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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增大字体作者：佚名来源：本站整理发布时间：2009-01-10 22:24:22

系统以PC作为虚拟的NCAP模块，网络环境是总线网络环境，数字接口TII是IEEE802.15.4总线接口，STIM模块以无线的方式直接与NCAP连接。数据发送时，现场传感器将采集的数据经过信号调理电路与信号处理电路处理后，通过无线接口即可发送到有线网络上；数据接收时，当NCAP控制器检测总线上的数据并接收后，选通相应的STIM通道，发送到现场传感器的节点，实现对现场节点数据采集参数的修改及动作的控制。STIM及NCAP的底层（物理层和数据链路层）均由802.15.4物理层和数据链路层组成的。1451接口协议负责应用层与底层之间的数据处理及转换。

2.2 无线智能传感器网络结构

无线传感器网络主要由完成NCAP功能的PC主机和无线传感器终端模块组成，体系结构如图3所示。各传感器终端之间可以互访，并可通过接入点与有线网上的设备交换数据，甚至可以再次通过有线网上的另一个接入点与远端的设备互通信息。在这种情况下，无线成为有钱的延伸和补充，一般用于需要经常移动传感器的地方，或线缆密集不宜再度布线的地方。

如果两个传感器建立了无线链接，其中一个设备将扮演主控角色（master）,另一个则扮演从属角色（slave）。角色的分配是在微微网形成时临时确定的，主控设备通常由发起通信的设备承担，且主从角色可以互换。一个单独的主控设备和临近与之通信的所有从属设备即组成了所谓的piconet，惯称微微网。在一个微微网中的所有从属设置与之同步。这些从属设备都与主控设备保持链接和通信，共享一个公共传输信道，并处于某一特定的基带模式，例如活动从属设备就可以进入呼吸（sniff）或保持（hold）模式等低功率节能状态。在邻近区域可能还有一些处于待机（standby）状态的设备，它们未与主控设备连接，因而不是微微网的一部分。

传感器的微微网之间也可建立连接，形成多piconet结构。每个piconet除了slave和master以外，各个slave节点之间也可以通信。在这里只以单个的piconet为主干构建传感器测控网络。Master节点为测控网络主控节点，实现信息的汇集处理功能，slave节点为传感器节点。考虑到各个传感器节点是互相独立的，信息融合只在master节点完成，所以仅实现master点对多slave点的通信，形成一个星型的拓扑结构。整个无线传感器网络功能分为三层：最下层是各种敏感单元，负责收集原始信息；中间是基于传感器智能模块的slave节点，负责对原始数据的预处理（包括滤波、补偿、数字化等）和处理后数据的发送；最上层是基于普通PC机或其他类型上位机（如嵌入式计算机）的master节点，所有传感器的信息在这里进行更高一级处理，如谱分析、模式识别、信息融合、判断决策等。在微微网内，还可以采用有线或无线中断扩大信号的覆盖范围，改善网络拓扑结构，如图4所示。

2.4 无线传感器网络实现的软件结构分析

无线智能传感器网络的最下层由IEEE802.15.4协议模块组成，包括物理层和数据链路层。

IEEE802.15.4模块之上为1451控制接口协议。通过该控制接口协议，可以方便地把802.15.4模块嵌入到各种数字设备中作为一个无线收发终端。1451控制接口协议可以完成本地设备的初始化、查找终端设备、建立链接、交换数据、增加或减少网络中无线终端设备的数目。该接口协议可以是USB、RS232或是I2C接口。主机通过控制接口操作IEEE802.15.4模块，通过一个事件(Event)确认命令成功与否。主机与网络中其他设备的数据交换也是通过IEEE1451控制接口进行的（其数据链路可以异步也可以同步）。

智能传感器接口模块STIM（Smart Transducer Interface Module）位于IEEE1451接口协议层之上，并可利用该接口协议层的数据包发送STIM的命令、事件和传感器数据。

把位于STIM主机上完成NCAP功能的PC主机软件功能定义为网络系统的应用层，主要是一些应用程序。应用层对其以下各协议层是透明的，只是向低一级的STIM层发送STIM定义的包。而1451接口协议层包则由RS232、RS485或者USB等物理通信口发送。

应用层（完成NCAP功能PC主机软件）和无线传感器终端模块（智能传感器接口模块STIM）都通过IEEE1451接口协议与最低层的IEEE802.15.4模块进行通信。

由上述分析，把整个软件系统分为三部分：

(1)运行在NCAP功能的PC机上的应用程序：包括面向用户的图形用户界面、面向STIM层的操作（主要是对智能传感器模块的控制和通信）以及与802.15.4模块上的1451控制接口固件（firmware）通信的NCAP接口协议。这部分可用面向对象的编程语言实现，把每个传感器节点作为一个节点类的实例对象，应用程序通过与实例对应的句柄访问控制各个传感器节点以及节点上的各个传感器。

(2)嵌入到智能传感器模块的MCU上的程序（针对不同的MCU用汇编或是C语言写成），主要完成原始信息的采集、处理、读取传感器的电子数据表单、与IEEE1451接口协议的通信、用利STIM层与上位机通信。

(3)无线终端模块上的IEEE1451控制接口协议，固化在无线传感器模块的存储器里。通过它实现智能传感器模块与上位机上的应用层软件的通信。

3 无线传感器网络实现的问题及分析

能量效率：首先，无线传感器网络不同于传统的无线网络（如WLAN和蜂窝移动电话网络），除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。这些改进涉及物理层、数据链路层和网络层。物理层选择低功耗的调制方式和硬件设计。其次，在MAC层和网络层之间加入一个中间层，负责使传感器在不通信时尽可能进入睡眠模式或省电模式，可以大大降低了节点的能耗。
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