??? 摘 要： 介紹了IEEE802.15.4協(xié)議的特點(diǎn)、構(gòu)件及體系結(jié)構(gòu)、發(fā)展前景，分析了IEEE1451傳感器" title="智能傳感器">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)" title="傳感器網(wǎng)絡(luò)">傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并探討了其實(shí)現(xiàn)。
??? 關(guān)鍵詞： IEEE802.15.4? IEEE1451? 智能傳感器網(wǎng)絡(luò)

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??? 近年來，隨著計(jì)算機(jī)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，提出了無線網(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(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境。
??? 2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組，致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)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(shí)用可靠及可繼承延續(xù)是市場的驅(qū)動(dòng)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)的主要市場對(duì)象。將傳感器與802.15.4設(shè)備組合，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、處理和分析，即可決定是否需要或何時(shí)需要用戶操作。滿足802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線發(fā)射/接收機(jī)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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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 Processor）組成，中間通過傳感器獨(dú)立接口TII相連接。NCAP模塊用來運(yùn)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(gè)STIM可以連接大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(dú)立接口TII(Transducer Independence Interface)主要定義二者之間點(diǎn)點(diǎn)連線、同步時(shí)鐘的短距離接口，使制造商可以把一個(gè)傳感器應(yīng)用到多種網(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。

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2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的軟件結(jié)構(gòu)分析
??? 無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的最下層由IEEE802.15.4協(xié)議模塊組成，包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。
??? IEEE802.15.4模塊之上為1451控制接口協(xié)議。通過該控制接口協(xié)議，可以方便地把802.15.4模塊嵌入到各種數(shù)字設(shè)備中作為一個(gè)無線收發(fā)終端。1451控制接口協(xié)議可以完成本地設(shè)備的初始化、查找終端設(shè)備、建立鏈接、交換數(shù)據(jù)、增加或減少網(wǎng)絡(luò)中無線終端設(shè)備的數(shù)目。該接口協(xié)議可以是USB、RS232或是I2C接口。主機(jī)通過控制接口操作IEEE802.15.4模塊，通過一個(gè)事件（Event）確認(rèn)命令成功與否。主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交換也是通過IEEE1451控制接口進(jìn)行的（其數(shù)據(jù)鏈路可以異步也可以同步）。
??? 智能傳感器接口模塊STIM（Smart Transducer Interface Module)位于IEEE1451接口協(xié)議層之上，并可利用該接口協(xié)議層的數(shù)據(jù)包發(fā)送STIM的命令、事件和傳感器數(shù)據(jù)。
??? 把位于STIM主機(jī)上完成NCAP功能的PC主機(jī)軟件功能定義為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用層，主要是一些應(yīng)用程序。應(yīng)用層對(duì)其以下各協(xié)議層是透明的，只是向低一級(jí)的STIM層發(fā)送STIM定義的包。而1451接口協(xié)議層的包則由RS232、RS485或者USB等物理通信口發(fā)送。
??? 應(yīng)用層（完成NCAP功能PC主機(jī)軟件）和無線傳感器終端模塊（智能傳感器接口模塊STIM）都通過IEEE1451接口協(xié)議與最低層的IEEE802.15.4模塊進(jìn)行通信。
??? 由上述分析，把整個(gè)軟件系統(tǒng)分為三部分：
??? （1）運(yùn)行在NCAP功能的PC機(jī)上的應(yīng)用程序：包括面向用戶的圖形用戶界面、面向STIM層的操作（主要是對(duì)智能傳感器模塊的控制和通信）以及與802.15.4模塊上的1451控制接口固件（firmware）通信的NCAP接口協(xié)議。這部分可用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言實(shí)現(xiàn)，把每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)類的實(shí)例對(duì)象，應(yīng)用程序通過與實(shí)例對(duì)應(yīng)的句柄訪問控制各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)上的各個(gè)傳感器。
??? （2）嵌入到智能傳感器模塊的MCU上的程序（針對(duì)不同的MCU用匯編或是C語言寫成），主要完成原始信息的采集、處理、讀取傳感器的電子數(shù)據(jù)表單、與IEEE1451接口協(xié)議的通信、利用STIM層與上位機(jī)通信。
??? （3）無線終端模塊上的IEEE1451控制接口協(xié)議，固化在無線傳感器模塊的存儲(chǔ)器里。通過它實(shí)現(xiàn)智能傳感器模塊與上位機(jī)上的應(yīng)用層軟件的通信。
3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的問題及分析
??? 能量效率：首先，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)(如WLAN和蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò))，除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止的。因?yàn)樗鼈兺ǔ＿\(yùn)行在人無法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，能源無法替代，設(shè)計(jì)有效的策略延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。這些改進(jìn)涉及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。物理層選擇低功耗的調(diào)制方式和硬件設(shè)計(jì)。其次，在MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間加入一個(gè)中間層，負(fù)責(zé)使傳感器在不通信時(shí)盡可能進(jìn)入睡眠模式或省電模式，可以大大降低了節(jié)點(diǎn)的能耗。
