一种基本IEEE802.15.4无线智能化传感器网络实现探讨

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摘要：介绍了IEEE802.15.4协议的特点、构件及体系结构、发展前景，分析了IEEE1451智能传感器模型，提出了一种基于IEEE802.15.4协议的无线智能传感器网络结构设计，并探讨了其实现。

    关键词：IEEE802.15.4 IEEE1451 智能传感器网络

近年来，随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用，人们开始将无线网络技术与传感器技术相结合，提供了无线网络化传感器的概念。它不仅可以应用于Internet接入互连，还适用于有线接入方式所不能胜任的场合，以提供优质的数据传输服务。例如，在工厂巨大的设备间、低速长距离的通信要求和危险的工业环境。

2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种从廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可继续延续是市场的驱动力。一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是802.15.4标准的主要布场对象。将传感器与802.15.4设备组合，进行数据收集、处理和分析，即可决定是否需要或何时需要用户操作。满足802.15.4标准的无线发射/接收机及网络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell这些国际通信与工业控制界巨头们极力推崇。目前，IEEE1451工作组已考虑在其基础上实现无线智能传感器网络WSN（Wireless Sensor Networks）。本文探讨了基于IEEE802.15.4标准的无线智能传感器网络的实现。
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1 基于IEEE802.15.4标准的智能传感器模型

1.1 IEEE1451智能传感器模型

智能传感器建立了一个标准化的传感器网络协议。它规定了传感器模块的电子数据表单，也定义了访问数据表单、读取传感器数据、设置参数的数字接口。IEEE1451的目的就是提供一个工业标准接口，有效地连接传感器和微控制器，并把传感器接入网络。

IEEE1451模型主要由智能传感器接口模块STIM（Smart Transducer Interface Module）和网络应用处理器NCAP（Network Capable Application Porcessor）组成，中间通过传感器独立接口TII相连接。NCAP模块用来运行网络协议堆和应用硬件，与网络互联；STIM模块为智能变送器接口模块，其中包括变送器电子数据表单TEDS（Transducer Electronic DataSheet），一个STIM可以连接太量不同的传感器或执行器，在正常使用过程中传感器和STIM是不可分开的。变送器独立接TII（Transducer Independence Interface）主要定义二者之间点点连线、同步时钟的矩距离接口，使制造商可以把一个传感器应用到多种商网络中。另外，IEEE1451标准通过TEDS，使传感器模型具有即插即用的兼容性。原始数据转换为国际标准单位。其结构如图1所示。

智能传感器接口模块是围绕传感元件建立起来的，包括传感器TEDS、控制、状态寄存器、中断屏蔽、寻址、功能译码逻辑、触发、触发应答功能，这些都是用于传感器独立接口的数字接口。传感器独立接口包括数据传输、时钟、触发、应答线。接口是串行外围接口，由两根串行数据输入输出组成。智能传感器接口模块通过传感器独立接口上电，这就意味着STIM可被热扫描，而不用释放对网络中其他传感器的操作。

智能传感器模型包括自身带有的内部消息：制造商、数据代码、序列号、使用的极限、未定量以及校准系数等。当电源加上STIM时，这些数据可以提供给NCAP及系统的其它部分。当NCAP读入STIM中TEDS数据时，NCAP可以知道这个STIM的通信速度、通道数及每个通道上变送器的数据格式（12位还是16位），并且知道所测量对象的物理单位，知道怎样将所得到的原始数据转换为国际标准单位。

在与STIM通信的过程中，NCAP一直是主机，通信速率由NCAP设定，这会影响STIM中的采样速率，但是避免了释放数据以及对存储器的巨大需求。当STIM连接到NCAP时，NCAP从TEDS读取有关STIM的信息之后，读取STIM采样的数据。
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    1.2 IEEE1451智能传感器标准与802.15.4标准的融合

IEEE802.15.4满足国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层。关于IEEE802.15.4标准详细的内容请参阅文献[7]。

为了有效地实现无线智能传感器，笔者考虑结合IEEE1451标准和802.15.4标准进行设计，需要对现有的1451智能传感器模型开出改进的。

方案之一是无线STIM（智能传感器接口模型）：STIM与NCAP之间不再是TII接口（传感器独立接口），而是通过IEEE802.15.4无线（收发模块）传输信息。传感器或执行器的信息由STIM通过无线网络传递到NCAP终端，进而与有线网络相连。另外，还可以在NCAP与网络间的接口替换为无线接口。

方案之二是无线的NCAP终端：STIM与NCAP之间通过TII接口相连，无线网络的收发模块置于NCAP上，另一无线收发模块与无线网络相连，从而与有线网络通信。在此方案中，NCAP作为一个传感器网络终端。如图2所示。

因为功耗的原因，无线通信模块不直接包含在STIM中，而是将NCAP和STIM集成在一个芯片或模块中。在这种情况下，NCAP和STIM之间的TII接口可以大大简化。

2 无线智能传感器网络的实现

2.1 无线智能传感器

本设计的实现机理是IEEE802.15.4传输模块代替传统的串行通信模块，将采集的数据以无线方式发送出去[7]。

本文利用IEEE802.15.4物理协议，构造一个无NCAP的无线智能网络传感器系统，但并不是没有NCAP，只是这里采PC机完成NCAP的功能，即这里的NCAP是虚拟的，是由PC构成的；以现场传感器结合单片机（如8051）或DSP（数字信号处理器）构成STIM模块，再以802.15.4接口作为TII接口与虚拟的NCAP相连接。系统总体结构参见图3。

传感器节点模块主要是由场的STIM模块组成，STIM主要由电子数据表单（TEDS）、传感器接口、现场传感器、功能模块、TII接口以及STIM的核心控制模块等组成。这里以微处理器（如单片机89C51）作为STIM模块的核心控制器，以IEEE802.15.4构成网络接口即TII接口，以程序存储器ROM存储功能程序模块，以可编程的EEPROM作为电子数据表单存储单元，单片机与现场传感器连接的I/O口作为传感器/执行器接口。
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