一种基于IEEE802.15.4无线智能化传感器网络实现探讨
2008-08-21
作者：韩旭东 张春业 曹建海
摘 要：介绍了IEEE802.15.4协议的特点、构件及体系结构、发展前景，分析了IEEE1451传感器" title="智能传感器">智能传感器模型，提出了一种基于IEEE802.15.4协议的无线智能传感器网络" title="传感器网络">传感器网络结构设计，并探讨了其实现。
关键词：IEEE802.15.4 IEEE1451 智能传感器网络
近年来，随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用，人们开始将无线网络技术与传感器技术相结合，提出了无线网络化传感器的概念。它不仅可以应用于Internet接入互连，还适用于有线接入方式所不能胜任的场合，以提供优质的数据传输服务。例如，在工厂巨大的设备间、低速长距离的通信要求和危险的工业环境。
2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。产品的方便灵活、易于连接、实用可靠及可继承延续是市场的驱动力。一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是802.15.4标准的主要市场对象。将传感器与802.15.4设备组合，进行数据收集、处理和分析，即可决定是否需要或何时需要用户操作。满足802.15.4标准的无线发射/接收机及网络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell这些国际通信与工业控制界巨头们极力推崇。目前，IEEE1451工作组已考虑在其基础上实现无线智能传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)。本文探讨了基于IEEE802.15.4标准的无线智能传感器网络的实现。
1 基于IEEE802.15.4标准的智能传感器模型
1.1 IEEE1451智能传感器模型
智能传感器建立了一个标准化的传感器网络协议。它规定了传感器模块的电子数据表单，也定义了访问数据表单、读取传感器数据、设置参数的数字接口。IEEE1451的目的就是提供一个工业标准接口，有效地连接传感器和微控制器，并把传感器接入网络。
IEEE1451模型主要由智能传感器接口模块STIM（Smart Transducer Interface Module）和网络应用处理器NCAP（Network Capable Application Processor）组成，中间通过传感器独立接口TII相连接。NCAP模块用来运行网络协议堆和应用硬件，与网络互联；STIM模块为智能变送器接口模块，其中包括变送器电子数据表单TEDS(Transducer Electronic DataSheet)，一个STIM可以连接大量不同的传感器或执行器，在正常使用过程中传感器和STIM是不可分开的。变送器独立接口TII(Transducer Independence Interface)主要定义二者之间点点连线、同步时钟的短距离接口，使制造商可以把一个传感器应用到多种网络中。另外，IEEE1451标准通过TEDS，使传感器模型具有即插即用的兼容性。原始数据转换为国际标准单位。其结构如图1所示。
智能传感器接口模块是围绕传感元件建立起来的，包括传感器TEDS、控制、状态寄存器、中断屏蔽、寻址、功能译码逻辑、触发、触发应答功能，这些都是用于传感器独立接口的数字接口。传感器独立接口包括数据传输、时钟、触发、应答线。接口是串行外围接口，由两根串行数据输入输出组成。智能传感器接口模块通过传感器独立接口上电，这就意味着STIM可被热扫描，而不用释放对网络中其他传感器的操作。
智能传感器模型包括自身带有的内部信息：制造商、数据代码、序列号、使用的极限、未定量以及校准系数等。当电源加上STIM时，这些数据可以提供给NCAP及系统的其它部分。当NCAP读入STIM中TEDS数据时，NCAP可以知道这个STIM的通信速度、通道数及每个通道上变送器的数据格式(12位还是16位)，并且知道所测量对象的物理单位，知道怎样将所得到的原始数据转换为国际标准单位。
在与STIM通信的过程中，NCAP一直是主机，通信速率由NCAP设定，这会影响STIM中的采样速率，但是避免了释放数据以及对存储器的巨大需求。当STIM连接到NCAP时，NCAP从TEDS读取有关STIM的信息之后，读取STIM采样的数据。
1.2 IEEE1451智能传感器标准与802.15.4标准的融合
IEEE802.15.4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层。关于IEEE802.15.4标准详细的内容请参阅文献[7]。
