【《某煤粉浓度检测系统的软件设计案例》4600字】

-PAGE1-某煤粉浓度检测系统的软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u23639某煤粉浓度检测系统的软件设计案例 1244891开发环境与协议栈 18962系统软件总体设计 4293853协调器软件 5102264路由节点软件 713045终端传感器节点软件 899126网络测试 91开发环境与协议栈目前，开发EW嵌入式系统最完整的工具是C/C++交叉编译器和调试器[42]，它还包括编译、编辑和项目管理程序等等。为了便于用户使用，EW可以为不同的MCU提供相同的接口，EW集成编译器与C语言完全兼容，能够进行浮点计算，代码效果很好，而且很容易中断处理等。此外，产生的程式码远比其他开发工具更有效率，并使用适合不同晶片的最佳化技术。总之，考虑到EW开发环境的优势，本文采用EW开发环境。协议栈是通讯两边实现详细通讯尺度的一种状态[43]，换一种说法，也就是用一套代码实现一系列具有必然通讯功用的通讯。Zigbee和协议栈是一组基于OSI模子条理布局设想的Zigbee和谈函数实现的函数库。Zigbee和协议栈与其他无线通讯尺度比较，具有分层简朴、利用利便的特性，其分层布局如图1.16所示。图1.16Zigbee协议栈的构成Fig.1.161CompositionofZigbeestack本文中Z-Stack-1.4.0-1.4.0的协议栈[44]符合最新TI标准Zigbee2007，与CC2530芯片上的处理方案兼容，从而既便利了节点的软件设想和实现，又有必然的通用性和开辟性。这个协议栈是以函数库的情势分层封装的，具有很好的条理性。具体的层次性结构见表1.7。Zigbee协议栈[45]能很好地体现Zigbee的功能，并根据自身需求，在应用层编写相应的函数和任务，从而实现新的项目。Z-stack是Zigbee协议的一个具体实现，它能够利便地办理Zigbee和协议栈，并在基于和协议栈的开辟利用中引入利用框架。若是把特定的利用程序工具作为一个目标来处置，那么所需求实现的利用程序框架包括了撑持多使命的目标分派机制，以是Zigbee和协议栈必要OSAL来履行多使命。表1.7Zigbee协议内容及功能Table1.7ThecontentandfunctionofZigbeeprotocolZigbee协议栈引入了操作系统的概念，并在协议栈的OSAL层进行了实现。OSAL就像图1.17中显示的那样，它只需要完成从事件到任务的调度，然后根据特定的事件由相应的事件处理器来解决。图1.17OSAL的任务调度机制Fig.1.17ThetaskschedulingmechanisminOSAL虽然OSAL层根据操作环境封装了协议规范和一些软件，但实际上，只要调用OASL提供的接口（ApplicationProgrammingInterface,API),OSAL层各个API函数就可以实现特定的功能，如表1.8所示。表1.8OSAL层API函数比较Table1.8ComparisonoftheAPIfunction函数描述信息管理API提供一种管理机制，用于外部级别的事件或任务之间交换信息任务同步API可以为任务指定一个事件，在安装其中一个事件后进行编辑时间管理API允许计时器用于内部任务和外部任务。该系统实现了计时器的启动和停止功能，计时器可以通过ms进行设置中断管理API在界面之外，可允许和禁止的操作断任务管理API管理和添加OSAL中的任何角色内存管理API描述了大量浅存储分配系统电源管理APIOSAL电力处理系统简介Zigbee和协议栈在事务轮回处置机制的根本上撑持OSAL层操纵体系。它的主函数存在于ZMain表中，整体来讲，主函数首要完成了硬件的系统上电操作，同时也完成了软件架构各个模块的初始化和OSAL层的主轮回程序[45]。就像图1.18所示，ZigBee和协议栈的事情流程由两个初始化部门和OSAL操纵体系部门组成,初始化部门最重要的是初始化时钟，还有就是检测芯片电压，每个定时器的初始化等，这部分也用于制备系统；进入操作系统后，确定任务的优先级，并调用任务事件处理程序，完成相应目的的目的。图1.18Z-Stack系统运行流程图Fig.1.18FlowchartofZ-Stacksystemoperation2系统软件总体设计系统的软件设计包括三个主要部分:传感器终端节点编程、路由节点编程和协调器节点，如图1.19所示，组成Zigbee传感器网络。