基于CyFi低功耗無線解決方案及應用研究

實現無線傳感器網絡的相關協議層出不窮，如紅外、藍牙、ZigBee、Wi-Fi等。但是目前這些協議都存在種種問題，例如紅外技術遇到障礙物就失靈，藍牙比較耗電，ZigBee協議比較復雜等等。針對這些問題，Cypress公司推出了CyFi低功耗無線解決方案，同時還推出了針對新手的PSoC FirstTouch入門套件CY3271以及其他擴展套件。本文使用此套件組建CyFi無線傳感器網絡，并在PC機上通過USB接口實現節點的綁定及數據的采集。

1 CyFi簡介

Cypress公司先前推出的WirelessUSB技術已被廣泛應用于無線鼠標、鍵盤、游戲手柄等產品中。在此基礎之上，Cypress公司又推出了針對嵌入式控制領域的一款低成本、低功耗、高可靠性的無線射頻解決方案——CyFi。CyFi的市場定位使其具有可靠、簡化、低功耗、多信道等特點。

①可靠。通過使用直接序列擴頻（DSSS）調制技術，CyFi能夠使傳輸的數據從可能的錯誤中恢復回來，從而提供出色的連接可靠性。對于來自同樣工作在非常擁擠的2．4 GHz頻段的Wi—Fi、藍牙、ZigBee等其他無線技術的干擾，CyFi的跳頻技術能以預設的頻段間隔自動搜索干凈的信道進行通信，如圖1所示。同時，CyFi的鏈接管理功能可以根據網絡環境將發射功率、傳輸速率自動調整到保證可靠鏈接的最優配置上。DSSS調制、跳頻技術和成熟的鏈接管理算法使得CyFi成為2．4 GHz頻段的高可靠性無線解決方案。

②簡化。CyFi提供的輕量級星型協議棧CYFISNP尺寸非常小，應用于Hub僅占用8 KB，而應用于節點僅為6 KB，如圖2所示。CYFISNP協議?？芍苯釉赑SoCDesigner中使用，其所提供的用戶模塊使開發者只需簡單的拖放即可實現創新的無線設計，用戶無需自行編寫任何通信協議或編碼，與PSoC可編程片上系統的結合使其在研發過程的任何階段都可進行重新編程。

③低功耗。為了實現低功耗，CyFi盡量工作在睡眠模式。這意味著在干擾較弱的情況下，CyFi將以盡可能快的速度（1 Mbps）傳輸，以縮短傳輸時間；而在干擾較強的情況下，將啟用DSSS調制技術并提高RF發射功率以250 kbps的速率傳輸，從而減少重傳的可能。當節點與Hub的距離較近時，節點也能降低發射功率從而減小功耗。這種有效的電源管理機制使得采用CyFi的典型傳感器應用只靠2節AA電池就可使用4年之久。

④多信道。由于CyFi僅占用1 MHz的帶寬，故可用信道多達80個，而ZigBee等僅能使用16個5 MHz的信道。

2 CY3271簡介

CY3271是Cypress公司針對新手推出的一款帶CyFi的低成本USB接口套件，包括PSoC集成開發環境PSoCDesigner、用于數據采集的感應控制軟件SCD、帶RF功能的PC橋FTPC、多功能板FTMF、支持長距離無線應用并帶功率放大器的RF擴展板FTRF，以及2個電池板。其中，PC橋FTPC作為CyFi的Hub設備使用；RF擴展板FTRF作為CyFi的節點設備使用，同時帶有一個超低功耗的溫度傳感器；而多功能板FTMF中帶有CapSense觸摸傳感器、接近式傳感器、溫度傳感器、光傳感器和紅、黃、藍3個LED燈。本文中僅以CapSense觸摸傳感器為例。

3 硬件結構

由于CyFi使用的是星型廣播式網絡協議，所有消息需要經過中心Hub，故實現節點A到節點B數據通信的過程如下：節點A通過I2C協議采集多功能板A的CapSense觸摸滑塊的位置、3個LED燈的亮滅情況等數據，并與目標節點B的ID號一起通過RF發送出去；Hub檢測到網絡中有消息后，再根據消息中的目標節點ID將消息轉發出去，同時將數據保存到緩存中等待PC機讀??；節點B接收到消息之后根據消息中的數據，同樣通過I2C協議控制多功能板B上的3個LED燈的亮滅。其中Hub所在設備FTPC有2個PSoC內核：主內核實現USB—I2C轉換和各個板卡（包括從內核）的編程功能；從內核實現Hub功能，同時通過I2C與主內核連接。系統功能框圖如圖3所示。

4 軟件設計

4．1 PSoC軟件設計

CY3271套件的光盤中提供了各個PSoC的設計樣例，本文中PSoC部分的設計就是在這些樣例的基礎上修改而成的。為了實現上述功能，需要在節點A發送的消息中添加目的節點B的ID信息，以便Hub將接收到的消息再轉發出去。每個CyFi收發器有2種ID；一種為6字節的Radio ID，此ID在收發器出廠時燒入，不可更改且全球唯一；另一種為1字節的Node ID，此ID在節點綁定時確定，可以事先指定也可以由Hub動態分配。由于Ra-dio ID較復雜，開發人員在開發過程中可以忽略RadioID，而只關注Node ID。

