多任務(wù)^[5，6]。

2 開發(fā)板及硬件構(gòu)件設(shè)計

    開發(fā)板應(yīng)架構(gòu)清晰、使用和維護(hù)方便，為此本文設(shè)計了KW01-ZigBee開發(fā)板，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。KW01 MCU由KL26和RF收發(fā)器組成，擁有16 KB SRAM、128 KB Flash和UART、SPI、IIC、TSI、ADC、定時器等模塊，具有無線電性能高，傳輸速率快、距離遠(yuǎn)，處理能力強，超低功耗等特點^[7]。

    構(gòu)件是提高系統(tǒng)可重用性、可移植性的基礎(chǔ)和保障，用于組裝系統(tǒng)可提高開發(fā)效率。設(shè)計開發(fā)板時將各電路模塊設(shè)計成構(gòu)件并提供功能明確的接口，可極大方便用戶使用。如硬件最小系統(tǒng)構(gòu)件由程序運行所需最低規(guī)模外圍電路(如電源及濾波、復(fù)位、晶振等電路)組成；電源電路構(gòu)件用于將5 V輸入轉(zhuǎn)換為3.3 V供芯片使用；RF前端電路構(gòu)件用于連接射頻引腳RFIO與天線。

    為便于實驗、科研及應(yīng)用開發(fā)，將MCU除硬件最小系統(tǒng)引腳外的其他引腳封裝成各種構(gòu)件，如UART接口、SWD寫入器接口、電池接口、對外接口等構(gòu)件。圖3中標(biāo)識的是引腳默認(rèn)功能，可直接使用，而其他功能的使用，可按照NXP官方網(wǎng)站給出的KW01技術(shù)參考手冊^[1]上的功能復(fù)用表進(jìn)行引腳功能復(fù)用。

    工程開發(fā)時，將外設(shè)模塊連接到相應(yīng)接口構(gòu)件并根據(jù)需要復(fù)用引腳功能，可極大提高開發(fā)效率。

3 底層驅(qū)動構(gòu)件設(shè)計

    KW01包括RF、GPIO、ADC等硬件模塊，編程時通過驅(qū)動程序操作對應(yīng)的硬件模塊，但驅(qū)動程序只有封裝成底層驅(qū)動構(gòu)件才便于重用移植，也才能方便用戶直接使用，從而降低應(yīng)用開發(fā)難度。

    限于篇幅，本文僅介紹RF驅(qū)動構(gòu)件設(shè)計過程。按照構(gòu)件設(shè)計思想，將RF模塊的初始化、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、檢測能量等基本操作封裝成獨立的功能函數(shù)即可，但從方便實際應(yīng)用出發(fā)還應(yīng)封裝帶參數(shù)初始化、CSMA/CA機制發(fā)送數(shù)據(jù)、設(shè)置通道號等函數(shù)。由于它們都涉及到對RF硬件底層寄存器操作，是底層驅(qū)動函數(shù)，因此將其按構(gòu)件設(shè)計原則封裝，并集中存放在rf.c源文件中，同時配以rf.h存放相關(guān)宏定義、底層寄存器映射和驅(qū)動函數(shù)原型聲明。在構(gòu)件設(shè)計中，重點要設(shè)計好底層驅(qū)動函數(shù)原型并給出詳細(xì)注釋，方便用戶使用。例如RF接收數(shù)據(jù)函數(shù)的功能是從FIFO隊列中接收一幀數(shù)據(jù)，并返回接收成功與否標(biāo)志，因此需提供數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址以存放接收的數(shù)據(jù)，以及存放接收數(shù)據(jù)長度的指針單元和硬件過濾地址（即當(dāng)前WSN應(yīng)用工程中節(jié)點的硬件地址，用于過濾掉其他工程發(fā)送的數(shù)據(jù)包，同一工程各節(jié)點硬件地址相同）。這樣函數(shù)原型設(shè)計為：

    //功能概要：RF接收數(shù)據(jù)幀

    //參數(shù)說明：plen:接收數(shù)據(jù)長度指針,

    //pbuf:接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首地址, hw_adr:硬件過濾地址

    //函數(shù)返回：=0,接收正常，=其他值,接收異常

    uint_8 RFReceiveFrame(uint_8* pbuf, uint_8* plen,uint_8 hw_adr);

