Slp_Wk_and_Tx

Slp_Wk_and_Tx は、定期起床後、何か実行(センサーデータの取得など)を行って、その結果を無線パケットとして送信するようなアプリケーションを想定した、テンプレートソースコードです。

setup(), loop() の形式では、どうしても loop() 中が判読しづらい条件分岐が発生しがちです。本Actでは、loop()中をSM_SIMPLEステートマシンを用いて switch構文による単純な状態遷移を用いることで、コードの見通しを良くしています。

このアクトには以下が含まれます。

  • 代表的な間欠動作(スリープ→起床→計測→無線送信→スリープ)の制御構造について

  • 送信パケットの生成と送信手続き、完了待ちについて

アクトの機能

  • 起動後、初期化処理を経て、一旦スリープする

    1. setup()初期化する

    2. begin() スリープ実行する

  • スリープ起床後、状態変数を初期化し、以下の順に動作を行う

    1. wakeup()スリープからの起床、各初期化を行う

    2. loop()状態INIT->WORK_JOBに遷移: 何らかの処理を行う(このActでは 1ms ごとの TickCount ごとにカウンタを更新し乱数で決めたカウント後にTX状態に進む)

    3. loop() 状態TX送信要求を行う

    4. loop() 状態WAIT_TX送信完了待ちを行う

    5. loop() 状態EXIT_NORMALスリープする (1. に戻る)

  • loop() 状態EXIT_FATAL エラーが発生した場合は、モジュールリセットする

アクトの解説

宣言部

インクルード

#include <TWELITE>
#include <NWK_SIMPLE>
#include <SM_SIMPLE>
#include "Common.h"

パケット送信を行うため <NWK_SIMPLE> をインクルードしています。また、アプリケーションIDなど基本的な定義は "Common.h" に記述しています。

状態定義

loop()内の順次処理を記述うするため、このサンプルではステートマシン(状態遷移)の考え方を用います。ごく単純な状態遷移の処理をまとめた<SM_SIMPLE>を用います。

Common.h に以下の状態に対応する列挙体 STATE が定義されています。

enum class STATE {
INIT = 0, // INIT STATE
WORK_JOB, // do some job (e.g sensor capture)
TX, // reuest transmit
WAIT_TX, // wait its completion
EXIT_NORMAL, // normal exiting.
EXIT_FATAL // has a fatal error (will do system reset)
};

状態を示す列挙体STATEを用いてSM_SIMPLEステートマシン(状態遷移)を宣言します。

SM_SIMPLE<STATE> step;

ここで宣言されたstepは、状態の管理、タイムアウト、処理待ちを行うための機能が含まれています。

センサーデータ

このサンプルではセンサーデーターの処理は行いませんが、ダミーデータを用意しておきます。

struct {
uint16_t dummy_work_ct_now;
uint16_t dummy_work_ct_max; // counter for dummy work job.
} sensor;

setup()

void setup() {
/*** SETUP section */
step.setup(); // init state machine
// the twelite main class
the_twelite
<< TWENET::appid(APP_ID) // set application ID (identify network group)
<< TWENET::channel(CHANNEL) // set channel (pysical channel)
<< TWENET::rx_when_idle(false); // open receive circuit (if not set, it can't listen packts from others)
// Register Network
auto&& nwk = the_twelite.network.use<NWK_SIMPLE>();
nwk << NWK_SIMPLE::logical_id(DEVICE_ID); // set Logical ID.
/*** BEGIN section */
the_twelite.begin(); // start twelite!
/*** INIT message */
Serial << "--- Sleep an Tx Act ---" << crlf;
}

変数やクラスオブジェクトの初期化を行います。

  • stepステートマシンの初期化

  • the_tweliteクラスオブジェクトの初期化

  • ネットワーク <NWK_SIMPLE> の登録と初期化(DEVICE_IDの登録)を行います。

つづいてクラスオブジェクトやハードウェアなどの開始処理を行います。

the_twelite.begin(); // start twelite!

