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傳感器無線互聯(lián)標準及實現(xiàn)
摘要：介紹了IEEE802.15.4標準的概念、產(chǎn)生背景、特點、構(gòu)件及體系結(jié)構(gòu)、發(fā)展前景，并探討了基于IEEE802.15.4標準傳感器的實現(xiàn)，對其實現(xiàn)的問題給出了解決方案。關(guān)鍵詞：IEEE802.15.4 Zigbee協(xié)議 傳感器
為了滿足類似于傳感器的小型、低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)的要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802．15．4工作組，致力于定義一種供廉價的固定、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)。802．15．4無線發(fā)射(范文先生網(wǎng)www.htc668.com收集整理)／接收機及網(wǎng)絡(luò)被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell等公司極力推崇。同時，也吸引了其他標準化組織的注意。IEEEl451工作組已考慮在IEEE802．15．4標準基礎(chǔ)上實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Sensor Networks)。
產(chǎn)品的方便靈活、易于連接、實用可靠及可升級換代是市場的驅(qū)動力。802．15．4主要應(yīng)用于工業(yè)控制、遠程監(jiān)控和樓宇自動化領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場對象。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，就可以決定是否需要或何時需要用戶操作。其應(yīng)用實例包括惡劣。環(huán)境下的檢測，諸如涉及危險的火和化學(xué)物質(zhì)的現(xiàn)場、監(jiān)測以及維護正在旋轉(zhuǎn)的機器等。在這些應(yīng)用上，一個802．15．4網(wǎng)絡(luò)可以極大地降低新傳感器網(wǎng)絡(luò)的安裝成本，簡化對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的擴充。
1 802．15．4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點
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(如圖1所示)，表1中概括了802．15．4的一些特點。Zigbee聯(lián)盟制定了MAC層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。
表1 IEEE802.15.4標準的主要技術(shù)特征
925MHz:40kbps 10
2.4GHz:250kbps 16 MAC的控制方式 星型網(wǎng)絡(luò)對等網(wǎng)絡(luò) 每個網(wǎng)絡(luò)支持節(jié)點數(shù) 65536 尋址方式 64bit IEEE地址
8bit 網(wǎng)絡(luò)地址 連接層結(jié)構(gòu) 開放式 溫度 -40℃～-85℃ 傳輸范圍 室內(nèi)：10m速率
250kbps;+0dBm TX室外：30m-75m速率40kbps，300m速率20kbps 應(yīng)用 傳感器、玩具、控制領(lǐng)域……
物理層：IEEE802．15．4定義了2．4GHz物理層和868／915MHz物理層兩個物理層標準，它們都采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)。
2．4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段，有助于設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2．4GHz物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kbps的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。
868／915MHz物理層使用簡單的DSSS方法，即二進制相移鍵控(BPSK)方式。868MHz的傳輸速率為20kbps，916MHz的傳輸速率為40kbps。這兩個頻段的引入避免了2．4GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾，且這兩個頻段上的無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。
MAC層：IEEE802系列標準把數(shù)據(jù)鏈路層分成LLC(Logical Link Control，邏輯鏈路控制)和MAC(Media Access Control，媒介接入控制)兩個子層。LLC子層在IEEE802．6標準中定義，為802標準系列共用；而MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。IEEE802．15．4的MAC層支持多種LLC標準，通過SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer，業(yè)務(wù)相關(guān)的會聚子層)協(xié)議承載IEEE802．2類型的LLC標準，同時也允許其他LLC標準直接使用IEEE802．15．4的MAC層的服務(wù)。
IEEE802．15．4的MAC協(xié)議包括以下功能：設(shè)備間無線鏈路的建立、維護和結(jié)束；確認模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗；預(yù)留時隙管理；廣播信息管理。MAC子層提供兩個服務(wù)與高層聯(lián)系，即通過兩個服務(wù)訪問點(SAP)訪問高層。通過MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪問MAC數(shù)據(jù)服務(wù)，用MAC層管理實體SAP(MLME-SAP)訪問MAC管理服務(wù)。這兩個服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和物理層提供了一個接口。靈活的MAC幀結(jié)構(gòu)適應(yīng)了不同的應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)拓撲的需要，同時也保證了協(xié)議的簡潔。MAC幀的通用格式如圖2所示。
802．15．4標準上層協(xié)議由完整的Zigbee協(xié)議套件構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)層主要采用了基于Ad-hoe技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包含以下功能：通用的網(wǎng)絡(luò)層功能；拓撲結(jié)構(gòu)的搭建和維護，命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，包含了尋址、路由和安全；與IEEE802．15．4標準一樣，非常省電；有自組織、自維護功能，最大程度地減少消費者的開支和維護成本。應(yīng)用會聚層將主要負責(zé)把不同的應(yīng)用映射到Zigbee網(wǎng)絡(luò)上，具體包括：安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。
因此，IEEE802．15．4標準具有以下一些非常適用于無線傳感器的特點：
功耗低：由于工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達六個月到兩年左右的使用時間。當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的。
數(shù)據(jù)傳輸可靠性高：采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。
網(wǎng)絡(luò)容量大：一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多65536個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個Zigbee網(wǎng)絡(luò)。