??? 路由和網(wǎng)絡(luò)控制：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究初期，人們一度認(rèn)為成熟的Internet技術(shù)加上Ad-hoc路由機(jī)制對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是足夠充分的，但深入的研究表明[2]:傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)明顯不同的技術(shù)要求。前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。為了適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)遵循著端到端的邊緣論思想[3]，強(qiáng)調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)，這未必是一種合理的選擇。一些為自組織的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算法，未必適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用的要求。節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)(如地址等)的作用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中不十分重要，因?yàn)閼?yīng)用程序不怎么關(guān)心單節(jié)點(diǎn)上的信息；中間節(jié)點(diǎn)上與具體應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、融合和緩存也顯得很有必要。在密集性的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離非常短,低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗，同時(shí)增加了通信的隱蔽性，避免了長距離無線通信易受外界噪聲干擾的影響。這些獨(dú)特的要求和制約因素為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的技術(shù)問題。
??? 時(shí)鐘同步：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步不同于傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器與實(shí)際的物理環(huán)境聯(lián)系密切，必須采用物理時(shí)鐘同步，無法使用相對(duì)簡單的邏輯時(shí)鐘；無線傳感器要求必須采用低能耗工作，時(shí)間同步的數(shù)據(jù)交換受到限制；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大且通常為Ad-hoc的結(jié)構(gòu)，不利于采用傳統(tǒng)的時(shí)間同步方法；無線媒介連接方式不可靠。例如，傳感器網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際的物理環(huán)境。監(jiān)控系統(tǒng)的多傳感器信息融合時(shí)，上位機(jī)需要知道每個(gè)原始數(shù)據(jù)是何時(shí)采集的，采樣的觸發(fā)要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)有統(tǒng)一的時(shí)鐘。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信協(xié)議和應(yīng)用，例如基于TDMA的MAC協(xié)議和敏感時(shí)間的監(jiān)測任務(wù)等，也要求節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘必須保持同步。設(shè)計(jì)高精度的時(shí)鐘同步機(jī)制是傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。802.15.4低速率工作組提出了一種協(xié)調(diào)件協(xié)議MDP（Mediation Device Protocol)，采用一個(gè)偽定義的節(jié)點(diǎn)接收網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有通信請(qǐng)求，并為通信雙方協(xié)調(diào)會(huì)合時(shí)間。這個(gè)協(xié)議不需要額外添加新的硬件，對(duì)節(jié)點(diǎn)電池壽命的影響也很小。但是，消息的請(qǐng)求對(duì)此方案的影響很大。廣播時(shí)間信標(biāo)的方法是一種簡單實(shí)用的同步策略。其基本思想是：節(jié)點(diǎn)以自己的時(shí)鐘記錄事件，隨后用第三方廣播的基準(zhǔn)時(shí)間加以校正，精度依賴于對(duì)這段間隔時(shí)間的測量。這種同步機(jī)制應(yīng)用在確定來自不同節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測事件的先后關(guān)系時(shí)有足夠的精度?？梢钥紤]精簡已有的NTP(Network Time Protocol)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，將其移植到傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
??? 定位機(jī)制：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位機(jī)制與算法包括節(jié)點(diǎn)自身定位和外部目標(biāo)定位兩部分，前者是后者的基礎(chǔ)。在節(jié)點(diǎn)自身定位方面，普遍采用了GPS(Global Positioning System)技術(shù)。對(duì)于一些定位精度要求不高的項(xiàng)目，則應(yīng)用了LPS(Local Positioning System)。由于GPS不適合中國國情，可以采用一種依賴于自有技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位的機(jī)制。在北斗一號(hào)雙星定位系統(tǒng)的支持下，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)就可以找到自己的精確位置，然后參照此基準(zhǔn)，利用局部定位算法，其他節(jié)點(diǎn)也可以正確定位。此外，在這種模式下，北斗一號(hào)的上行數(shù)據(jù)通路恰好可以作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的sink鏈路，將數(shù)據(jù)回傳給控制中心，省去了用飛行器等其他手段收集數(shù)據(jù)的麻煩。確定了節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)位置,利用傳統(tǒng)的定位機(jī)制和算法，如接收信號(hào)的強(qiáng)弱、角度和時(shí)間等，以及典型的三角形算法，就可以定位外部目標(biāo)，這是相對(duì)成熟的技術(shù)。
??? 基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性，同時(shí)又減少了現(xiàn)場布線帶來的各種問題，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的管理也比較方便?？梢詰?yīng)用在大型的機(jī)械設(shè)備監(jiān)測場合。國外已有產(chǎn)品投入使用。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微處理器芯片的網(wǎng)絡(luò)功能會(huì)得到加強(qiáng)，智能傳感器和無線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合會(huì)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(huì)越來越強(qiáng)。
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