??? 物理層:IEEE802.15.4定義了2.4GHz物理層和868/915MHz物理層兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn),它們都采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列擴(kuò)頻)。
??? 2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)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(guò)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(shí)延" title="時(shí)延">時(shí)延和更短的工作周期,從而更加省電。
??? 868/915MHz物理層使用簡(jiǎn)單的DSSS方法,即二進(jìn)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(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的相互干擾,且這兩個(gè)頻段上的無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播損耗較小,因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求,獲得較遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)子層。LLC子層在IEEE802.6標(biāo)準(zhǔn)中定義,為802標(biāo)準(zhǔn)系列共用;而MAC子層協(xié)議則依賴(lài)于各自的物理層。IEEE802.15.4的MAC層支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer,業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層)協(xié)議承載IEEE802.2類(lèi)型的LLC標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)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(wú)線(xiàn)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束;確認(rèn)模式的幀傳送與接收;信道接入控制;幀校驗(yàn);預(yù)留時(shí)隙管理;廣播信息管理。MAC子層提供兩個(gè)服務(wù)與高層聯(lián)系,即通過(guò)兩個(gè)服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)(SAP)訪(fǎng)問(wèn)高層。通過(guò)MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪(fǎng)問(wèn)MAC數(shù)據(jù)服務(wù),用MAC層管理實(shí)體SAP(MLME-SAP)訪(fǎng)問(wèn)MAC管理服務(wù)。這兩個(gè)服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和物理層提供了一個(gè)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?fù)涞男枰?同時(shí)也保證了協(xié)議的簡(jiǎn)潔。MAC幀的通用格式如圖2所示。

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??? 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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A(yíng)d-hoc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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù),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(biāo)準(zhǔn)一樣,非常省電;有自組織、自維護(hù)功能,最大程度地減少消費(fèi)者的開(kāi)支和維護(hù)成本。應(yīng)用會(huì)聚層將主要負(fù)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(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。
??? 因此,IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)具有以下一些非常適用于無(wú)線(xiàn)傳感器的特點(diǎn):
??? 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(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月到兩年左右的使用時(shí)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(jī)制,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙,避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。
??? 網(wǎng)絡(luò)容量大:一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多65536個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備,一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)。
??? 時(shí)延小:針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化,通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30ms,休眠激活時(shí)延典型值為15ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。
??? 兼容性:與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò),采用CSMA-CA方式進(jìn)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(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
??? 實(shí)現(xiàn)成本低:模塊的初始成本估計(jì)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(zhuān)利費(fèi)的。
??? 協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單:其具體實(shí)現(xiàn)的要求很低。Zigbee協(xié)議套件的需求估計(jì):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(biāo)準(zhǔn)傳感器的實(shí)現(xiàn)
2.1基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)傳感器的實(shí)現(xiàn)
??? 傳感器的實(shí)現(xiàn)機(jī)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(wú)線(xiàn)方式發(fā)送出去。其主要包括802.15.4無(wú)線(xiàn)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(chǔ)器等。
??? 802.15.4無(wú)線(xiàn)通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)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(fù)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(guò)程,包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類(lèi)型支持、媒體接入控制、功率模式和安全算法等。經(jīng)過(guò)調(diào)理的傳感器模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后暫存于緩存中,由802.15.4無(wú)線(xiàn)通信模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道發(fā)送到主控節(jié)點(diǎn),再進(jìn)行特征提取、信息融合等高層決策處理。整個(gè)節(jié)點(diǎn)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(xiàn)發(fā)射功率。如圖3所示。

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2.2 802.15.4傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)
??? 802.15.4將提供一個(gè)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)只需在有限的時(shí)間內(nèi)發(fā)送幾個(gè)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(shí)間上限制極小,這些因素利于電池使用壽命的延長(zhǎng)。傳感器主要有兩種使用方式:Ad-hoc方式和接入點(diǎn)" title="接入點(diǎn)">接入點(diǎn)方式。
??? Ad-hoc方式:各傳感器與控制設(shè)備組成獨(dú)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(jiàn)于移動(dòng)范圍較大、信息數(shù)據(jù)自成一體的應(yīng)用,如機(jī)器人、汽車(chē)等。
??? 接入點(diǎn)方式:各傳感器之間可以互相訪(fǎng)問(wèn),并可通過(guò)接入點(diǎn)與有線(xiàn)網(wǎng)上的設(shè)備交換數(shù)據(jù),甚至可以再次通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)上的另一個(gè)接入點(diǎn)與遠(yuǎn)端的設(shè)備互通信息。在這種情況下,無(wú)線(xiàn)成為有線(xiàn)的延伸和補(bǔ)充,一般用于需要經(jīng)常移動(dòng)傳感器的地方,及線(xiàn)纜密集不宜再度布線(xiàn)的地方。
??? 如果兩個(gè)傳感器建立了無(wú)線(xiàn)鏈接,其中一個(gè)設(shè)備將扮演主控角色(master),另一個(gè)則扮演從屬角色(slave)。角色的分配是在微微網(wǎng)形成時(shí)臨時(shí)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(gè)單獨(dú)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(chēng)微微網(wǎng)。在一個(gè)piconet中只能有一個(gè)主控設(shè)備,它的時(shí)鐘序列被用來(lái)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(gè)公共傳輸信道,并處于某一特定的基帶模式,例如活動(dòng)從屬設(shè)備就可以進(jìn)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(jī)(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piconet結(jié)構(gòu)。每個(gè)piconet除了Slave和master之間,各個(gè)slave節(jié)點(diǎn)之間也可以通信。在這里只以單個(gè)的piconet為主干構(gòu)建傳感器測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。master節(jié)點(diǎn)為測(cè)控網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)信息的匯集處理功能,slave節(jié)點(diǎn)為傳感器節(jié)點(diǎn)" title="傳感器節(jié)點(diǎn)">傳感器節(jié)點(diǎn)?？紤]到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立,信息融合只在master節(jié)點(diǎn)完成,所以?xún)H實(shí)現(xiàn)master點(diǎn)對(duì)多slave點(diǎn)的通信,形成一個(gè)星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)功能分為三層:最下層是各種敏感單元,負(fù)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(diǎn),負(fù)責(zé)對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理(包括濾波、補(bǔ)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(jī)或其他類(lèi)型上位機(jī)(如嵌入式計(jì)算機(jī))的master節(jié)點(diǎn),所有傳感器的信息在這里進(jìn)行更高一級(jí)處理,如譜分析、模式識(shí)別、信息融合、判斷決策等。在微微網(wǎng)內(nèi),還可以采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)中繼擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍,改善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖4所示)。

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