時延小：針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。
兼容性：與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標準無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA-CA方式進行信道存取。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。
安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
實現(xiàn)成本低：模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1．5~2．5美元，且Zigbee協(xié)議是免專利費的。
協(xié)議套件緊湊而簡單：其具體實現(xiàn)的要求很低。Zigbee協(xié)議套件的需求估計：8位微處理器，如80c51；全協(xié)議套件軟件需要32K字節(jié)的ROM；最小協(xié)議套件軟件大約4K字節(jié)的ROM。
2 802．15．4標準傳感器的實現(xiàn)
2．1基于802．15．4標準傳感器的實現(xiàn)
傳感器的實現(xiàn)機理是以802．15．4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。其主要包括802．15．4無線通信模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口、直流電源模塊以及外部存儲器等。
802．15．4無線通信模塊負責(zé)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，主要包括射頻和基帶兩部分，前者提供數(shù)據(jù)通信的空中接口，后者主要提供鏈路的物理信道和數(shù)據(jù)分組。微控制器負責(zé)鏈路管理與控制，執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關(guān)的處理過程，包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類型支持、媒體接入控制、功率模式和安全算法等。經(jīng)過調(diào)理的傳感器模擬信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后暫存于緩存中，由802．15．4無線通信模塊通過無線信道發(fā)送到主控節(jié)點，再進行特征提取、信息融合等高層決策處理。整個節(jié)點可由外部直流電源供電或采用電池組，視具體情況而定。若要增加通信距離，可添加功率放大器以提高天線發(fā)射功率。如圖3所示。
2．2 802。15．4傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)
802．15．4將提供一個低成本的用于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上每個監(jiān)測點只需在有限的時間內(nèi)發(fā)送幾個比特的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流是異步的，并在數(shù)據(jù)等待時間上限制極小，這些因素利于電池使用壽命的延長。傳感器主要有兩種使用方式：Ad-hoc方式和接入點方式。
Ad-hoc方式：各傳感器與控制設(shè)備組成獨立的、封閉的微網(wǎng)。傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器據(jù)此完成相應(yīng)的任務(wù)，數(shù)據(jù)不需要上傳，一切功能都在本地完成。這種情況常見于移動范圍較大、信息數(shù)據(jù)自成一體的應(yīng)用，如機器人、汽車等。
接入點方式：各傳感器之間可以互相訪問，并可通過接入點與有線網(wǎng)上的設(shè)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(shè)備互通信息。在這種情況下，無線成為有線的延伸和補充，一般用于需要經(jīng)常移動傳感器的地方，及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(shè)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(shè)備通常由發(fā)起通信的設(shè)備承擔(dān)，而且這種主從角色也可以互換。一個單獨的主控設(shè)備和臨近與之通信的所有從屬設(shè)備組成了所謂的piconet，慣稱微微網(wǎng)。在一個piconet中只能有一個主控設(shè)備，它的時鐘序列被用來使該中的所有從屬設(shè)備與之同步。這些從屬設(shè)備都與主控設(shè)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(shè)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(shè)備，它們未與主控設(shè)備連接，因而不是piconet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pieonet結(jié)構(gòu)。每個piconet除了Slave和master之間，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(gòu)建傳感器測控網(wǎng)絡(luò)。master節(jié)點為測控網(wǎng)絡(luò)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)點之間相互獨立，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(jié)構(gòu)。整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能分為三層：最下層是各種敏感單元，負責(zé)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(zé)對原始數(shù)據(jù)的預(yù)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(nèi)，還可以采用有線或無線中繼擴大信號的覆蓋范圍，改善網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)(如圖4所示)。
2．3 802．15．4傳感器實現(xiàn)的問題和解決
用802．15．4實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集，主要還有以下兩個問題：(1)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點時鐘需要同步，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；(2)其通信速率較低，而且又受到接口通信速率的限制，加之受糾錯碼的編碼效率影響，真正的數(shù)據(jù)發(fā)送量是很低的。解決此問題可以通過如下的途徑：傳感器節(jié)點采用DSP處理器，盡可能在傳感器節(jié)點一級多做些數(shù)據(jù)處理工作，盡量減少原始數(shù)據(jù)的發(fā)送量，只發(fā)送有用信息。例如，對于平穩(wěn)狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)可以不發(fā)送到上位機中，只發(fā)送可疑狀態(tài)前后的原始數(shù)據(jù)。這樣就大大減少了數(shù)據(jù)的通信量。
基于802．15．4標準的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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。可以應(yīng)用在大型的機械設(shè)備監(jiān)測場合。國外已經(jīng)開發(fā)出了可以投入使用的產(chǎn)品。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，微處理器芯片的網(wǎng)絡(luò)功能會得到加強，智能傳感器與無線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合會更加容易。應(yīng)用高性能的嵌入式處理器之后，傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能也會越來越強。
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