4 MCU方工程框架設(shè)計

    MCU方工程框架用于為節(jié)點程序開發(fā)提供工程模板，以降低開發(fā)難度，提高開發(fā)效率。

4.1 工程框架設(shè)計的基本原則

    遵循軟件工程可復(fù)用、可移植、易理解、易維護(hù)的基本思想，為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期及提高開發(fā)效率打好基礎(chǔ)^[8]；以構(gòu)件設(shè)計為基礎(chǔ)，通過各種構(gòu)件的設(shè)計與應(yīng)用，提高框架的可復(fù)用性、可移植性，降低應(yīng)用開發(fā)難度^[9]；目錄結(jié)構(gòu)合理分類，按照文件內(nèi)容歸納整理、分類組織，提高軟件產(chǎn)品的可維護(hù)性。

4.2 工程框架的組織結(jié)構(gòu)

    根據(jù)軟件工程對工程框架必須滿足結(jié)構(gòu)清晰、文件安排合理、具有可移植和易修改特點的要求，以及以上設(shè)計原則和圖1四層架構(gòu)平臺模型的設(shè)計思想，構(gòu)建了如表1所示的樹形結(jié)構(gòu)統(tǒng)一MQXLite工程框架（All-in-one MQXLite FrameWork，AMQXLFW）。

4.3 AMQXLFW設(shè)計分析

    除開發(fā)環(huán)境特有的文件夾外，工程框架包含的文件夾均相同，表1是基于Kinetis開發(fā)環(huán)境（Kinetis Development Studio，KDS）包含的12個文件夾，個數(shù)和名稱固定。存放文件原則如下：

    01_Doc存放工程文檔，隨工程變化而更新。02_CPU和03_MCU分別存放內(nèi)核、芯片相關(guān)的上電復(fù)位啟動文件，因內(nèi)核廠家只負(fù)責(zé)設(shè)計維護(hù)內(nèi)核及源代碼而不生產(chǎn)芯片，故分開存放便于移植更新。04_Linker_File存放提供程序代碼、中斷向量表、常變量的存放地址的鏈接腳本，隨開發(fā)環(huán)境修改。充足完備的構(gòu)件可有效降低工程開發(fā)難度^[10]，05_Driver、06_App_Component、07_Soft_Component分類存放底層驅(qū)動、應(yīng)用和高層構(gòu)件便于構(gòu)件融入、更新、移植，應(yīng)用和高層構(gòu)件的名稱和內(nèi)容封裝后不允許更改。08_Source和09_MQXLite分別是無操作系統(tǒng)和有操作系統(tǒng)編程和調(diào)試的主要目錄，08_Source中各文件名固定、內(nèi)容隨工程而修改，includes.h包含所有構(gòu)件頭文件（有操作系統(tǒng)下使用01_app_include.h），isr.c包含RF接收中斷isr_gpio_cd()等。09_MQXLite包含內(nèi)容見表2，isr.c仍然有效，因為有/無操作系統(tǒng)時中斷處理流程一致，但main.c用來初始化并啟動MQXLite，app是按照MQXLite任務(wù)設(shè)計要求增加的目錄，包含3個固定文件和若干用戶任務(wù)文件，其余文件夾文件從MQX或KDS安裝目錄提取，對文中開發(fā)板不必修改。

4.4 使用框架開發(fā)的流程及優(yōu)越性

    有了工程框架，只要遵循圖4所示流程就能方便快速地開發(fā)MCU方程序。不使用框架時，內(nèi)核和芯片文件可從廠商獲得，鏈接文件可由環(huán)境生成，但工程中其余文件都需自己編寫，還需移植操作系統(tǒng)，開發(fā)難度大、效率低、周期長；使用框架時，只需修改或添加少量文件及代碼，就可完成開發(fā)任務(wù)，不同應(yīng)用間移植也很容易。

5 開發(fā)平臺的應(yīng)用實例

5.1 應(yīng)用實例的基本功能

    應(yīng)用實例工程的硬件架構(gòu)包括終端節(jié)點、PC節(jié)點和PC，PC節(jié)點與PC串口通信，終端節(jié)點與PC節(jié)點均采用KW01-ZigBee開發(fā)板，通過RF通信。實例的基本功能是：PC端下發(fā)采集芯片溫度命令數(shù)據(jù)包，經(jīng)串口傳給PC節(jié)點，再經(jīng)RF轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點，收到后解幀，再通過KW01自帶溫度傳感器采集芯片溫度并組幀，經(jīng)RF發(fā)給PC節(jié)點送PC顯示。

