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一種基本IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)智能化傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現探討
摘要：介紹了IEEE802.15.4協(xié)議的特點(diǎn)、構件及體系結構、發(fā)展前景，分析了IEEE1451智能傳感器模型，提出了一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )結構設計，并探討了其實(shí)現。近年來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應用，人們開(kāi)始將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與傳感器技術(shù)相結合，提供了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器的概念。它不僅可以應用于Internet接入互連，還適用于有線(xiàn)接入方式所不能勝任的場(chǎng)合，以提供優(yōu)質(zhì)的數據傳輸服務(wù)。例如，在工廠(chǎng)巨大的設備間、低速長(cháng)距離的通信要求和危險的工業(yè)環(huán)境。
2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組，致力于定義一種從廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)。產(chǎn)品的方便靈活、易于連接、實(shí)用可靠及可繼續延續是市場(chǎng)的驅動(dòng)力。一般認為短距離的無(wú)線(xiàn)低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò )使用，傳感器網(wǎng)絡(luò )是802.15.4標準的主要布場(chǎng)對象。將傳感器與802.15.4設備組合，進(jìn)行數據收集、處理和分析，即可決定是否需要或何時(shí)需要用戶(hù)操作。滿(mǎn)足802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)發(fā)射/接收機及網(wǎng)絡(luò )被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell這些國際通信與工業(yè)控制界巨頭們極力推崇。目前，IEEE1451工作組已考慮在其基礎上實(shí)現無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN（Wireless Sensor Networks）。本文探討了基于IEEE802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現。
1 基于IEEE802.15.4標準的智能傳感器模型
1.1 IEEE1451智能傳感器模型
智能傳感器建立了一個(gè)標準化的傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。它規定了傳感器模塊的電子數據表單，也定義了訪(fǎng)問(wèn)數據表單、讀取傳感器數據、設置參數的數字接口。IEEE1451的目的就是提供一個(gè)工業(yè)標準接口，有效地連接傳感器和微控制器，并把傳感器接入網(wǎng)絡(luò )。
IEEE1451模型主要由智能傳感器接口模塊STIM（Smart Transducer Interface Module）和網(wǎng)絡(luò )應用處理器NCAP（Network Capable Application Porcessor）組成，中間通過(guò)傳感器獨立接口TII相連接。NCAP模塊用來(lái)運行網(wǎng)絡(luò )協(xié)議堆和應用硬件，與網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)；STIM模塊為智能變送器接口模塊，其中包括變送器電子數據表單TEDS（Transducer Electronic DataSheet），一個(gè)STIM可以連接太量不同的傳感器或執行器，在正常使用過(guò)程中傳感器和STIM是不可分開(kāi)的。變送器獨立接TII（Transducer Independence Interface）主要定義二者之間點(diǎn)點(diǎn)連線(xiàn)、同步時(shí)鐘的矩距離接口，使制造商可以把一個(gè)傳感器應用到多種商網(wǎng)絡(luò )中。另外，IEEE1451標準通過(guò)TEDS，使傳感器模型具有即插即用的兼容性。原始數據轉換為國際標準單位。其結構如圖1所示。
智能傳感器接口模塊是圍繞傳感元件建立起來(lái)的，包括傳感器TEDS、控制、狀態(tài)寄存器、中斷屏蔽、尋址、功能譯碼邏輯、觸發(fā)、觸發(fā)應答功能，這些都是用于傳感器獨立接口的數字接口。傳感器獨立接口包括數據傳輸、時(shí)鐘、觸發(fā)、應答線(xiàn)。接口是串行外圍接口，由兩根串行數據輸入輸出組成。智能傳感器接口模塊通過(guò)傳感器獨立接口上電，這就意味著(zhù)STIM可被熱掃描，而不用釋放對網(wǎng)絡(luò )中其他傳感器的操作。
智能傳感器模型包括自身帶有的內部消息：制造商、數據代碼、序列號、使用的極限、未定量以及校準系數等。當電源加上STIM時(shí)，這些數據可以提供給NCAP及系統的其它部分。當NCAP讀入STIM中TEDS數據時(shí)，NCAP可以知道這個(gè)STIM的通信速度、通道數及每個(gè)通道上變送器的數據格式（12位還是16位），并且知道所測量對象的物理單位，知道怎樣將所得到的原始數據轉換為國際標準單位。
在與STIM通信的過(guò)程中，NCAP一直是主機，通信速率由NCAP設定，這會(huì )影響STIM中的采樣速率，但是避免了釋放數據以及對存儲器的巨大需求。當STIM連接到NCAP時(shí)，NCAP從TEDS讀取有關(guān)STIM的信息之后，讀取STIM采樣的數據。
1.2 IEEE1451智能傳感器標準與802.15.4標準的融合
IEEE802.15.4滿(mǎn)足國際標準組織（ISO）開(kāi)放系統互連（OSI）參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層。關(guān)于IEEE802.15.4標準詳細的內容請參閱文獻[7]。
為了有效地實(shí)現無(wú)線(xiàn)智能傳感器，筆者考慮結合IEEE1451標準和802.15.4標準進(jìn)行設計，需要對現有的1451智能傳感器模型開(kāi)出改進(jìn)的。
方案之一是無(wú)線(xiàn)STIM（智能傳感器接口模型）：STIM與NCAP之間不再是TII接口（傳感器獨立接口），而是通過(guò)IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)（收發(fā)模塊）傳輸信息。傳感器或執行器的信息由STIM通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳遞到NCAP終端，進(jìn)而與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相連。另外，還可以在NCAP與網(wǎng)絡(luò )間的接口替換為無(wú)線(xiàn)接口。
方案之二是無(wú)線(xiàn)的NCAP終端：STIM與NCAP之間通過(guò)TII接口相連，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的收發(fā)模塊置于NCAP上，另一無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相連，從而與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信。在此方案中，NCAP作為一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )終端。如圖2所示。
因為功耗的原因，無(wú)線(xiàn)通信模塊不直接包含在STIM中，而是將NCAP和STIM集成在一個(gè)芯片或模塊中。在這種情況下，NCAP和STIM之間的TII接口可以大大簡(jiǎn)化。
2 無(wú)線(xiàn)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現
2.1 無(wú)線(xiàn)智能傳感器
本設計的實(shí)現機理是IEEE802.15.4傳輸模塊代替傳統的串行通信模塊，將采集的數據以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送出去[7]。
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