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基于 CyFi 的无线传感器网络组建与通信设计
作者：叶青林,马忠梅
来源：单片机与嵌入式系统
日期：2010-01-14 15:48:24
摘要：实现无线传感器网络的相关协议层出不穷，如红外、蓝牙、ZigBee、Wi-Fi等。但是目前这些协议都存在种种问题，例如红外技术遇到障碍物就失灵，蓝牙比较耗电，ZigBee协议比较复杂等等。针对这些问题，Cypress公司推出了CyFi低功耗无线解决方案，同时还推出了针对新手的PSoC FirstTouch入门套件CY3271以及其他扩展套件。本文使用此套件组建CyFi无线传感器网络，并在PC机上通过USB接口实现节点的绑定及数据的采集。
实现无线传感器网络的相关协议层出不穷，如红外、蓝牙、ZigBee、Wi-Fi等。但是目前这些协议都存在种种问题，例如红外技术遇到障碍物就失灵，蓝牙比较耗电，ZigBee协议比较复杂等等。针对这些问题，Cypress公司推出了CyFi低功耗无线解决方案，同时还推出了针对新手的PSoC FirstTouch入门套件CY3271以及其他扩展套件。本文使用此套件组建CyFi无线传感器网络，并在PC机上通过USB接口实现节点的绑定及数据的采集。
1 CyFi简介
Cypress公司先前推出的WirelessUSB技术已被广泛应用于无线鼠标、键盘、游戏手柄等产品中。在此基础之上，Cypress公司又推出了针对嵌入式控制领域的一款低成本、低功耗、高可靠性的无线射频解决方案——CyFi。CyFi的市场定位使其具有可靠、简化、低功耗、多信道等特点。
①可靠。通过使用直接序列扩频(DSSS)调制技术，CyFi能够使传输的数据从可能的错误中恢复回来，从而提供出色的连接可靠性。对于来自同样工作在非常拥挤的2．4 GHz频段的Wi—Fi、蓝牙、ZigBee等其他无线技术的干扰，CyFi的跳频技术能以预设的频段间隔自动搜索干净的信道进行通信，如图1所示。同时，CyFi的链接管理功能可以根据网络环境将发射功率、传输速率自动调整到保证可靠链接的最优配置上。DSSS调制、跳频技术和成熟的链接管理算法使得CyFi成为2．4 GHz频段的高可靠性无线解决方案。
③低功耗。为了实现低功耗，CyFi尽量工作在睡眠模式。这意味着在干扰较弱的情况下，CyFi将以尽可能快的速度(1 Mbps)传输，以缩短传输时间；而在干扰较强的情况下，将启用DSSS调制技术并提高RF发射功率以250 kbps的速率传输，从而减少重传的可能。当节点与Hub的距离较近时，节点也能降低发射功率从而减小功耗。这种有效的电源管理机制使得采用CyFi的典型传感器应用只靠2节AA电池就可使用4年之久。
④多信道。由于CyFi仅占用1 MHz的带宽，故可用信道多达80个，而ZigBee等仅能使用16个5 MHz的信道。
CY3271是Cypress公司针对新手推出的一款带CyFi的低成本USB接口套件，包括PSoC集成开发环境PSoCDesigner、用于数据采集的感应控制软件SCD、带RF功能的PC桥FTPC、多功能板FTMF、支持长距离无线应用并带功率放大器的RF扩展板FTRF，以及2个电池板。其中，PC桥FTPC作为CyFi的Hub设备使用；RF扩展板FTRF作为CyFi的节点设备使用，同时带有一个超低功耗的温度传感器；而多功能板FTMF中带有CapSense触摸传感器、接近式传感器、温度传感器、光传感器和红、黄、蓝3个LED灯。本文中仅以CapSense触摸传感器为例。
3 硬件结构
由于CyFi使用的是星型广播式网络协议，所有消息需要经过中心Hub，故实现节点A到节点B数据通信的过程如下：节点A通过I2C协议采集多功能板A的CapSense触摸滑块的位置、3个LED灯的亮灭情况等数据，并与目标节点B的ID号一起通过RF发送出去；Hub检测到网络中有消息后，再根据消息中的目标节点ID将消息转发出去，同时将数据保存到缓存中等待PC机读取；节点B接收到消息之后根据消息中的数据，同样通过I2C协议控制多功能板B上的3个LED灯的亮灭。其中Hub所在设备FTPC有2个PSoC内核：主内核实现USB—I2C转换和各个板卡(包括从内核)的编程功能；从内核实现Hub功能，同时通过I2C与主内核连接。系统功能框图如图3所示。
4．1 PSoC软件设计
