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一種基本IEEE802.15.4無線智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)探討
摘要：介紹了IEEE802.15.4協(xié)議的特點、構(gòu)件及體系結(jié)構(gòu)、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(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并探討了其實現(xiàn)。近年來，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線通信技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們開始將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，提供了無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器的概念。它不僅可以應(yīng)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(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。例如，在工廠巨大的設(shè)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(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。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(qū)動力。一般認(rèn)為短距離的無線低功率通信技術(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(biāo)準(zhǔn)的主要布場對象。將傳感器與802.15.4設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的無線發(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(chǔ)上實現(xiàn)無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Networks）。本文探討了基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。
1 基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化的傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)置參數(shù)的數(shù)字接口。IEEE1451的目的就是提供一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(luò)協(xié)議堆和應(yīng)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(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(yīng)用到多種商網(wǎng)絡(luò)中。另外，IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換為國際標(biāo)準(zhǔn)單位。其結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(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(nèi)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(zhǔn)系數(shù)等。當(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)換為國際標(biāo)準(zhǔn)單位。
在與STIM通信的過程中，NCAP一直是主機，通信速率由NCAP設(shè)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(dāng)STIM連接到NCAP時，NCAP從TEDS讀取有關(guān)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(biāo)準(zhǔn)與802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的融合
IEEE802.15.4滿足國際標(biāo)準(zhǔn)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(guān)于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)的內(nèi)容請參閱文獻(xiàn)[7]。
為了有效地實現(xiàn)無線智能傳感器，筆者考慮結(jié)合IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)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(luò)傳遞到NCAP終端，進而與有線網(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(luò)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(luò)相連，從而與有線網(wǎng)絡(luò)通信。在此方案中，NCAP作為一個傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)的實現(xiàn)
2.1 無線智能傳感器
本設(shè)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]。
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