一種基本IEEE802.15.4無線智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)探討VIP

1、一種基本IEEE802.15.4無線智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)探討摘要介紹了802154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1451智能傳感器模型，提出了一種基于802154協(xié)議的無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并探討了其實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞8021541451智能傳感器網(wǎng)絡(luò)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，提供了無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器的概念。它不僅可以應(yīng)用于接入互連，還適用于有線接入方式所不能勝任的場(chǎng)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月成立了802154工作組

2、，致力于定義一種從廉價(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)用可靠及可繼續(xù)延續(xù)是市場(chǎng)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802154標(biāo)準(zhǔn)的主要布場(chǎng)對(duì)象。將傳感器與802154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802154標(biāo)準(zhǔn)的無線發(fā)射接收機(jī)及網(wǎng)絡(luò)被、和這些國際通信與工業(yè)控制界巨頭們極力推崇。目前，1451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)。本文探討了基于802154標(biāo)準(zhǔn)的無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。1基于802154標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器模型111

3、451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。1451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)。1451模型主要由智能傳感器接口模塊和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器組成，中間通過傳感器獨(dú)立接口相連接。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)；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，一個(gè)可以連接太量不同的傳感器或執(zhí)行器，在正常使用過程中傳感器和是不可分開的。變送器獨(dú)立接主要定義二者之間點(diǎn)點(diǎn)連線、同步時(shí)鐘的矩距離接口，使制造商可以把一個(gè)傳感器應(yīng)用到多

4、種商網(wǎng)絡(luò)中。另外，1451標(biāo)準(zhǔn)通過，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。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、控制、狀態(tài)寄存器、中斷屏蔽、尋址、功能譯碼邏輯、觸發(fā)、觸發(fā)應(yīng)答功能，這些都是用于傳感器獨(dú)立接口的數(shù)字接口。傳感器獨(dú)立接口包括數(shù)據(jù)傳輸、時(shí)鐘、觸發(fā)、應(yīng)答線。接口是串行外圍接口，由兩根串行數(shù)據(jù)輸入輸出組成。智能傳感器接口模塊通過傳感器獨(dú)立接口上電，這就意味著可被熱掃描，而不用釋放對(duì)網(wǎng)絡(luò)中其他傳感器的操作。智能傳感器模型包括自身帶有的內(nèi)部消息制造商、數(shù)據(jù)代碼、序列號(hào)、使用的極限、未定量以及校準(zhǔn)系數(shù)等。當(dāng)電源加上時(shí)，這些數(shù)據(jù)可以提供

5、給及系統(tǒng)的其它部分。當(dāng)讀入中數(shù)據(jù)時(shí)，可以知道這個(gè)的通信速度、通道數(shù)及每個(gè)通道上變送器的數(shù)據(jù)格式12位還是16位，并且知道所測(cè)量對(duì)象的物理單位，知道怎樣將所得到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為國際標(biāo)準(zhǔn)單位。在與通信的過程中，一直是主機(jī)，通信速率由設(shè)定，這會(huì)影響中的采樣速率，但是避免了釋放數(shù)據(jù)以及對(duì)存儲(chǔ)器的巨大需求。當(dāng)連接到時(shí)，從讀取有關(guān)的信息之后，讀取采樣的數(shù)據(jù)。121451 智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)與802154標(biāo)準(zhǔn)的融合802154滿足國際標(biāo)準(zhǔn)組織開放系統(tǒng)互連參考模式。它定義了單一的層和多樣的物理層。關(guān)于802154標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)參閱文獻(xiàn)7。為了有效地實(shí)現(xiàn)無線智能傳感器，筆者考慮結(jié)合1451標(biāo)準(zhǔn)和802154標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)

6、行設(shè)計(jì)，需要對(duì)現(xiàn)有的1451智能傳感器模型開出改進(jìn)的。方案之一是無線智能傳感器接口模型與之間不再是接口傳感器獨(dú)立接口，而是通過802154無線收發(fā)模塊傳輸信息。傳感器或執(zhí)行器的信息由通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞到終端，進(jìn)而與有線網(wǎng)絡(luò)相連。另外，還可以在與網(wǎng)絡(luò)間的接口替換為無線接口。方案之二是無線的終端與之間通過接口相連，無線網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)模塊置于上，另一無線收發(fā)模塊與無線網(wǎng)絡(luò)相連，從而與有線網(wǎng)絡(luò)通信。在此方案中，作為一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端。如圖2所示。因?yàn)楣牡脑?，無線通信模塊不直接包含在中，而是將和集成在一個(gè)芯片或模塊中。在這種情況下，和之間的接口可以大大簡化。2 無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)21 無線智能傳感器