CY3271套件的光盘中提供了各个PSoC的设计样例，本文中PSoC部分的设计就是在这些样例的基础上修改而成的。为了实现上述功能，需要在节点A发送的消息中添加目的节点B的ID信息，以便Hub将接收到的消息再转发出去。每个CyFi收发器有2种ID；一种为6字节的Radio ID，此ID在收发器出厂时烧入，不可更改且全球唯一；另一种为1字节的Node ID，此ID在节点绑定时确定，可以事先指定也可以由Hub动态分配。由于Ra-dio ID较复杂，开发人员在开发过程中可以忽略RadioID，而只关注Node ID。
对于多功能板A可直接使用光盘上的MF_CS_SLIDE样例，不需要修改。对于节点A使用的RF_12C_BRIDGE样例，主函数中需修改调用CyFiSNP_BindStart()函数时的参数，如下：
其中，采集并发送消息的函数sendNewTxMsg()中发送的消息类型必须修改为CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR，且应在调用的loadTxData()函数中添加如下一句以添加节点B的ID信息：
txApiPkt．payload[I2C_PAYLOAD_MAX]=DEV_ID_RX；
对于Hub使用的RF_HUB样例，首先需要将用户模块CYFISNP的Device ID assignment属性设置为Preas-signed Device ID，以便节点A、B使用指定的ID绑定成功。重新编译后，在ServeSNPPackets()函数中接收到CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR类型的消息之后，添加如下代码：
对于节点B使用的RF_I2C_BRIDGE样例，其主函数同样需要修改CYFISNP_BindStart()函数的参数，同时还需暂存接收到的消息。核心代码如下：
其中，负责接收消息并且控制多功能板B的函数receiveNewRxMsg()中必须与节点A对应的将消息类型修改为CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR，且在其中调用的SetI2CData()函数如下：
4．2 上位机软件设计
尽管CY3271的配套光盘中已包含了用于数据采集和感应控制的软件SCD，但为了弄清楚FTPC设备USB接口的读写过程，以及今后将Hub移植到其他平台，还是编写了功能可定制的上位机软件。此软件使用VisualC++2005编写，同时使用了TeeChart图表显示控件。
由于CY3271中的FTPC设备采用USB接口与PC机连接，且此USB设备已模拟成标准的HID设备，故上位机软件与FTPC设备通信时只需要使用标准的HID设备的控制及读写函数。对FTPC设备的读写过程大致如下：
①使用HidD_GetHidGuid()函数获取本机HID设备的接口类GUID。
②使用SetupDiGetClassDevs()函数获取HID类中所有设备的信息集合。
③在该设备信息集合中，使用SetupDiEnumDevi-ceInterfaces()函数获取每个设备的信息。
④使用SetupDiGetDeviceInterfaceDetail()函数获取某个设备的详细信息。要获取某个设备的详细信息，此函数必须调用2次。第1次调用是为了得到保存设备信息需要的缓冲区大小，第2次调用才是真正地获取设备详细信息。
⑤获得设备的详细信息后，使用设备详细信息结构体中的DevicePath作为Create File()函数的参数打开指定的设备。
⑥打开设备后，使用HidD_GetAttributes()函数获取设备的属性(属性中包含了厂商编号VID、产品编号PID以及产品版本号等信息)。然后比较VID、PID是否与FTPC的一致。如果一致(VID=04B4，PID=F115)，则退出查找，说明设备已经找到；如果不一致，则切换到下一个设备，然后重复前面的步骤③～⑥。
找到设备后，就可以对设备进行数据读写了。使用Bus Hound软件查看USB设备及抓取USB数据包。经分析发现，FTPC设备是使用HID设备中的中断端点传输数据的，故应调用ReadFile()和WriteFile()函数实现读写。由于FTPc设备为HID从设备，故对FTPC设备的每个读或写的过程都同时有先写后读的操作。也就是说，写FTPC设备时是先写入相关的写命令和欲写入的数据，再读出写入是否成功的反馈；读FTPC设备时是先写入相关的读命令，再读出欲读取的数据。
