傳感器無(wú)線(xiàn)互聯(lián)標準及實(shí)現

摘要：介紹了IEEE802.15.4標準的概念、產(chǎn)生背景、特點(diǎn)、構件及體系結構、發(fā)展前景，并探討了基于IEEE802.15.4標準傳感器的實(shí)現，對其實(shí)現的問(wèn)題給出了解決方案。

為了滿(mǎn)足類(lèi)似于傳感器的小型、低成本設備無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802．15．4工作組，致力于定義一種供廉價(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)。802．15．4無(wú)線(xiàn)發(fā)射／接收機及網(wǎng)絡(luò )被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell等公司極力推崇。同時(shí)，也吸引了其他標準化組織的注意。IEEEl451工作組已考慮在IEEE802．15．4標準基礎上實(shí)現傳感器網(wǎng)絡(luò )(Sensor Networks)。

產(chǎn)品的方便靈活、易于連接、實(shí)用可靠及可升級換代是市場(chǎng)的驅動(dòng)力。802．15．4主要應用于工業(yè)控制、遠程監控和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò )是其主要市場(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，就可以決定是否需要或何時(shí)需要用戶(hù)操作。其應用實(shí)例包括惡劣。環(huán)境下的檢測，諸如涉及危險的火和化學(xué)物質(zhì)的現場(chǎng)、監測以及維護正在旋轉的機器等。在這些應用上，一個(gè)802．15．4網(wǎng)絡(luò )可以極大地降低新傳感器網(wǎng)絡(luò )的安裝成本，簡(jiǎn)化對現有網(wǎng)絡(luò )的擴充。

1 802．15．4協(xié)議架構及其技術(shù)特點(diǎn)

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(如圖1所示)，表1中概括了802．15．4的一些特點(diǎn)。Zigbee聯(lián)盟制定了MAC層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應用規范、應用會(huì )聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層組成。

表1 IEEE802.15.4標準的主要技術(shù)特征

復雜程度比現有標準低通信時(shí)延≥15ms目的只支持數據通信功耗約45μA頻段、數據率及信道數868MHz：20kbps 1
925MHz:40kbps 10
2.4GHz:250kbps 16MAC的控制方式星型網(wǎng)絡(luò )對等網(wǎng)絡(luò )每個(gè)網(wǎng)絡(luò )支持節點(diǎn)數65536尋址方式64bit IEEE地址
8bit 網(wǎng)絡(luò )地址連接層結構開(kāi)放式溫度-40℃～-85℃傳輸范圍室內：10m速率
250kbps; 0dBm TX室外：30m-75m速率40kbps，300m速率20kbps應用傳感器、玩具、控制領(lǐng)域……

物理層：IEEE802．15．4定義了2．4GHz物理層和868／915MHz物理層兩個(gè)物理層標準，它們都采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)。

2．4GHz波段為全球統一的無(wú)需申請的ISM頻段，有助于設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2．4GHz物理層通過(guò)采用高階調制技術(shù)能夠提供250kbps的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期，從而更加省電。

868／915MHz物理層使用簡(jiǎn)單的DSSS方法，即二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)方式。868MHz的傳輸速率為20kbps，916MHz的傳輸速率為40kbps。這兩個(gè)頻段的引入避免了2．4GHz附近各種無(wú)線(xiàn)通信設備的相互干擾，且這兩個(gè)頻段上的無(wú)線(xiàn)信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區域。

MAC層：IEEE802系列標準把數據鏈路層分成LLC(Logical Link Control，邏輯鏈路控制)和MAC(Media Access Control，媒介接入控制)兩個(gè)子層。LLC子層在IEEE802．6標準中定義，為802標準系列共用；而MAC子層協(xié)議則依賴(lài)于各自的物理層。IEEE802．15．4的MAC層支持多種LLC標準，通過(guò)SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer，業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì )聚子層)協(xié)議承載IEEE802．2類(lèi)型的LLC標準，同時(shí)也允許其他LLC標準直接使用IEEE802．15．4的MAC層的服務(wù)。

IEEE802．15．4的MAC協(xié)議包括以下功能：設備間無(wú)線(xiàn)鏈路的建立、維護和結束；確認模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗；預留時(shí)隙管理；廣播信息管理。MAC子層提供兩個(gè)服務(wù)與高層聯(lián)系，即通過(guò)兩個(gè)服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)(SAP)訪(fǎng)問(wèn)高層。通過(guò)MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪(fǎng)問(wèn)MAC數據服務(wù)，用MAC層管理實(shí)體SAP(MLME-SAP)訪(fǎng)問(wèn)MAC管理服務(wù)。這兩個(gè)服務(wù)為網(wǎng)絡(luò )層和物理層提供了一個(gè)接口。靈活的MAC幀結構適應了不同的應用及網(wǎng)絡(luò )拓撲的需要，同時(shí)也保證了協(xié)議的簡(jiǎn)潔。MAC幀的通用格式如圖2所示。

802．15．4標準上層協(xié)議由完整的Zigbee協(xié)議套件構成。網(wǎng)絡(luò )層主要采用了基于A(yíng)d-hoe技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，包含以下功能：通用的網(wǎng)絡(luò )層功能；拓撲結構的搭建和維護，命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，包含了尋址、路由和安全；與IEEE802．15．4標準一樣，非常省電；有自組織、自維護功能，最大程度地減少消費者的開(kāi)支和維護成本。應用會(huì )聚層將主要負責把不同的應用映射到Zigbee網(wǎng)絡(luò )上，具體包括：安全與鑒權、多個(gè)業(yè)務(wù)數據流的會(huì )聚、設備發(fā)現、業(yè)務(wù)發(fā)現。

因此，IEEE802．15．4標準具有以下一些非常適用于無(wú)線(xiàn)傳感器的特點(diǎn)：

功耗低：由于工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，可以確保兩節五號電池支持長(cháng)達六個(gè)月到兩年左右的使用時(shí)間。當然不同的應用

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