图1.19系统软件总体结构Fig.1.19SoftwarearchitectureofZigbeenetwork在功用上，从图1.19中能够看出，体系软件分为三个方面：协调器节点、路由节点和传感器节点，并将其分别为收集办理和数据收集传输。此中，网管部门首要完成调和组网，互联网的搭建、结点的进来、结点上的结点绑定、各结点之间的数据传输调和等。在煤粉浓度信息收集过程中，以数据传输为焦点，同时停止收集办理，保管了数据的不变、靠得住传输。在数据收集传输部门，对应着三个硬件节点的功用。终究的传感器节点判定收到的指令是不是为收集信息，若是获得煤粉浓度信息，则终端传感器节点挪用数据收集功用收罗浓度信息，挪用数据发送程序发送封装数据包，若终端节点与调和器节点通讯距离充足远，还需求转发路由节点，不然将由调和器节点作为汇聚节点，同一领受各终端节点、路由节点发送的煤粉浓度信息，然后统一上传上位机中的处置。3协调器软件无线传感器网络的核心是协调器节点。其功能分为两个主要方面:第一，整个网络的初始装配和对其他节点的访问；第二代是作为聚合节点作为聚合节点收集路由节点和终端传感器。节点发送的数据将上载到主计算机。当然，如果有多个终端节点同时，请求网络，坐标未来得及处理节点就可能会放弃部分处理，此时，终端节点就会不断发送请求，直至处理完毕。这一节还将从两方面介绍协调节点的软件设计，如图1.20所示，它协调了节点的工作流程。1.协调器节点组网在系统通电后，协调器开始工作，起初，对软硬件架构进行初始化，配置传感器网络。普遍景况下，协调器用电后，最先要进行能量扫描，判断附近没有网络，假设附近已经有网络，只需选择父节点添加网络就可以了；倘若在功耗测试中没有出现其他网络，请树立一个网络作为协调节点。协调程序结束自己的初始化任务后，将处于挂机状态，当收到另一个节点的请求时，将允许该节点加入网，并将网络地址分配给该节点，如图1.21所示。一般而言，协调程序的初始化工作包括硬件的初始化、界面的初始化和软件架构的初始化。同时，协调器还需要完成自己配置的初始化，比如信道编号、PANID设置等。如表1.9所示。表1.9协调器初始化参数配置Table1.9Coordinatorparameterconfiguration参数默认值备注网络信道号2011-26任意值PANID0x1230x0000-0x3FFF接收缓冲区大小1024BYTE1.协调器节点接收数据从终端传感器节点和路由节点接收数据信息后，协调器节点将确定有效的数据信息，并通过串行端口将其上载到上层计算机，如图1.22所示。从协议堆栈的最低MAC层到最高APP层[46]，每个层都使用解析函数以特定帧格式解析包。图1.20协调器工作流程图Fig.1.20Flowchartofcoordinatorwork图1.21协调器组网流程图Fig.1.21Flowchartofrealizingnetworkcoordinator图1.22协调器接收数据流程Fig.1.22Flowchartofreceivingdatainacoordinator4路由节点软件在网络中，除了数据传输路径，转发分组之外的路由节点扩展了通信距离，并且具有网络管理的功能并保持无线传感网络的正常操作。其程序配置和协调节点有些不一致，本文中使用的基础知识只是下载程序的不一致。在路由节点的电流作用下，发现该网络要求进入该网络并与第一个响应该网络的协调者或路由节点结合，然后将该路由节点作为路由节点等待其他节点加入，如图1.23所示。图1.23路由节点的工作流程图Fig.1.23Flowchartoftheroutingnodes5终端传感器节点软件最首要的功用就是终端传感器节点能够搜集现场情况数据并发送到路由器或调和器，同时还能够领受和谐器或路由器的节制号令。软件设想中可按照终端传感器节点的功用分为：体系初始化、数据收集传输、休眠。图1.24显示了终端传感器节点的工作流程。图1.24传感器节点工作流程图Fig.1.24Flowchartofsensornode1.终端传感器节点入网实际上，对终端传感器节点进行电气初始化之后，请求接入网络的节点或路由节点被绑定到响应它们的第一联系人，并且仅在绑定之后才彼此通信。一般来说，终端传感器节点的登录过程是，终端节点首先在整个网络上发送登录请求，等待接收协调器或路由器的响应，接收到响应后再发送连接请求，然后改请求等到有效响应，这样的节点就成功入网，具体流程见图1.25。