按照上述方法，再结合Hub的PSoC程序中定义的命令和：Bus Hound抓包得到的结果，就可以对FTPC设备中的Hub执行相应的操作了，如进入绑定状态，读取绑定结果，读取接收到的消息等。节点绑定成功之后，即可查看实时的数据采集情况，包括数据采集的时间和滑块位置值等，如图4所示。
CyFi的出现使无线传感器网络中的各种问题迎刃而解，而PSoC的用户模块方式极大地方便了开发人员，使开发人员只需通过拖放及添加简单的代码，就能轻松地完成复杂的无线传感器网络应用的设计与开发。同时，入门套件的Hub设备模拟成标准的HID设备，也使PC机上应用程序的开发变得轻而易举。
1 CyFi简介
Cypress公司先前推出的WirelessUSB技术已被广泛应用于无线鼠标、键盘、游戏手柄等产品中。在此基础之上，Cypress公司又推出了针对嵌入式控制领域的一款低成本、低功耗、高可靠性的无线射频解决方案——CyFi。CyFi的市场定位使其具有可靠、简化、低功耗、多信道等特点。
①可靠。通过使用直接序列扩频(DSSS)调制技术，CyFi能够使传输的数据从可能的错误中恢复回来，从而提供出色的连接可靠性。对于来自同样工作在非常拥挤的2．4 GHz频段的Wi—Fi、蓝牙、ZigBee等其他无线技术的干扰，CyFi的跳频技术能以预设的频段间隔自动搜索干净的信道进行通信，如图1所示。同时，CyFi的链接管理功能可以根据网络环境将发射功率、传输速率自动调整到保证可靠链接的最优配置上。DSSS调制、跳频技术和成熟的链接管理算法使得CyFi成为2．4 GHz频段的高可靠性无线解决方案。
③低功耗。为了实现低功耗，CyFi尽量工作在睡眠模式。这意味着在干扰较弱的情况下，CyFi将以尽可能快的速度(1 Mbps)传输，以缩短传输时间；而在干扰较强的情况下，将启用DSSS调制技术并提高RF发射功率以250 kbps的速率传输，从而减少重传的可能。当节点与Hub的距离较近时，节点也能降低发射功率从而减小功耗。这种有效的电源管理机制使得采用CyFi的典型传感器应用只靠2节AA电池就可使用4年之久。
④多信道。由于CyFi仅占用1 MHz的带宽，故可用信道多达80个，而ZigBee等仅能使用16个5 MHz的信道。
CY3271是Cypress公司针对新手推出的一款带CyFi的低成本USB接口套件，包括PSoC集成开发环境PSoCDesigner、用于数据采集的感应控制软件SCD、带RF功能的PC桥FTPC、多功能板FTMF、支持长距离无线应用并带功率放大器的RF扩展板FTRF，以及2个电池板。其中，PC桥FTPC作为CyFi的Hub设备使用；RF扩展板FTRF作为CyFi的节点设备使用，同时带有一个超低功耗的温度传感器；而多功能板FTMF中带有CapSense触摸传感器、接近式传感器、温度传感器、光传感器和红、黄、蓝3个LED灯。本文中仅以CapSense触摸传感器为例。
3 硬件结构
由于CyFi使用的是星型广播式网络协议，所有消息需要经过中心Hub，故实现节点A到节点B数据通信的过程如下：节点A通过I2C协议采集多功能板A的CapSense触摸滑块的位置、3个LED灯的亮灭情况等数据，并与目标节点B的ID号一起通过RF发送出去；Hub检测到网络中有消息后，再根据消息中的目标节点ID将消息转发出去，同时将数据保存到缓存中等待PC机读取；节点B接收到消息之后根据消息中的数据，同样通过I2C协议控制多功能板B上的3个LED灯的亮灭。其中Hub所在设备FTPC有2个PSoC内核：主内核实现USB—I2C转换和各个板卡(包括从内核)的编程功能；从内核实现Hub功能，同时通过I2C与主内核连接。系统功能框图如图3所示。
4．1 PSoC软件设计
CY3271套件的光盘中提供了各个PSoC的设计样例，本文中PSoC部分的设计就是在这些样例的基础上修改而成的。为了实现上述功能，需要在节点A发送的消息中添加目的节点B的ID信息，以便Hub将接收到的消息再转发出去。每个CyFi收发器有2种ID；一种为6字节的Radio ID，此ID在收发器出厂时烧入，不可更改且全球唯一；另一种为1字节的Node ID，此ID在节点绑定时确定，可以事先指定也可以由Hub动态分配。由于Ra-dio ID较复杂，开发人员在开发过程中可以忽略RadioID，而只关注Node ID。
对于多功能板A可直接使用光盘上的MF_CS_SLIDE样例，不需要修改。对于节点A使用的RF_12C_BRIDGE样例，主函数中需修改调用CyFiSNP_BindStart()函数时的参数，如下：
