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一種基本IEEE802.15.4無線智能化傳感器網絡實現探討
摘要：介紹了IEEE802.15.4協議的特點、構件及體系結構、發展前景，分析了IEEE1451智能傳感器模型，提出了一種基于IEEE802.15.4協議的無線智能傳感器網絡結構設計，并探討了其實現。近年來，隨著計算機技術、網絡技術與無線通信技術的高速發展和廣泛應用，人們開始將無線網絡技術與傳感器技術相結合，提供了無線網絡化傳感器的概念。它不僅可以應用于Internet接入互連，還適用于有線接入方式所不能勝任的場合，以提供優質的數據傳輸服務。例如，在工廠巨大的設備間、低速長距離的通信要求和危險的工業環境。
2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組，致力于定義一種從廉價的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術。產品的方便靈活、易于連接、實用可靠及可繼續延續是市場的驅動力。一般認為短距離的無線低功率通信技術最適合傳感器網絡使用，傳感器網絡是802.15.4標準的主要布場對象。將傳感器與802.15.4設備組合，進行數據收集、處理和分析，即可決定是否需要或何時需要用戶操作。滿足802.15.4標準的無線發射/接收機及網絡被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell這些國際通信與工業控制界巨頭們極力推崇。目前，IEEE1451工作組已考慮在其基礎上實現無線智能傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Networks）。本文探討了基于IEEE802.15.4標準的無線智能傳感器網絡的實現。
1 基于IEEE802.15.4標準的智能傳感器模型
1.1 IEEE1451智能傳感器模型
智能傳感器建立了一個標準化的傳感器網絡協議。它規定了傳感器模塊的電子數據表單，也定義了訪問數據表單、讀取傳感器數據、設置參數的數字接口。IEEE1451的目的就是提供一個工業標準接口，有效地連接傳感器和微控制器，并把傳感器接入網絡。
IEEE1451模型主要由智能傳感器接口模塊STIM（Smart Transducer Interface Module）和網絡應用處理器NCAP（Network Capable Application Porcessor）組成，中間通過傳感器獨立接口TII相連接。NCAP模塊用來運行網絡協議堆和應用硬件，與網絡互聯；STIM模塊為智能變送器接口模塊，其中包括變送器電子數據表單TEDS（Transducer Electronic DataSheet），一個STIM可以連接太量不同的傳感器或執行器，在正常使用過程中傳感器和STIM是不可分開的。變送器獨立接TII（Transducer Independence Interface）主要定義二者之間點點連線、同步時鐘的矩距離接口，使制造商可以把一個傳感器應用到多種商網絡中。另外，IEEE1451標準通過TEDS，使傳感器模型具有即插即用的兼容性。原始數據轉換為國際標準單位。其結構如圖1所示。
智能傳感器接口模塊是圍繞傳感元件建立起來的，包括傳感器TEDS、控制、狀態寄存器、中斷屏蔽、尋址、功能譯碼邏輯、觸發、觸發應答功能，這些都是用于傳感器獨立接口的數字接口。傳感器獨立接口包括數據傳輸、時鐘、觸發、應答線。接口是串行外圍接口，由兩根串行數據輸入輸出組成。智能傳感器接口模塊通過傳感器獨立接口上電，這就意味著STIM可被熱掃描，而不用釋放對網絡中其他傳感器的操作。
智能傳感器模型包括自身帶有的內部消息：制造商、數據代碼、序列號、使用的極限、未定量以及校準系數等。當電源加上STIM時，這些數據可以提供給NCAP及系統的其它部分。當NCAP讀入STIM中TEDS數據時，NCAP可以知道這個STIM的通信速度、通道數及每個通道上變送器的數據格式（12位還是16位），并且知道所測量對象的物理單位，知道怎樣將所得到的原始數據轉換為國際標準單位。
在與STIM通信的過程中，NCAP一直是主機，通信速率由NCAP設定，這會影響STIM中的采樣速率，但是避免了釋放數據以及對存儲器的巨大需求。當STIM連接到NCAP時，NCAP從TEDS讀取有關STIM的信息之后，讀取STIM采樣的數據。
1.2 IEEE1451智能傳感器標準與802.15.4標準的融合
IEEE802.15.4滿足國際標準組織（ISO）開放系統互連（OSI）參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層。關于IEEE802.15.4標準詳細的內容請參閱文獻[7]。
為了有效地實現無線智能傳感器，筆者考慮結合IEEE1451標準和802.15.4標準進行設計，需要對現有的1451智能傳感器模型開出改進的。
方案之一是無線STIM（智能傳感器接口模型）：STIM與NCAP之間不再是TII接口（傳感器獨立接口），而是通過IEEE802.15.4無線（收發模塊）傳輸信息。傳感器或執行器的信息由STIM通過無線網絡傳遞到NCAP終端，進而與有線網絡相連。另外，還可以在NCAP與網絡間的接口替換為無線接口。
方案之二是無線的NCAP終端：STIM與NCAP之間通過TII接口相連，無線網絡的收發模塊置于NCAP上，另一無線收發模塊與無線網絡相連，從而與有線網絡通信。在此方案中，NCAP作為一個傳感器網絡終端。如圖2所示。
因為功耗的原因，無線通信模塊不直接包含在STIM中，而是將NCAP和STIM集成在一個芯片或模塊中。在這種情況下，NCAP和STIM之間的TII接口可以大大簡化。
2 無線智能傳感器網絡的實現
2.1 無線智能傳感器
本設計的實現機理是IEEE802.15.4傳輸模塊代替傳統的串行通信模塊，將采集的數據以無線方式發送出去[7]。
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