物聯(lián)網(wǎng)的概念最初在1999年提出，其基本思路是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。近些年，物聯(lián)網(wǎng)的概念總是和無線傳感器網(wǎng)絡的概念共同提出。無線傳感器網(wǎng)絡由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個網(wǎng)狀拓撲，網(wǎng)絡中的節(jié)點能夠實現(xiàn)路由功能，實現(xiàn)信息多跳傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，極大地延伸了人們的感知領域和范圍[1]。
    目前對于傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的要求一般是結構簡單，成本低廉，能夠長時間地工作。因此目前較為常見的解決方案一般會選用ZigBee協(xié)議作為傳感器網(wǎng)絡或是物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議。ZigBee協(xié)議與傳統(tǒng)的WiFi、藍牙等通信協(xié)議相比，擁有較低的功耗，并能實現(xiàn)多跳傳輸?shù)墓δ埽鄳膫鬏斔俾室草^低，適合傳感器網(wǎng)絡這類數(shù)據(jù)量不會很大，但節(jié)點規(guī)模可能非常大的網(wǎng)絡應用。
    目前ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點大多數(shù)是基于TI的CC系列芯片和Ztack協(xié)議棧，這類基于C語言的協(xié)議棧往往存在著開發(fā)困難、編程復雜等缺點，無法幫助開發(fā)人員迅速地搭建基于ZigBee網(wǎng)絡的傳感器網(wǎng)絡應用[2]。
    本文提出了一種基于SNAP OS和UART的異系統(tǒng)通信架構，SNAP OS本身就是兼容ZigBee通信標準的嵌入式操作系統(tǒng)，能夠很好地實現(xiàn)多跳和多點通信。在此基礎上，利用工作在透傳模式下的SNAP OS，提供給用戶一組基于串口的通信協(xié)議，使得用戶只需懂得簡單的串口編程，即能實現(xiàn)多點對多點的傳感器網(wǎng)絡應用的設計，極大地提升了傳感器網(wǎng)絡的開發(fā)效率。
1 SNAP OS及相關硬件的介紹
    SNAP OS是由美國Synapse公司發(fā)布的一套能運行在各類計算平臺上的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。SNAP OS能夠兼容目前所有主流的通信協(xié)議，并進行異系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)路由傳輸。而該操作系統(tǒng)的另一大特色就是其專門為嵌入式平臺所開發(fā)的SNAPpy虛擬機系統(tǒng)，能夠利用一種與python語法兼容的腳本語言進行編程，并且由于其解釋執(zhí)行的特點，能夠在系統(tǒng)運行的狀態(tài)下進行應用編程，極大地提高了系統(tǒng)開發(fā)的靈活度和便利度。

    由于SNPA OS目前還不是開源的操作系統(tǒng)，因此它只能運行在由Synapse公司或其合作伙伴所開發(fā)的硬件平臺上。本文在設計異系統(tǒng)多點通信架構時，選用了目前國內(nèi)唯一能獲得的ZIC2410模塊作為系統(tǒng)的主要無線通信模塊。該無線通信模塊結構如圖2所示。模塊的整體尺寸十分小巧，并且已經(jīng)集成了射頻收發(fā)的硬件電路和PCB印刷天線及射頻端子，對于需要二次開發(fā)的用戶而言，只需設計底板即可，大大提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。而ZIC2410芯片則是一塊以8051作為內(nèi)核、集成了基帶Modem收發(fā)器的SoC，同時它還擁有豐富的常規(guī)外設，基本能滿足用戶日常開發(fā)所需。

2 ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計
    本文所采用的ZIC2410模塊的最小系統(tǒng)如圖3所示，其在運行SNPA OS之后，原生支持ZigBee網(wǎng)絡的多跳、節(jié)點中繼等特性，并且由于其利用SNAPpy編程語言進行開發(fā)，因此用戶只需幾行代碼即能使其運行在串口透傳模式下，并實現(xiàn)多點通信的功能。但由于ZIC2410采用的是8051內(nèi)核，其運行效率并不是很高，當工作在透傳模式下時，操作系統(tǒng)的大部分運行時間將被透傳任務所占據(jù)，系統(tǒng)對于需要高運算負荷任務的處理效率大大降低[3]。