1.终端传感器节点发送数据这一节以终端传感器节点和协调人节点之间的通信为例，介绍了一种终端传感器节点数据发送程序。实际上，联想到无线传感器开发的低功耗情况下，当传感器节点没有发送请求或不需求发送数据时，传感器节点就会进入休眠状况，从而导致系统功耗增加。在休眠期，当节点受到干扰时，该节点就会恢复到工作状态。Terminal[47]传感器节点发送数据流程图见图1.26。图1.25终端节点入网流程Fig.1.25FlowchartofEnd-pointjoining图1.26终端节点数据发送流程Fig.1.26Flowchartofdatasendinginaterminalnode6网络测试根据传感器网络的硬件平台，分别对协调程序、路由节点程序和终端传感器节点程序进行了下载量测试，并对整个无线传感器网络系统进行了通信拓扑分析和网络结构分析。该方式起始对节点范例通过预定义，然后由终端传感器节点主动拔取路由节点，自构造网络，最初经由过程串口调试助手对网络进行验证，并按照每个节点的父节点绘制分歧环境的网络拓扑图。协调器节点作为会聚节点向上位机发送附加的终端传感器节点和路由节点的数据，后者经过进程MT(MonitorandTest）协议进行处理，数据包按其帧格式分为以下几种：SOF(StartofFrame)、可变长度数据包以及FCS(FrameCheckSequence）如表1.10所示。表1.10帧的格式Table1.10FrameformatSOFMT数据包FCS1字节3-256字节1字节在这些方式中，字节的SOF模块代表了帧的开端，但凡0xFE；字节FCS作为帧的校验序列用于检查数据包的完整性，而可变长度数据包则是3~256字节，MT和和协议数据包的款式见表1.11。表1.11MT数据包的格式Table1.11FormatofMTpacketLENCMDDATA1字节2字节0-250字节LEN是数据的数据长度，如果没有通过数据传输数据，则LEN为0。CMD（命令）是该消息的命令ID（标识符），而DATA是不同的命令ID，可以执行不同的操作；DATA是指实际传输的数据。本论文采用一种包含头部、尾部和尾部的结构体来实现每一节点传输地报文，还包括该节点设备类型、节点网络地址、父节点网络地址和采集的粉尘数据，第一数据用两&个字符表示，后面使用一个&表示，如表1.12所示。表1.12节点数据包DATA的结构Table1.12StructureofnodeDATApacket头设备类型节点网络地址父节点网络地址传感器数据尾&&ROU/ENDXXXXXXXXXXXX&当终端传感器节点毗连到收集时，调和器会为终端传感器节点分派16位逻辑地点。使其辨认收集中的分歧设备，并在数据传输中指定源地点和方针地点。本论文采用一台协调器、两台路由器、三台终端节点进行组网验证。将收集分为自组网和组网，按照现实环境，采取分歧的拓扑布局，改动节点的摆设位置，从而改动收集布局。该调和程序作为汇聚节点向上位机发送终端传感器节点和路由节点的传感器数据，经由过程上位机串口调试助手对质组网停止准确性考证。1.终端节点直接与协调器通信在与PC机串口调试助手显示如图1.28所示的当协调器安排网络端点和端点之间的直接通信时，网络拓扑如下图1.27所示，协调器结点接收终端节点的数据。图1.27协调器与终端直接通信拓扑结构Fig.1.27Topologyofcoordinatorandterminaldirectcommunication图1.28组网测试结果Fig.1.28ResultofNetwork上面的方框图标的逻辑地址是143E路由节点，这在图表中是指具体的数据串。正面如上一节中所示，具体见表1.13。表1.13节点数据包DATA的结构Table1.13StructureofnodeDATApacket头设备类型节点网络地址父节点网络地址传感器数据尾&&ROU143E0000G0471*0583*0528*0146&装置为ROU，代表节点为路由器，后接路由器网路位址及父节点网路位址，感应器资料片段第一个字G代表气体感应器收集资讯，以*号间隔代表四个感应器的采集值。1.终端节点通过路由与协调器通信如果终端节点与协调器节点的距离较大，则无法进行直接通信，需要采用路由节点转发，如图1.29所示。在PC机串口调试助手中[48