the_tweliteを開始するための手続きです。act0..4では出てきませんでしたがthe_tweliteの設定や各種ビヘイビアの登録を行った場合は、必ず呼び出すようにしてください。

begin()

void begin() {
Serial << "..begin (run once at boot)" << crlf;
SleepNow();
}

setup()の直後に一度だけ呼び出されます。SleepNow()関数夜を呼び出して初回のスリープ手続きを行います。

wakeup()

void wakeup() {
 memset(&sensor, 0, sizeof(sensor));
Serial << crlf << int(millis()) << ":wake up!" << crlf;
}

起床直後に呼び出されます。ここではセンサーデータ領域の初期化と、起床時のメッセージを出力しています。

loop()

void loop() {
do {
switch(step.state()) {
case STATE::INIT:
sensor.dummy_work_ct_now = 0;
sensor.dummy_work_ct_max = random(10,1000);
step.next(STATE::WORK_JOB);
break;
...
}
} while (step.b_more_loop());
}

上記のコードは、実際のコードを簡略化したものです。

この制御構造はSM_SIMPLEステートマシンを利用しています。do..while() 構文のループになっています。ループの中はswitch case節となっていて、.state()で得られた状態により処理を分岐しています。状態の遷移は.next()を呼び出しステートマシン内の内部変数を新しい状態値に書き換えます。

step.b_more_loop()は、.next()により状態遷移があった場合trueに設定されます。これは状態遷移が発生したときloop()を脱出せずに次の状態のコード(case節)を実行する目的です。

以下に各状態の解説を行います。

STATE::INIT

sensor.dummy_work_ct_now = 0;
sensor.dummy_work_ct_max = random(10,1000);
step.next(STATE::WORK_JOB);

ダミーーのセンサー値を初期化します。一つは加算カウンタ、一つはカウンター停止値でランダムに決定しています。

STATE::WORK_JOB

if (TickTimer.available()) {
Serial << '.';
sensor.dummy_work_ct_now++;
if (sensor.dummy_work_ct_now >= sensor.dummy_work_ct_max) {
Serial << crlf;
step.next(STATE::TX);
}
}

WORK_JOB状態では1msごとのタイマー単位で処理します。TickタイマーごとにTickTimer.available()になります。Tickタイマーごとにカウンタを加算しdummy_work_ct_maxになったら、次の状態STATE::TXに遷移します。

STATE::TX

if (Transmit()) {
Serial << int(millis()) << ":tx request success!" << crlf;
step.set_timeout(100);
step.clear_flag();
step.next(STATE::WAIT_TX);
} else {
// normall it should not be here.
Serial << int(millis()) << "!FATAL: tx request failed." << crlf;
step.next(STATE::EXIT_FATAL);
}

Transmit()関数を呼び出しパケット送信要求を行います。送信要求が成功した場合はSTATE::WAIT_TXEVENTに遷移して送信完了を待つことになります。ここでは完了待ちとしてSM_SIMPLEステートマシンのタイムアウトとフラッグ機能を用います(待ちループ中での変数値の変化により判定する単純なものです)。

単一の送信要求が失敗することは通常想定しませんが、失敗時はSTATE::EXIT_FATALとして例外処理する状態に遷移します。

この時点ではまだパケットが送信されていないため、この時点でスリープをしてはいけません。多くの場合、送信完了を待ってから、続く処理を行います。

Transmit()関数はMWX_APIRETオブジェクトを返しますが、このオブジェクトはbool型の成功の可否と、最大31ビットの値を保持しています。bool型として評価できますから、if文の判定は送信要求が成功したらtrue、失敗したらfalseを返します。

STATE::WAIT_TX

if (step.is_flag_ready()) {
Serial << int(millis()) << ":tx completed!" << crlf;
step.next(STATE::EXIT_NORMAL);
} else if (step.is_timeout()) {
Serial << int(millis()) << "!FATAL: tx timeout." << crlf;
step.next(STATE::EXIT_FATAL);
}