其中，采集并发送消息的函数sendNewTxMsg()中发送的消息类型必须修改为CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR，且应在调用的loadTxData()函数中添加如下一句以添加节点B的ID信息：
txApiPkt．payload[I2C_PAYLOAD_MAX]=DEV_ID_RX；
对于Hub使用的RF_HUB样例，首先需要将用户模块CYFISNP的Device ID assignment属性设置为Preas-signed Device ID，以便节点A、B使用指定的ID绑定成功。重新编译后，在ServeSNPPackets()函数中接收到CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR类型的消息之后，添加如下代码：
对于节点B使用的RF_I2C_BRIDGE样例，其主函数同样需要修改CYFISNP_BindStart()函数的参数，同时还需暂存接收到的消息。核心代码如下：
其中，负责接收消息并且控制多功能板B的函数receiveNewRxMsg()中必须与节点A对应的将消息类型修改为CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR，且在其中调用的SetI2CData()函数如下：
4．2 上位机软件设计
尽管CY3271的配套光盘中已包含了用于数据采集和感应控制的软件SCD，但为了弄清楚FTPC设备USB接口的读写过程，以及今后将Hub移植到其他平台，还是编写了功能可定制的上位机软件。此软件使用VisualC++2005编写，同时使用了TeeChart图表显示控件。
由于CY3271中的FTPC设备采用USB接口与PC机连接，且此USB设备已模拟成标准的HID设备，故上位机软件与FTPC设备通信时只需要使用标准的HID设备的控制及读写函数。对FTPC设备的读写过程大致如下：
①使用HidD_GetHidGuid()函数获取本机HID设备的接口类GUID。
②使用SetupDiGetClassDevs()函数获取HID类中所有设备的信息集合。
③在该设备信息集合中，使用SetupDiEnumDevi-ceInterfaces()函数获取每个设备的信息。
④使用SetupDiGetDeviceInterfaceDetail()函数获取某个设备的详细信息。要获取某个设备的详细信息，此函数必须调用2次。第1次调用是为了得到保存设备信息需要的缓冲区大小，第2次调用才是真正地获取设备详细信息。
⑤获得设备的详细信息后，使用设备详细信息结构体中的DevicePath作为Create File()函数的参数打开指定的设备。
⑥打开设备后，使用HidD_GetAttributes()函数获取设备的属性(属性中包含了厂商编号VID、产品编号PID以及产品版本号等信息)。然后比较VID、PID是否与FTPC的一致。如果一致(VID=04B4，PID=F115)，则退出查找，说明设备已经找到；如果不一致，则切换到下一个设备，然后重复前面的步骤③～⑥。
找到设备后，就可以对设备进行数据读写了。使用Bus Hound软件查看USB设备及抓取USB数据包。经分析发现，FTPC设备是使用HID设备中的中断端点传输数据的，故应调用ReadFile()和WriteFile()函数实现读写。由于FTPc设备为HID从设备，故对FTPC设备的每个读或写的过程都同时有先写后读的操作。也就是说，写FTPC设备时是先写入相关的写命令和欲写入的数据，再读出写入是否成功的反馈；读FTPC设备时是先写入相关的读命令，再读出欲读取的数据。
按照上述方法，再结合Hub的PSoC程序中定义的命令和：Bus Hound抓包得到的结果，就可以对FTPC设备中的Hub执行相应的操作了，如进入绑定状态，读取绑定结果，读取接收到的消息等。节点绑定成功之后，即可查看实时的数据采集情况，包括数据采集的时间和滑块位置值等，如图4所示。
CyFi的出现使无线传感器网络中的各种问题迎刃而解，而PSoC的用户模块方式极大地方便了开发人员，使开发人员只需通过拖放及添加简单的代码，就能轻松地完成复杂的无线传感器网络应用的设计与开发。同时，入门套件的Hub设备模拟成标准的HID设备，也使PC机上应用程序的开发变得轻而易举。
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