[XMOVE自主设计的体感方案] XMove 4.0 无线组网协议

一. 综述

　　XMove 4.0需要支持多节点混合组网，在用户超过两个或两个以上时，可能会有多达40个以上的节点接入到系统之中。这些节点可能包括来自前几代的兼容节点，也可能是4.0的超微节点和手持节点。如何使这些节点正常无干扰的工作，并处于低功耗，是一个非常复杂而艰巨的任务。

　　无线协议有以下具体任务：

• 　　尽可能准确有效无丢包的将节点数据传递给上位机
• 将上位机的控制信息有效的传递给节点，并使节点改变为相应的工作状态
• 支持多节点多拓扑混合组网

　　

　　作者为通信专业出身，对无线协议有一定的了解。我通过以下方式来解决该问题：

• 　　扁平的节点类型，尽可能简化的无线协议
• 建立上行链路（从节点到PC机）和下行链路（从PC机到节点）
• 所有协议全部内置PC端，由PC端发送指令实现控制逻辑，节点只负责按照工作模式执行工作
• 使用多信道方式解决无线干扰问题，采用自动信道分配算法，实现最优接收结构

二. 节点状态描述

　　所有节点都继承于XNode类，该类为基本的通信，工作模式提供了服务。具体细节请参看文集中的节点设计部分。

　　1. 节点区分标记

　　节点通过NodeType字段表明节点类型：

　　

　　

    例如，超微型节点XNodeMini处于XMOVE4.0，类型号为1，因此nodeTypeID=1。

　　节点通过RawID确定其硬件ID号。

　　注意，不同类型的节点允许存在相同ID，但相同类型节点不允许存在相同ID，否则系统无法判断。

   2. 节点能力描述

　　

　　六个属性分别给出该节点是否包含对应传感器是否存在的标识。

　　3.节点工作状态描述

　　对于节点工作状态，有两个类来描述，它们分别是描述节点自身工作状态，以及系统要求的工作状态。此处只介绍节点自身工作状态描述。

　　

  三. 上行链路：从节点到PC机

　　XMove上行信道统一采用24byte包长形式，其各位标记如下：

　　其中，电池电量，三轴传感器数据的定义随节点不同而不同，此处不硬性规定。

四. 下行链路：从PC机到节点

　　XMove下行链路控制更为简单，包长与上行一致，为24byte. 由于PC机通常没有2.4GHz无线通信能力，必须经过转接节点。转接节点收到数据后转发给各子节点。

　　

　　TransferID是要发送到的桥接节点ID,桥接节点发现本机ID与该字段一致时，才会认为是己方数据。

　　PacketType是包类型描述，1代表是RF信道配置，用于配置本机不同射频模块的RF参数，后面每两个字节代表一个射频模块，分别是模块ID和要配置的信道ID。

　　2代表配置子节点状态，桥接节点收到后，不经过任何处理，直接转发给子节点。子节点收到数据后，在该包中找到匹配的RawID,并通过该位下一位的WorkMode修正自身的工作模式。

五.  工作模式和信道控制逻辑

　　控制信道涉及对节点工作模式和射频的控制两大部分。但实际上，它们是在一起发送的，下面我们分别介绍它们。

　　1. 工作模式控制

　　为了尽可能的降低节点功耗，节点的刷新速率和陀螺仪开启状态是应该根据需求动态调整的。在不需要节点传输数据时，节点应该以最低的4s一次的“呼吸包”通知管理器该节点依旧“存活”。而实际上，可能有多种应用同时需要该节点的数据，他们对该节点的工作状态需求是不同的。应该找到能满足这些应用的最低需求。为解决这个问题，我们设计了这个类：

　　该类从NodeWorkMode继承，多了一个新属性：myNeededList ,它存储了所有应用对该节点的所有需求。当外界读取该类的WorkMode值时，它会返回满足这些需求的最低需求。它实际上是一个字典： Dictionary<IProgramWPF, Tuple<bool, NodeFreshSpeed>>。

　　至于应用如何给出节点的工作模式需求，请参考XMove Studio应用开发API介绍。

　　2. 信道分配算法

　　为了尽可能提升系统的无线性能，硬件上采用了多个信道分配的策略，但这也造成了如何分配信道的问题。我们设计了如下的信道枚举：

    /// <summary>
    /// 信道ID
    /// </summary>
    public enum RFChannel
    {
        /// <summary>
        /// 基础信道，默认节点开启时，处在该信道
        /// </summary>
        RF0=0,
        RF1=1,
        RF2=2,
        RF3=3,
        RF4=4,
        RF5=5,
        RF6=6,
        RF7=7
    }

　　当节点开启时，所有的RF节点都以一秒一次的速度在RF0信道上工作。

　　当所有节点都在通信方法的节点映射表中注册之后，系统会自动启动信道分配算法，并开始控制逻辑。其原则如下：

• 　　系统中可能包含多个桥接节点，它们的RF信道数量可能不同，
• 系统中包含大量子节点，它们都默认工作在RF0信道，应该将其均匀的分配在各信道中。
• 若某信道的误包率太大，则应该将该节点切换到信道状态良好的信道。

　　作者设计了RFChannelDistributor类专门解决信道分配问题：

　　其具体操作流程如下：

　　

　　3. 发送控制信息

　　当系统发现节点的工作模式与系统需求的工作模式不匹配时，系统就会启动控制信息发送过程。

　　由于下行链路的包长为24字节，因此一次最多只能控制11个节点。系统只发送状态不正确的节点控制信息，若一次发不完，则分开发送。每个包发送后，都会经过300ms的延时，再发送一次，总共发送三次，保证数据发送无误。

六. 节点工作状态监视

　　系统提供了节点工作状态监视组件。

　　左边的列表给出了所有激活的节点队列，点选其中任意一项，右边的监测器就会对其工作状态进行监视，具体属性可参看使用说明，此处不赘述。

　　若您希望手动更正所有节点工作模式和频段，在菜单栏中的“通信”一栏的“重配射频信道”选项，可以帮您完成该过程。

七. 总结

　　本文详细介绍了XMove4.0的组网问题和工作模式描述。一篇文章无法描述完整内容。在上下行链路中，也仅仅介绍了2.4G射频信道的数据格式，手机蓝牙信道等都没有提及。

　　实践证明，该配置可以简单高效的解决信道分配的问题，在实现各应用需求下实现最佳性能和最低功耗。

　　有任何问题，欢迎讨论。