为了有效地实现无线智能传感器，笔者考虑结合IEEE1451标准和802.15.4标准进行设计，需要对现有的1451智能传感器模型作出改进。
方案之一是无线STIM(智能传感器接口模型）：STIM与NCAP之间不再是TII接口(传感器独立接口)，而是通过IEEE802.15.4无线(收发模块)传输信息。传感器或执行器的信息由STIM通过无线网络传递到NCAP终端，进而与有线网络相连。另外，还可以在NCAP与网络间的接口替换为无线接口。
方案之二是无线的NCAP终端： STIM与NCAP之间通过TII接口相连，无线网络的收发模块置于NCAP上,另一无线收发模块与无线网络相连，从而与有线网络通信。在此方案中，NCAP作为一个传感器网络终端。如图2所示。
因为功耗的原因，无线通信模块不直接包含在STIM中,而是将NCAP和STIM集成在一个芯片或模块中。在这种情况下,NCAP与STIM之间的TII接口可以大大简化。
2 无线智能传感器网络的实现
2.1 无线智能传感器
本设计的实现机理是以IEEE802.15.4传输模块代替传统的串行通信模块，将采集的数据以无线方式发送出去[7]。
本文利用IEEE802.15.4物理协议，构造一个无NCAP的无线智能网络传感器系统，但并不是没有NCAP，只是这里采用PC机完成NCAP的功能，即这里的NCAP是虚拟的，是由PC构成的；以现场传感器结合单片机(如8051)或DSP（数字信号处理器）构成STIM模块，再以802.15.4接口作为TII接口与虚拟的NCAP相连接。系统总体结构参见图3。
传感器节点模块主要由现场的STIM模块组成，STIM主要由电子数据表单(TEDS)、传感器接口、现场传感器、功能模块、TII接口以及STIM的核心控制模块等组成。这里以微控制器（如单片机89C51）作为STIM模块的核心控制器，以IEEE802.15.4构成网络接口即TII接口，以程序存储器ROM存储功能程序模块，以可编程的EEPROM作为电子数据表单存储单元，单片机与现场传感器连接的I/O口作为传感器/执行器接口。
系统以PC作为虚拟的NCAP模块，网络环境是总线网络环境，数字接口TII是IEEE802.15.4总线接口，STIM模块以无线的方式直接与NCAP连接。数据发送时，现场传感器将采集的数据经过信号调理电路与信号处理电路处理后，通过无线接口即可发送到有线网络上；数据接收时，当NCAP控制器检测总线上的数据并接收后，选通相应的STIM通道，发送到现场传感器的节点，实现对现场节点数据采集参数的修改及动作的控制。STIM及NCAP的底层（物理层和数据链路层）均由802.15.4物理层和数据链路层组成。1451接口协议" title="接口协议">接口协议负责应用层与底层之间的数据处理及转换。
2.2 无线智能传感器网络结构
无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络主要由完成NCAP功能的PC主机和无线传感器终端模块组成，体系结构如图3所示。各传感器终端之间可以互访，并可通过接入点与有线网上的设备交换数据，甚至可以再次通过有线网上的另一个接入点与远端的设备互通信息。在这种情况下，无线成为有线的延伸和补充，一般用于需要经常移动传感器的地方，或线缆密集不宜再度布线的地方。
如果两个传感器建立了无线链接，其中一个设备将扮演主控角色(master)，另一个则扮演从属角色(slave)。角色的分配是在微微网" title="微微网">微微网形成时临时确定的，主控设备通常由发起通信的设备承担，且主从角色可以互换。一个单独的主控设备和临近与之通信的所有从属设备即组成了所谓的piconet，惯称微微网。在一个微微网中只能有一个主控设备，它的时钟序列被用来使该微微网中的所有从属设备与之同步。这些从属设备都与主控设备保持链接和通信，共享一个公共传输信道，并处于某一特定的基带模式，例如活动从属设备就可以进入呼吸(sniff)或保持(hold)模式等低功率节能状态。在邻近区域可能还有一些处于待机(standby)状态的设备，它们未与主控设备连接，因而不是微微网的一部分。
传感器的微微网之间也可建立连接，形成多piconet结构。每个piconet除了slave和master以外，各个slave节点之间也可以通信。在这里只以单个的piconet为主干构建传感器测控网络。master节点为测控网络主控节点，实现信息的汇集处理功能，slave节点为传感器节点。考虑到各个传感器节点是互相独立的，信息融合只在master节点完成，所以仅实现master点对多slave点的通信，形成一个星型的拓扑结构。整个无线传感器网络功能分为三层：最下层是各种敏感单元，负责收集原始信息；中间是基于传感器智能模块的slave节点，负责对原始数据的预处理（包括滤波、补偿、数字化等）和处理后数据的发送；最上层是基于普通PC机或其他类型上位机（如嵌入式计算机）的master节点，所有传感器的信息在这里进行更高一级处理，如谱分析、模式识别、信息融合、判断决策等。在微微网内，还可以采用有线或无线中继扩大信号的覆盖范围，改善网络拓扑结构，如图4所示。