對于多功能板A可直接使用光盤上的MF_CS_SLIDE樣例，不需要修改。對于節點A使用的RF_12C_BRIDGE樣例，主函數中需修改調用CyFiSNP_BindStart（）函數時的參數，如下：

其中，采集并發送消息的函數sendNewTxMsg（）中發送的消息類型必須修改為CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR，且應在調用的loadTxData（）函數中添加如下一句以添加節點B的ID信息：

txApiPkt．payload［I2C_PAYLOAD_MAX］=DEV_ID_RX；

對于Hub使用的RF_HUB樣例，首先需要將用戶模塊CYFISNP的Device ID assignment屬性設置為Preas-signed Device ID，以便節點A、B使用指定的ID綁定成功。重新編譯后，在ServeSNPPackets（）函數中接收到CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR類型的消息之后，添加如下代碼：

對于節點B使用的RF_I2C_BRIDGE樣例，其主函數同樣需要修改CYFISNP_BindStart（）函數的參數，同時還需暫存接收到的消息。核心代碼如下：

其中，負責接收消息并且控制多功能板B的函數receiveNewRxMsg（）中必須與節點A對應的將消息類型修改為CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR，且在其中調用的SetI2CData（）函數如下：

對于多功能板B使用的MF_CS_SLIDE樣例，首先使用PSoC Designer的工程克隆功能，將樣例中PSoCExpress編寫的系統級工程克隆為PSoC Designer的芯片級工程，否則不能直接修改程序中的代碼。然后在主函數中添加如下核心代碼：

這樣，5個部分的PSoC程序全部編寫完成，最后分別編譯各個程序再使用PSoC Programmer燒錄到各個板卡中即可。

4．2 上位機軟件設計

盡管CY3271的配套光盤中已包含了用于數據采集和感應控制的軟件SCD，但為了弄清楚FTPC設備USB接口的讀寫過程，以及今后將Hub移植到其他平臺，還是編寫了功能可定制的上位機軟件。此軟件使用VisualC++2005編寫，同時使用了TeeChart圖表顯示控件。

由于CY3271中的FTPC設備采用USB接口與PC機連接，且此USB設備已模擬成標準的HID設備，故上位機軟件與FTPC設備通信時只需要使用標準的HID設備的控制及讀寫函數。對FTPC設備的讀寫過程大致如下：

①使用HidD_GetHidGuid（）函數獲取本機HID設備的接口類GUID。

②使用SetupDiGetClassDevs（）函數獲取HID類中所有設備的信息集合。

③在該設備信息集合中，使用SetupDiEnumDevi-ceInterfaces（）函數獲取每個設備的信息。

④使用SetupDiGetDeviceInterfaceDetail（）函數獲取某個設備的詳細信息。要獲取某個設備的詳細信息，此函數必須調用2次。第1次調用是為了得到保存設備信息需要的緩沖區大小，第2次調用才是真正地獲取設備詳細信息。

⑤獲得設備的詳細信息后，使用設備詳細信息結構體中的DevicePath作為Create File（）函數的參數打開指定的設備。

⑥打開設備后，使用HidD_GetAttributes（）函數獲取設備的屬性（屬性中包含了廠商編號VID、產品編號PID以及產品版本號等信息）。然后比較VID、PID是否與FTPC的一致。如果一致（VID=04B4，PID=F115），則退出查找，說明設備已經找到；如果不一致，則切換到下一個設備，然后重復前面的步驟③～⑥。

找到設備后，就可以對設備進行數據讀寫了。使用Bus Hound軟件查看USB設備及抓取USB數據包。經分析發現，FTPC設備是使用HID設備中的中斷端點傳輸數據的，故應調用ReadFile（）和WriteFile（）函數實現讀寫。由于FTPc設備為HID從設備，故對FTPC設備的每個讀或寫的過程都同時有先寫后讀的操作。也就是說，寫FTPC設備時是先寫入相關的寫命令和欲寫入的數據，再讀出寫入是否成功的反饋；讀FTPC設備時是先寫入相關的讀命令，再讀出欲讀取的數據。

按照上述方法，再結合Hub的PSoC程序中定義的命令和：Bus Hound抓包得到的結果，就可以對FTPC設備中的Hub執行相應的操作了，如進入綁定狀態，讀取綁定結果，讀取接收到的消息等。節點綁定成功之后，即可查看實時的數據采集情況，包括數據采集的時間和滑塊位置值等，如圖4所示。

結 語

CyFi的出現使無線傳感器網絡中的各種問題迎刃而解，而PSoC的用戶模塊方式極大地方便了開發人員，使開發人員只需通過拖放及添加簡單的代碼，就能輕松地完成復雜的無線傳感器網絡應用的設計與開發。同時，入門套件的Hub設備模擬成標準的HID設備，也使PC機上應用程序的開發變得輕而易舉。

責任編輯：gt