    為了使本文所設計的異系統(tǒng)多點通信架構能夠滿足各種不同應用場合對于系統(tǒng)性能的要求，設計的ZigBee節(jié)點采用雙處理器的架構，由ZIC2410芯片專門負責無線數(shù)據(jù)的收發(fā)和ZigBee協(xié)議棧的實現(xiàn)，而利用基于Cortex M3內(nèi)核的LPC1754芯片來負責高運算負荷的任務，并利用其極為豐富的外設，極大地豐富了ZigBee節(jié)點的應用場合。
    本文所設計的雙處理器ZigBee節(jié)點系統(tǒng)框圖如圖4所示，LPC1754和ZIC2410芯片采用串口進行通信。同時，利用LPC172自帶的全速USB2.0接口和UART接口，拓展了USB CDC總線和485總線接口[4]。

3.2 通信數(shù)據(jù)包格式
    用戶平面的通信數(shù)據(jù)包如圖6所示，其中接收者地址和發(fā)送者地址可以是承載用戶平面通信的ZigBee節(jié)點在系統(tǒng)中的節(jié)點編號，也可以是用戶平面本身所指定的一些地址信息。由于UART平面和ZigBee平面將廣播所收到的所有用戶平面數(shù)據(jù)包，對于用戶平面來說完全透明，因此該地址無需和ZigBee節(jié)點地址一一對應。此外，該數(shù)據(jù)包格式還對鏈路層的信息進行了額外的打包過程，將鏈路層信息中每7 B數(shù)據(jù)的最高位提取出來，形成一個新的字節(jié)，放在這7 B的末尾，并將這8 B的最高位置0。這樣做的好處是可以把幀起始符和結束符的最高位置1，從而使得最終在無線鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)除了起始符和結束符以外的所有字節(jié)最高位都是0，不會造成幀起始符和結束符的誤判[6-7]。

3.3 通信協(xié)議
    首先，位于UART平面的LPC1754將工作在透明傳輸或ACK傳輸模式下。
    (1)透明傳輸：LPC1754不負責任何對于3.2中通信數(shù)據(jù)包的校驗，只負責將從用戶平面收到的數(shù)據(jù)轉發(fā)出去，所有數(shù)據(jù)包的解析與校驗均在用戶平面完成。其優(yōu)點是用戶平面直接透明傳輸，編程和協(xié)議均較為簡單。而缺點則是由于無線鏈路的不確定性，使得系統(tǒng)整體的通信速率較低，可能會出現(xiàn)較大的重傳概率。
    (2)ACK傳輸模式：LPC1754負責用戶平面下發(fā)的數(shù)據(jù)包的校驗和重傳確認。具體實現(xiàn)方式如下：LPC1754不再透明傳輸從用戶層傳下來的數(shù)據(jù)，而是將用戶層傳輸過來的數(shù)據(jù)存儲在緩存中，并負責對用戶平面的數(shù)據(jù)進行校驗，如果校驗不通過，則直接向用戶平面發(fā)起重傳請求。其優(yōu)點是有效降低了通信的延時，并提高了通信鏈路的可靠性；而缺點則是編程較為復雜，節(jié)點模塊的程序需要根據(jù)具體應用調(diào)整參數(shù)。
    其次，位于ZigBee平面的ZIC2410也將工作在兩種模式下。
    (1)串口廣播模式：ZIC2410將收到的數(shù)據(jù)廣播給某一分組的所有節(jié)點。這樣做的優(yōu)點是ZIC2410將收到的數(shù)據(jù)包直接廣播出去，無需與UART平面有ACK過程，簡化了UART平面編程的難度并降低了運行負荷。而這樣做的缺點也十分明顯，由于ZIC2410將數(shù)據(jù)直接廣播出去，因此當用戶平面下發(fā)的數(shù)據(jù)較大的情況下，無線鏈路上所承載的數(shù)據(jù)負荷將成倍增加，從而造成了ZigBee平面通信效率的下降。
    (2)串口點對點模式：UART平面在將數(shù)據(jù)下發(fā)給ZigBee平面之前，先對ZIC2410下一次無線傳輸?shù)慕邮展?jié)點的地址進行配置，ZIC2410將根據(jù)這一地址來進行后續(xù)數(shù)據(jù)包的點對點無線傳輸。這樣做的優(yōu)點十分明顯，由于ZIC2410工作在點對點模式下，因此無線鏈路傳輸?shù)男屎涂煽啃詫⒋蟠笤黾樱纱艘矔斐蒛ART平面的傳輸效率降低，需要額外的REQ-ACK過程。
    本文所提出的基于ZigBee和UART的異系統(tǒng)多點通信架構很好地利用了ZigBee協(xié)議支持網(wǎng)狀拓撲、多點、節(jié)點中繼的特點以及UART編程簡單的特點，為用戶搭建物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡提供了極大的便利。同時，通過不同工作模式的結合和靈活切換，能夠滿足各類不同的應用場合，有望成為下一代物聯(lián)網(wǎng)的主流通信平臺。
參考文獻
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