7、本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理是802154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7。本文利用802154物理協(xié)議，構(gòu)造一個(gè)無的無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)，但并不是沒有，只是這里采機(jī)完成的功能，即這里的是虛擬的，是由構(gòu)成的；以現(xiàn)場(chǎng)傳感器結(jié)合單片機(jī)如8051或數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成模塊，再以802154接口作為接口與虛擬的相連接。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)參見圖3。傳感器節(jié)點(diǎn)模塊主要是由場(chǎng)的模塊組成，主要由電子數(shù)據(jù)表單、傳感器接口、現(xiàn)場(chǎng)傳感器、功能模塊、接口以及的核心控制模塊等組成。這里以微處理器如單片機(jī)8951作為模塊的核心控制器，以802154構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)接口即接口，以程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)功能程序模塊，以可編程的

8、作為電子數(shù)據(jù)表單存儲(chǔ)單元，單片機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)傳感器連接的口作為傳感器執(zhí)行器接口。系統(tǒng)以作為虛擬的模塊，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是總線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，數(shù)字接口是802154總線接口，模塊以無線的方式直接與連接。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)傳感器將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路與信號(hào)處理電路處理后，通過無線接口即可發(fā)送到有線網(wǎng)絡(luò)上；數(shù)據(jù)接收時(shí)，當(dāng)控制器檢測(cè)總線上的數(shù)據(jù)并接收后，選通相應(yīng)的通道，發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)傳感器的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集參數(shù)的修改及動(dòng)作的控制。及的底層物理層和數(shù)據(jù)鏈路層均由802154物理層和數(shù)據(jù)鏈路層組成的。1451接口協(xié)議負(fù)責(zé)應(yīng)用層與底層之間的數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)換。22 無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由完成功能的主

9、機(jī)和無線傳感器終端模塊組成，體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。各傳感器終端之間可以互訪，并可通過接入點(diǎn)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(gè)接入點(diǎn)與遠(yuǎn)端的設(shè)備互通信息。在這種情況下，無線成為有錢的延伸和補(bǔ)充，一般用于需要經(jīng)常移動(dòng)傳感器的地方，或線纜密集不宜再度布線的地方。如果兩個(gè)傳感器建立了無線鏈接，其中一個(gè)設(shè)備將扮演主控角色,另一個(gè)則扮演從屬角色。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)，且主從角色可以互換。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)備即組成了所謂的，慣稱微微網(wǎng)。在一個(gè)微微網(wǎng)中的所有從屬設(shè)置與之同步。這些從屬設(shè)備都與主控設(shè)備保持鏈接和通信

10、，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)入呼吸或保持模式等低功率節(jié)能狀態(tài)。在鄰近區(qū)域可能還有一些處于待機(jī)狀態(tài)的設(shè)備，它們未與主控設(shè)備連接，因而不是微微網(wǎng)的一部分。傳感器的微微網(wǎng)之間也可建立連接，形成多結(jié)構(gòu)。每個(gè)除了和以外，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間也可以通信。在這里只以單個(gè)的為主干構(gòu)建傳感器測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。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，節(jié)點(diǎn)為傳感器節(jié)點(diǎn)?？紤]到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)是互相獨(dú)立的，信息融合只在節(jié)點(diǎn)完成，所以僅實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，形成一個(gè)星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)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(fù)責(zé)收集原始信息；中間是基于傳感器智能模塊的節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)

11、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；最上層是基于普通機(jī)或其他類型上位機(jī)如嵌入式計(jì)算機(jī)的節(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)，還可以采用有線或無線中斷擴(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。24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802154協(xié)議模塊組成，包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。802154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802154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

12、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、232或是2接口。主機(jī)通過控制接口操作802154模塊，通過一個(gè)事件確認(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1451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位于1451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)送的命令、事件和傳感器數(shù)據(jù)。把位于主機(jī)上完成功能的主機(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)的層發(fā)送定義的包。而1451接口協(xié)議層包則由232、485或者等物理通信口發(fā)送。應(yīng)用層完成功能主機(jī)軟件和無線傳感器終端模塊智能傳感

13、器接口模塊都通過1451接口協(xié)議與最低層的802154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)行在功能的機(jī)上的應(yīng)用程序包括面向用戶的圖形用戶界面、面向?qū)拥牟僮髦饕菍?duì)智能傳感器模塊的控制和通信以及與802154模塊上的1451控制接口固件通信的接口協(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上的程序針對(duì)不同的用匯編或是語言寫成，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1451接口協(xié)議的通信、用利層與上位機(jī)通信。3 無線終端模

14、塊上的1451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。4 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)

15、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)為成熟的技術(shù)加上-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，后者為傳輸數(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-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

16、顯得很有必要。在密集性的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，相鄰點(diǎn)節(jié)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-的結(jié)構(gòu)，不利用采用傳統(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)

17、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，例如基于的協(xié)議和敏感時(shí)間的監(jiān)測(cè)任務(wù)等。也要求點(diǎn)節(jié)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)。802154低速率工作組提供了一種協(xié)調(diào)件協(xié)議，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)鐘記錄事情，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(cè)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(cè)事件的先后關(guān)系時(shí)有足夠的精度?？梢钥紤]精簡已有的協(xié)議的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，將其植到傳感器網(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，普通采用了技術(shù)。對(duì)于一些定位精度要求不高的項(xiàng)目，則應(yīng)用了。由于不適合中國國情，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)的鏈路