5.2 MCU方程序開發(fā)

    根據(jù)終端節(jié)點要實現(xiàn)的功能，開發(fā)其MCU方程序只需設(shè)計1個ISR和3個任務(wù)：（1）RF接收中斷：接收來自PC節(jié)點數(shù)據(jù)包，并啟動RF接收任務(wù)，數(shù)據(jù)幀格式可自行定義。（2）RF接收任務(wù)：解析接收的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)命令啟動溫度采集任務(wù)，該任務(wù)文件已包含在框架中，只需根據(jù)任務(wù)文件中說明修改即可。（3）芯片溫度采集任務(wù)：通過AD通道采集芯片溫度并組幀，再啟動RF發(fā)送任務(wù)。（4）RF發(fā)送任務(wù)：將包含芯片溫度的數(shù)據(jù)包通過RF發(fā)送給PC節(jié)點，由PC節(jié)點傳給PC端。該任務(wù)文件已包含在框架中。

    然后，在app中添加task_temp_ad.c，其采集溫度與組幀的代碼如下：

    rf_sendBuf[0]=(uint_8)’T’;//幀頭

    rf_sendBuf[1]=57;//有效幀長

    rf_sendBuf[2]=(uint_8)hd_adr;//硬件過濾地址

    //將下行幀的內(nèi)容復(fù)制到上行幀中

    for(i<=3;i<=58;i++) rf_sendBuf[i]= rf_revBuf[i];

    //調(diào)用KW01的ADC構(gòu)件ad_read()采集芯片的溫度

    ADResult=ad_read(26);//從通道號26采集AD值

    //物理回歸：根據(jù)芯片手冊上的公式計算出溫度值

    Vtmp=(ADResult*3 300)>>16;//電壓采樣值mV

    tmp=25-(Vtmp-706)/1.62;//計算溫度

    //計算溫度的整數(shù)和小數(shù)部分并封裝在幀尾前兩字節(jié)中

    rf_sendBuf[57]=(uint_8)tmp;

    rf_sendBuf[58]=(uint_8)((tmp-(uint_8)tmp)*10+0.5);

    rf_sendBuf[59]=(uint_8)'D';//幀尾

    其余步驟按圖4工作流程和框架模板就可快速完成終端節(jié)點MCU方程序開發(fā)。PC節(jié)點的MCU方程序開發(fā)類似。

5.3 應(yīng)用實例運行測試

    借助VS2013開發(fā)PC端程序和測試界面，通過界面下發(fā)溫度采集命令，終端節(jié)點收到后將采集的芯片溫度封裝在應(yīng)答幀有效數(shù)據(jù)的最后兩個字節(jié)中，通過RF送PC端顯示。通過反復(fù)運行測試，測試結(jié)果穩(wěn)定；當(dāng)給芯片加熱或降溫時，測試結(jié)果也相應(yīng)改變。實例工程的開發(fā)和測試結(jié)果表明，用本文研制的開發(fā)平臺能快速完成開發(fā)工作，工程任務(wù)運行和調(diào)度正常，穩(wěn)定性和實時性都能滿足工程要求。

6 結(jié)論

    本文研制了一種能有效降低開發(fā)難度，提高開發(fā)效率的WSN應(yīng)用開發(fā)平臺。通過將MCU硬件最小系統(tǒng)和各種對外接口、硬件底層驅(qū)動設(shè)計為構(gòu)件供用戶使用；通過給出編程框架模板、應(yīng)用方法等，用戶只要根據(jù)具體工程適當(dāng)修改模板文件并增加任務(wù)，就能快速完成應(yīng)用開發(fā)。在后續(xù)研究中將繼續(xù)加強對接口的設(shè)計研究，完善構(gòu)件庫，優(yōu)化工程框架結(jié)構(gòu)，以提升復(fù)用性和可移植性。本文提出的研制方法對同類平臺的研制具有很好的借鑒作用。

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作者信息:

蔡伯峰1，2，蔡偉達(dá)3，王宜懷1

（1.蘇州大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215006；

2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州225300；3.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安710072）