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摘要：介紹了IEEE802.15.4協(xié)議的特點、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)議的無線智能傳感器網(wǎng)絡結構設計，并探討了其實現(xiàn)。
近年來，隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術與無線通信技術的高速發(fā)展和廣泛應用，人們開始將無線網(wǎng)絡技術與傳感器技術相結合，提供了無線網(wǎng)絡化傳感器的概念。它不僅可以應用于Internet接入互連，還適用于有線接入方式所不能勝任的場合，以提供優(yōu)質的數(shù)據(jù)傳輸服務。例如，在工廠巨大的設備間、低速長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的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術。產(chǎn)品的方便靈活、易于連接、實用可靠及可繼續(xù)延續(xù)是市場的驅動力。一般認為短距離的無線低功率通信技術最適合傳感器網(wǎng)絡使用，傳感器網(wǎng)絡是802.15.4標準的主要布場對象。將傳感器與802.15.4設備組合，進行數(shù)據(jù)收集、處理和分析，即可決定是否需要或何時需要用戶操作。滿足802.15.4標準的無線發(fā)射/接收機及網(wǎng)絡被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現(xiàn)無線智能傳感器網(wǎng)絡WSN（Wireless Sensor Networks）。本文探討了基于IEEE802.15.4標準的無線智能傳感器網(wǎng)絡的實現(xiàn)。
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標準化的傳感器網(wǎng)絡協(xié)議。它規(guī)定了傳感器模塊的電子數(shù)據(jù)表單，也定義了訪問數(shù)據(jù)表單、讀取傳感器數(shù)據(jù)、設置參數(shù)的數(shù)字接口。IEEE1451的目的就是提供一個工業(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。
IEEE1451模型主要由智能傳感器接口模塊STIM（Smart Transducer Interface Module）和網(wǎng)絡應用處理器NCAP（Network Capable Application Porcessor）組成，中間通過傳感器獨立接口TII相連接。NCAP模塊用來運行網(wǎng)絡協(xié)議堆和應用硬件，與網(wǎng)絡互聯(lián)；STIM模塊為智能變送器接口模塊，其中包括變送器電子數(shù)據(jù)表單TEDS（Transducer Electronic DataSheet），一個STIM可以連接太量不同的傳感器或執(zhí)行器，在正常使用過程中傳感器和STIM是不可分開的。變送器獨立接TII（Transducer Independence Interface）主要定義二者之間點點連線、同步時鐘的矩距離接口，使制造商可以把一個傳感器應用到多種商網(wǎng)絡中。另外，IEEE1451標準通過TEDS，使傳感器模型具有即插即用的兼容性。原始數(shù)據(jù)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(shù)字接口。傳感器獨立接口包括數(shù)據(jù)傳輸、時鐘、觸發(fā)、應答線。接口是串行外圍接口，由兩根串行數(shù)據(jù)輸入輸出組成。智能傳感器接口模塊通過傳感器獨立接口上電，這就意味著STIM可被熱掃描，而不用釋放對網(wǎng)絡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(shù)據(jù)代碼、序列號、使用的極限、未定量以及校準系數(shù)等。當電源加上STIM時，這些數(shù)據(jù)可以提供給NCAP及系統(tǒng)的其它部分。當NCAP讀入STIM中TEDS數(shù)據(jù)時，NCAP可以知道這個STIM的通信速度、通道數(shù)及每個通道上變送器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)轉換為國際標準單位。
在與STIM通信的過程中，NCAP一直是主機，通信速率由NCAP設定，這會影響STIM中的采樣速率，但是避免了釋放數(shù)據(jù)以及對存儲器的巨大需求。當STIM連接到NCAP時，NCAP從TEDS讀取有關STIM的信息之后，讀取STIM采樣的數(shù)據(jù)。
1.2 IEEE1451智能傳感器標準與802.15.4標準的融合
IEEE802.15.4滿足國際標準組織（ISO）開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層。關于IEEE802.15.4標準詳細的內容請參閱文獻[7]。
為了有效地實現(xiàn)無線智能傳感器，筆者考慮結合IEEE1451標準和802.15.4標準進行設計，需要對現(xiàn)有的1451智能傳感器模型開出改進的。