送信完了待ちは後述のon_tx_comp()によりステートマシン機能のフラッグをセットすることで判定しています。タイムアウトは.is_timeout()を呼び出すことで.set_timeout()を行ったときからの経過時間により判定します。

送信が成功しても失敗しても通常は完了通知がありますが、タイムアウトを設け例外処理のための状態STATE::EXIT_FATALに遷移します。

STATE::EXIT_NORMAL

SleepNow();

SleepNow()を呼び出して、スリープ処理に入ります。

STATE::EXIT_FATAL

Serial << crlf << "!FATAL: RESET THE SYSTEM.";
delay(1000); // wait a while.
the_twelite.reset_system();

重大なエラーとして、システムリセットを行います。

SleepNow()

void SleepNow() {
uint16_t u16dur = SLEEP_DUR;
u16dur = random(SLEEP_DUR - SLEEP_DUR_TERMOR, SLEEP_DUR + SLEEP_DUR_TERMOR);
Serial << int(millis()) << ":sleeping for " << int(u16dur) << "ms" << crlf;
Serial.flush();
step.on_sleep(); // reset status of statemachine to INIT state.
the_twelite.sleep(u16dur, false);
}

周期スリープを行います。スリープ時間はrandom()関数を用いて、一定の時間ブレを作っています。これは複数のデバイスの送信周期が同期した場合、著しく失敗率が上がる場合があるためです。

スリープ前にはSM_SIMPLEステートマシンの状態を.on_sleep()を呼び出してセットしておきます。

Transmit()

MWX_APIRET vTransmit() {
Serial << int(millis()) << ":vTransmit()" << crlf;
if (auto&& pkt = the_twelite.network.use<NWK_SIMPLE>().prepare_tx_packet()) {
// set tx packet behavior
pkt << tx_addr(0x00) // 0..0xFF (LID 0:parent, FE:child w/ no id, FF:LID broad cast), 0x8XXXXXXX (long address)
<< tx_retry(0x1) // set retry (0x3 send four times in total)
<< tx_packet_delay(0,0,2); // send packet w/ delay (send first packet with randomized delay from 0 to 0ms, repeat every 2ms)
// prepare packet payload
pack_bytes(pkt.get_payload() // set payload data objects.
, make_pair(FOURCC, 4) // string should be paired with length explicitly.
, uint32_t(millis()) // put timestamp here.
, uint16_t(sensor.dummy_work_ct_now) // put dummy sensor information.
);
// do transmit
//return nwksmpl.transmit(pkt);
return pkt.transmit();
}
return MWX_APIRET(false, 0);
}

ID=0x00の親機宛に無線パケットの送信要求を行います。格納されるデータはActサンプルで共通に使われている4文字識別子(FOURCC)に加え、システム時間[ms]とダミーセンサー値(sensor.dummy_work_ct_now)を格納します。

まず最初に送信パケットを格納するオブジェクトを取得します。このオブジェクトを操作し、送信データや条件を設定します。

if (auto&& pkt = the_twelite.network.use<NWK_SIMPLE>().prepare_tx_packet()) {

mwx ライブラリでは、if文中でオブジェクトを取得し、そのオブジェクトのbool判定でtrueの場合に処理を行う記述を採用しています。ここではthe_twelite.network.use<NWK_SIMPLE>()によりボードオブジェクトを取得し、ボードオブジェクトの.prepare_tx_packet()によりパケットオブジェクトを取得しています。パケットオブジェクトの取得失敗は通常想定しませんが、失敗時は送信キューが一杯で送信要求が受け付けられない場合です。このサンプルは単一の送信のみですから、エラーは想定外の重大な問題に限られます。

pkt << tx_addr(0x00) // 宛先
<< tx_retry(0x1) // 再送回数
<< tx_packet_delay(0,0,2); // 送信遅延

