传感器无线互联标准及实现

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摘要：介绍了IEEE802.15.4标准的概念、产生背景、特点、构件及体系结构、发展前景，并探讨了基于IEEE802.15.4标准传感器的实现，对其实现的问题给出了解决方案。

    关键词：IEEE802.15.4 Zigbee协议 传感器

为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802．15．4工作组，致力于定义一种供廉价的固定、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。802．15．4无线发射javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>／接收机及网络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell等公司极力推崇。同时，也吸引了其他标准化组织的注意。IEEEl451工作组已考虑在IEEE802．15．4标准基础上实现传感器网络(Sensor Networks)。

产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可升级换代是市场的驱动力。802．15．4主要应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域。传感器网络是其主要市场对象。将传感器与802．15．4设备组合，进行数据收集、处理和分析，就可以决定是否需要或何时需要用户操作。其应用实例包括恶劣。环境下的检测，诸如涉及危险的火和化学物质的现场、监测以及维护正在旋转的机器等。在这些应用上，一个802．15．4网络可以极大地降低新传感器网络的安装成本，简化对现有网络的扩充。

1 802．15．4协议架构及其技术特点

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(如图1所示)，表1中概括了802．15．4的一些特点。Zigbee联盟制定了MAC层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。

表1 IEEE802.15.4标准的主要技术特征

复杂程度	比现有标准低	通信时延	≥15ms
目的	只支持数据通信	功耗	约45μA
频段、数据率及信道数	868MHz：20kbps 1 925MHz:40kbps 10 2.4GHz:250kbps 16	MAC的控制方式	星型网络对等网络
每个网络支持节点数	65536	寻址方式	64bit IEEE地址 8bit 网络地址
连接层结构	开放式	温度	-40℃～-85℃
传输范围	室内：10m速率 250kbps;+0dBm TX室外：30m-75m速率40kbps，300m速率20kbps	应用	传感器、玩具、控制领域……

物理层：IEEE802．15．4定义了2．4GHz物理层和868／915MHz物理层两个物理层标准，它们都采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频)。

2．4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于设备的推广和生产成本的降低。2．4GHz物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kbps的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。

868／915MHz物理层使用简单的DSSS方法，即二进制相移键控(BPSK)方式。868MHz的传输速率为20kbps，916MHz的传输速率为40kbps。这两个频段的引入避免了2．4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰，且这两个频段上的无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。

MAC层：IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC(Logical Link Control，逻辑链路控制)和MAC(Media Access Control，媒介接入控制)两个子层。LLC子层在IEEE802．6标准中定义，为802标准系列共用；而MAC子层协议则依赖于各自的物理层。IEEE802．15．4的MAC层支持多种LLC标准，通过SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer，业务相关的会聚子层)协议承载IEEE802．2类型的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE802．15．4的MAC层的服务。

IEEE802．15．4的MAC协议包括以下功能：javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。MAC子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点(SAP)访问高层。通过MAC通用部分子层SAP(MCPS-SAP)访问MAC数据服务，用MAC层管理实体SAP(MLME-SAP)访问MAC管理服务。这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。灵活的MAC帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。MAC帧的通用格式如图2所示。

802．15．4标准上层协议由完整的Zigbee协议套件构成。网络层主要采用了基于Ad-hoe技术的网络协议，包含以下功能：通用的网络层功能；拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全；与IEEE802．15．4标准一样，非常省电；有自组织、自维护功能，最大程度地减少消费者的开支和维护成本。应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络上，具体包括：安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。

因此，IEEE802．15．4标准具有以下一些非常适用于无线传感器的特点：

功耗低：由于工作周期较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，可以确保两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。当然不同的应用功耗是不同的。

数据传输可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，发送的每个数据

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