方案之一是無線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IEEE802.15.4無線（收發(fā)模塊）傳輸信息。傳感器或執(zhí)行器的信息由STIM通過無線網(wǎng)絡傳遞到NCAP終端，進而與有線網(wǎng)絡相連。另外，還可以在NCAP與網(wǎng)絡間的接口替換為無線接口。
方案之二是無線的NCAP終端：STIM與NCAP之間通過TII接口相連，無線網(wǎng)絡的收發(fā)模塊置于NCAP上，另一無線收發(fā)模塊與無線網(wǎng)絡相連，從而與有線網(wǎng)絡通信。在此方案中，NCAP作為一個傳感器網(wǎng)絡終端。如圖2所示。
因為功耗的原因，無線通信模塊不直接包含在STIM中，而是將NCAP和STIM集成在一個芯片或模塊中。在這種情況下，NCAP和STIM之間的TII接口可以大大簡化。
2 無線智能傳感器網(wǎng)絡的實現(xiàn)
2.1 無線智能傳感器
本設計的實現(xiàn)機理是IEEE802.15.4傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊，將采集的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去[7]。
本文利用IEEE802.15.4物理協(xié)議，構造一個無NCAP的無線智能網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)，但并不是沒有NCAP，只是這里采PC機完成NCAP的功能，即這里的NCAP是虛擬的，是由PC構成的；以現(xiàn)場傳感器結合單片機（如8051）或DSP（數(shù)字信號處理器）構成STIM模塊，再以802.15.4接口作為TII接口與虛擬的NCAP相連接。系統(tǒng)總體結構參見圖3。
傳感器節(jié)點模塊主要是由場的STIM模塊組成，STIM主要由電子數(shù)據(jù)表單（TEDS）、傳感器接口、現(xiàn)場傳感器、功能模塊、TII接口以及STIM的核心控制模塊等組成。這里以微處理器（如單片機89C51）作為STIM模塊的核心控制器，以IEEE802.15.4構成網(wǎng)絡接口即TII接口，以程序存儲器ROM存儲功能程序模塊，以可編程的EEPROM作為電子數(shù)據(jù)表單存儲單元，單片機與現(xiàn)場傳感器連接的I/O口作為傳感器/執(zhí)行器接口。
系統(tǒng)以PC作為虛擬的NCAP模塊，網(wǎng)絡環(huán)境是總線網(wǎng)絡環(huán)境，數(shù)字接口TII是IEEE802.15.4總線接口，STIM模塊以無線的方式直接與NCAP連接。數(shù)據(jù)發(fā)送時，現(xiàn)場傳感器將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調理電路與信號處理電路處理后，通過無線接口即可發(fā)送到有線網(wǎng)絡上；數(shù)據(jù)接收時，當NCAP控制器檢測總線上的數(shù)據(jù)并接收后，選通相應的STIM通道，發(fā)送到現(xiàn)場傳感器的節(jié)點，實現(xiàn)對現(xiàn)場節(jié)點數(shù)據(jù)采集參數(shù)的修改及動作的控制。STIM及NCAP的底層（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）均由802.15.4物理層和數(shù)據(jù)鏈路層組成的。1451接口協(xié)議負責應用層與底層之間的數(shù)據(jù)處理及轉換。
2.2 無線智能傳感器網(wǎng)絡結構
無線傳感器網(wǎng)絡主要由完成NCAP功能的PC主機和無線傳感器終端模塊組成，體系結構如圖3所示。各傳感器終端之間可以互訪，并可通過接入點與有線網(wǎng)上的設備交換數(shù)據(jù)，甚至可以再次通過有線網(wǎng)上的另一個接入點與遠端的設備互通信息。在這種情況下，無線成為有錢的延伸和補充，一般用于需要經(jīng)常移動傳感器的地方，或線纜密集不宜再度布線的地方。
如果兩個傳感器建立了無線鏈接，其中一個設備將扮演主控角色（master）,另一個則扮演從屬角色（slave）。角色的分配是在微微網(wǎng)形成時臨時確定的，主控設備通常由發(fā)起通信的設備承擔，且主從角色可以互換。一個單獨的主控設備和臨近與之通信的所有從屬設備即組成了所謂的piconet，慣稱微微網(wǎng)。在一個微微網(wǎng)中的所有從屬設置與之同步。這些從屬設備都與主控設備保持鏈接和通信，共享一個公共傳輸信道，并處于某一特定的基帶模式，例如活動從屬設備就可以進入呼吸（sniff）或保持（hold）模式等低功率節(jié)能狀態(tài)。在鄰近區(qū)域可能還有一些處于待機（standby）狀態(tài)的設備，它們未與主控設備連接，因而不是微微網(wǎng)的一部分。