得られたpktオブジェクトに対して、送信条件(宛先や再送など)を<<演算子を用いて設定します。tx_addrはパケットの宛先を指定します。tx_retryは再送回数、tx_packet_delayは送信遅延の指定です。

pack_bytes(pkt.get_payload() // set payload data objects.
, make_pair(FOURCC, 4) // string should be paired with length explicitly.
, uint32_t(millis()) // put timestamp here.
, uint16_t(sensor.dummy_work_ct_now) // put dummy sensor information.
);

パケットのペイロード(データ部分)はpkt.get_payload()により得られるsmblbuf<uint8_t>派生の配列です。この配列に対して直接値を設定しても構いませんが、ここではpack_bytes()を用いた値の設定を行います。

ペイロードの最大長は上記の例では91バイトですが、詳しくはNWK_SIMPLEパケット構造と最大長を参照ください。

この関数は可変数引数により指定できます。一番最初のパラメータは.get_payload()より得られた配列オブジェクトです。

  • make_pair(FOURCC,4) : make_pairはC++標準ライブラリのもので、std::pairオブジェクトを生成します。文字列型に対して先頭から4バイト分を書き出すという意味になります。 (文字列型の配列は終端を含める、含めないといった話題が混乱を生むため、明示的に書き出すバイト数を指定するために、このような指定をします)

  • uint32_t型のデータを指定するとビッグエンディアン並びで4バイト分のデータを書き込みます。

  • uint16_t型のデータについても同様です。

uint8_t 型のポインタを用いてデータの書き込みを行うことも出来ます。

auto&& pay = pkt.get_payload(); // get buffer object.
// the following code will write data directly to internal buffer of `pay' object.
uint8_t *p = pay.begin(); // get the pointer of buffer head.
S_OCTET(p, FOURCC[0]); // store byte at pointer `p' and increment the pointer.
S_OCTET(p, FOURCC[1]);
S_OCTET(p, FOURCC[2]);
S_OCTET(p, FOURCC[3]);
S_DWORD(p, millis()); // store uint32_t data.
S_WORD(p, sensor.dummy_work_ct_now); // store uint16_t data.
pay.redim(p - pay.begin());

.get_payload()から得られた配列オブジェクトは、何も格納されていないサイズ0の配列ですが、この配列にデータを書き込むことでサイズが拡張され(実際は内部の固定長のバッファに対してデータを書き込み、内部管理のデータサイズを更新します)、最終的なサイズがペイロードのデータサイズです。

ここでは.begin()を用いてuint8_t*のポインタを得て、このポインタを用いてデータを書き込み、最後に書き込んだサイズを.redim()で設定します。

S_OCTET(), S_WORD(), S_DWORD()といった関数を書き込みに用いていますが、例えばS_OCTET(p, 'H')*p = 'H'; p++;と同じ処理を行うポインタを用いたデータ書き込みです。

最後の.redim()は配列のサイズをバッファの初期化をせずに変更する手続きです。.resize()を呼び出すとすべて0クリアされます。

最後に.transmit()を呼び出して、送信要求を行います。戻り値はMWX_APIRET型です。要求後、実際の送信が行われますが、送信パラメータや送信サイズにもよりますが、完了まで数ms~数十ms程度はかかります。完了時にはon_tx_comp()が呼び出されます。

return pkt.transmit();

MWX_APIRETuint32_t型をラップしたクラスで、MSBを失敗成功のフラグとし、以下31ビットをデータとして用いています。pkt.transmit()の戻り型になっており、送信要求の成功と失敗(bool型へのキャスト)ならびに送信IDをデータ部(.get_value())に格納しています。

on_tx_comp()

void on_tx_comp(mwx::packet_ev_tx& ev, bool_t &b_handled) {
step.set_flag(ev.bStatus);
}

送信完了時に呼び出されるシステムイベントです。ここでは.set_flag()により完了としています。