傳感器的微微網(wǎng)之間也可建立連接，形成多piconet結構。每個piconet除了slave和master以外，各個slave節(jié)點之間也可以通信。在這里只以單個的piconet為主干構建傳感器測控網(wǎng)絡。Master節(jié)點為測控網(wǎng)絡主控節(jié)點，實現(xiàn)信息的匯集處理功能，slave節(jié)點為傳感器節(jié)點?？紤]到各個傳感器節(jié)點是互相獨立的，信息融合只在master節(jié)點完成，所以僅實現(xiàn)master點對多slave點的通信，形成一個星型的拓撲結構。整個無線傳感器網(wǎng)絡功能分為三層：最下層是各種敏感單元，負責收集原始信息；中間是基于傳感器智能模塊的slave節(jié)點，負責對原始數(shù)據(jù)的預處理（包括濾波、補償、數(shù)字化等）和處理后數(shù)據(jù)的發(fā)送；最上層是基于普通PC機或其他類型上位機（如嵌入式計算機）的master節(jié)點，所有傳感器的信息在這里進行更高一級處理，如譜分析、模式識別、信息融合、判斷決策等。在微微網(wǎng)內，還可以采用有線或無線中斷擴大信號的覆蓋范圍，改善網(wǎng)絡拓撲結構，如圖4所示。
2.4 無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)的軟件結構分析
無線智能傳感器網(wǎng)絡的最下層由IEEE802.15.4協(xié)議模塊組成，包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。
IEEE802.15.4模塊之上為1451控制接口協(xié)議。通過該控制接口協(xié)議，可以方便地把802.15.4模塊嵌入到各種數(shù)字設備中作為一個無線收發(fā)終端。1451控制接口協(xié)議可以完成本地設備的初始化、查找終端設備、建立鏈接、交換數(shù)據(jù)、增加或減少網(wǎng)絡中無線終端設備的數(shù)目。該接口協(xié)議可以是USB、RS232或是I2C接口。主機通過控制接口操作IEEE802.15.4模塊，通過一個事件(Event)確認命令成功與否。主機與網(wǎng)絡中其他設備的數(shù)據(jù)交換也是通過IEEE1451控制接口進行的（其數(shù)據(jù)鏈路可以異步也可以同步）。
智能傳感器接口模塊STIM（Smart Transducer Interface Module）位于IEEE1451接口協(xié)議層之上，并可利用該接口協(xié)議層的數(shù)據(jù)包發(fā)送STIM的命令、事件和傳感器數(shù)據(jù)。
把位于STIM主機上完成NCAP功能的PC主機軟件功能定義為網(wǎng)絡系統(tǒng)的應用層，主要是一些應用程序。應用層對其以下各協(xié)議層是透明的，只是向低一級的STIM層發(fā)送STIM定義的包。而1451接口協(xié)議層包則由RS232、RS485或者USB等物理通信口發(fā)送。
應用層（完成NCAP功能PC主機軟件）和無線傳感器終端模塊（智能傳感器接口模塊STIM）都通過IEEE1451接口協(xié)議與最低層的IEEE802.15.4模塊進行通信。
由上述分析，把整個軟件系統(tǒng)分為三部分：
(1)運行在NCAP功能的PC機上的應用程序：包括面向用戶的圖形用戶界面、面向STIM層的操作（主要是對智能傳感器模塊的控制和通信）以及與802.15.4模塊上的1451控制接口固件（firmware）通信的NCAP接口協(xié)議。這部分可用面向對象的編程語言實現(xiàn)，把每個傳感器節(jié)點作為一個節(jié)點類的實例對象，應用程序通過與實例對應的句柄訪問控制各個傳感器節(jié)點以及節(jié)點上的各個傳感器。
(2)嵌入到智能傳感器模塊的MCU上的程序（針對不同的MCU用匯編或是C語言寫成），主要完成原始信息的采集、處理、讀取傳感器的電子數(shù)據(jù)表單、與IEEE1451接口協(xié)議的通信、用利STIM層與上位機通信。
(3)無線終端模塊上的IEEE1451控制接口協(xié)議，固化在無線傳感器模塊的存儲器里。通過它實現(xiàn)智能傳感器模塊與上位機上的應用層軟件的通信。
3 無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)的問題及分析
能量效率：首先，無線傳感器網(wǎng)絡不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡（如WLAN和蜂窩移動電話網(wǎng)絡），除了少數(shù)節(jié)點需要移動以外，大部分節(jié)點都是靜止的。因為它們通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境中，能源無法替代，設計有效的策略延長網(wǎng)絡的生命周期成為無線傳感器網(wǎng)絡的核心問題。這些改進涉及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層。物理層選擇低功耗的調制方式和硬件設計。其次，在MAC層和網(wǎng)絡層之間加入一個中間層，負責使傳感器在不通信時盡可能進入睡眠模式或省電模式，可以大大降低了節(jié)點的能耗。
路由和網(wǎng)絡控制：在無線傳感器網(wǎng)絡的研究初期，人們一度認為成熟的Internet技術加上Ad-hoc路由機制對傳感器網(wǎng)絡的設計是足夠充分的，但深入的研究表明[2]：傳感器網(wǎng)絡有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡明顯不同的技術要求。前者以數(shù)據(jù)為中心，后者為傳輸數(shù)據(jù)為目的。為了適應廣泛的應用程序，傳統(tǒng)網(wǎng)絡的設計遵循著端到端的邊緣論思想[3]，強調將一切與功能相關的處理都放在網(wǎng)絡的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點僅僅負責數(shù)據(jù)分組的轉發(fā)。對于傳感器網(wǎng)絡，這未必是一種合理的選擇。一些為自組織的Ad-hoc網(wǎng)絡設計的協(xié)議和算法，未必適合傳感器網(wǎng)絡的特點和應用的要求。節(jié)點標識（如地址等）的作用在傳感器網(wǎng)絡中不十分重要，因為應用程序不怎么關心單節(jié)點上的信息；中間節(jié)點上與具體應用相關的數(shù)據(jù)處理、融合和緩存也顯得很有必要。在密集性的傳感器網(wǎng)絡中，相鄰點節(jié)間的距離非常短，低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗，同時增加了通信的隱蔽性，避免了長距離無線通信易受外噪聲干擾的影響。這些獨特的要求和制約因素為無線傳感器網(wǎng)絡的研究提出了新的技術問題。
時鐘同步：無線傳感器網(wǎng)絡的時鐘同步不同于傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡。傳感器與實際的物理環(huán)境聯(lián)系密切，必須采用物理時鐘同步，無法使用相對簡單的邏輯時鐘；無線傳感器要求必須采用低能耗工作，時間同步的數(shù)據(jù)交換受到限制；無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋面積大且通常為Ad-hoc的結構，不利用采用傳統(tǒng)的時間同步方法；無線媒介連接方式不可靠。例如，傳感器網(wǎng)絡與實際的物理環(huán)境。監(jiān)控系統(tǒng)的多傳感器信息融合時，上位機需要知道每個原始數(shù)據(jù)是何時采集的，采樣的觸發(fā)要求每個節(jié)點有統(tǒng)一的時鐘。傳感器網(wǎng)絡中的通信協(xié)議和應用，例如基于TDMA的MAC協(xié)議和敏感時間的監(jiān)測任務等。也要求點節(jié)間的時鐘必須保持同步。設計高精度的時鐘同步機制是傳感網(wǎng)絡設計和應用中的一個技術難點。802.15.4低速率工作組提供了一種協(xié)調件協(xié)議MDP(Mediation Device Protocol)，采用一個偽定義的節(jié)點接收網(wǎng)絡內所有通信請求，并為通信雙方協(xié)調會合時間。這個協(xié)議不需要額外添加新的硬件，對節(jié)點電池壽命的影響也很小。但是，消息的請求對此方案的影響很大。廣播時間信標的方法是一種簡單實用的同步策略。其基本思想是：節(jié)點以自己的時鐘記錄事情，隨后用第三方廣播的基準時間加以校正，精度依賴于對這段間隔時間的測量。這種同步機制應用在確定來自不同節(jié)點的監(jiān)測事件的先后關系時有足夠的精度?？梢钥紤]精簡已有的NTP（Network Time Protocol）協(xié)議的實現(xiàn)復雜度，將其植到傳感器網(wǎng)絡中。
定位機制：無線傳感器網(wǎng)絡中的定位機制與算法包括節(jié)點自身定位和外部目標定位兩部分，前者是后者的基礎。在節(jié)點自身定位方面，普通采用了GPS（Global Postitioning System）技術。對于一些定位精度要求不高的項目，則應用了LPS（Local Postitioning System）。由于GSP不適合中國國情，可以采用一種依賴于自有技術實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點定位的機制。在北斗一號雙星定位系統(tǒng)的支持下，傳感器網(wǎng)絡中的某些節(jié)點就可以找到自己的精確位置，然后參照此基準，利用局部定位算法，其他節(jié)點也可以正確定位。此外，在這種模式下，北斗一號的上行數(shù)據(jù)通路恰好可以作為傳感器網(wǎng)絡的sink鏈路，將數(shù)據(jù)回傳給控制中心，省去了用飛行器等其他手段收集數(shù)據(jù)的麻煩。確定了節(jié)點的基準位置，利用傳統(tǒng)的定位機制和算法，如接收信號的強弱、角度和時間等，以及典型的三角形算法，就可以定位外部目標，這是相對成熟的技術。
基于802.15.4標準的無線智能傳感器網(wǎng)絡大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性，同時又減少了現(xiàn)場布線帶來的各種問題，對傳感器節(jié)點的管理也比較方便?？梢詰迷诖笮偷?a target="_blank">機械設備監(jiān)測場合。國外已有產(chǎn)品投入使用。隨著微電子技術、計算機技術的發(fā)展，微處理芯片的網(wǎng)絡功能會得到加強，智能傳感器和無線通信網(wǎng)絡的結合會更加容易。應用高性能的嵌入式處理器之后，傳感器網(wǎng)絡的功能也會越來越強。
工商網(wǎng)監(jiān)
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