2.3 无线传感器网络实现的软件结构分析
无线智能传感器网络的最下层由IEEE802.15.4协议模块组成，包括物理层和数据链路层。
IEEE802.15.4模块之上为1451控制接口协议。通过该控制接口协议，可以方便地把802.15.4模块嵌入到各种数字设备中作为一个无线收发终端。1451控制接口协议可以完成本地设备的初始化、查找终端设备、建立链接、交换数据、增加或减少网络中无线终端设备的数目。该接口协议可以是USB、RS232或是I2C接口。主机通过控制接口操作IEEE802.15.4模块，通过一个事件（Event）确认命令成功与否。主机与网络中其他设备的数据交换也是通过IEEE1451控制接口进行的（其数据链路可以异步也可以同步）。
智能传感器接口模块STIM（Smart Transducer Interface Module)位于IEEE1451接口协议层之上，并可利用该接口协议层的数据包发送STIM的命令、事件和传感器数据。
把位于STIM主机上完成NCAP功能的PC主机软件功能定义为网络系统的应用层，主要是一些应用程序。应用层对其以下各协议层是透明的，只是向低一级的STIM层发送STIM定义的包。而1451接口协议层的包则由RS232、RS485或者USB等物理通信口发送。
应用层（完成NCAP功能PC主机软件）和无线传感器终端模块（智能传感器接口模块STIM）都通过IEEE1451接口协议与最低层的IEEE802.15.4模块进行通信。
由上述分析，把整个软件系统分为三部分：
（1）运行在NCAP功能的PC机上的应用程序：包括面向用户的图形用户界面、面向STIM层的操作（主要是对智能传感器模块的控制和通信）以及与802.15.4模块上的1451控制接口固件（firmware）通信的NCAP接口协议。这部分可用面向对象的编程语言实现，把每个传感器节点作为一个节点类的实例对象，应用程序通过与实例对应的句柄访问控制各个传感器节点以及节点上的各个传感器。
（2）嵌入到智能传感器模块的MCU上的程序（针对不同的MCU用汇编或是C语言写成），主要完成原始信息的采集、处理、读取传感器的电子数据表单、与IEEE1451接口协议的通信、利用STIM层与上位机通信。
（3）无线终端模块上的IEEE1451控制接口协议，固化在无线传感器模块的存储器里。通过它实现智能传感器模块与上位机上的应用层软件的通信。
3 无线传感器网络实现的问题及分析
能量效率：首先，无线传感器网络不同于传统的无线网络(如WLAN和蜂窝移动电话网络)，除了少数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。这些改进涉及物理层、数据链路层和网络层。物理层选择低功耗的调制方式和硬件设计。其次，在MAC层和网络层之间加入一个中间层，负责使传感器在不通信时尽可能进入睡眠模式或省电模式，可以大大降低了节点的能耗。
路由和网络控制：在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明[2]:传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着端到端的边缘论思想[3]，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发。对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法，未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识(如地址等)的作用在传感器网络中不十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短,低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，避免了长距离无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为无线传感器网络的研究提出了新的技术问题。
时钟同步：无线传感器网络的时钟同步不同于传统的传感器网络。传感器与实际的物理环境联系密切，必须采用物理时钟同步，无法使用相对简单的逻辑时钟；无线传感器要求必须采用低能耗工作，时间同步的数据交换受到限制；无线传感器网络覆盖面积大且通常为Ad-hoc的结构，不利于采用传统的时间同步方法；无线媒介连接方式不可靠。例如，传感器网络与实际的物理环境。监控系统的多传感器信息融合时，上位机需要知道每个原始数据是何时采集的，采样的触发要求每个节点有统一的时钟。传感器网络中的通信协议和应用，例如基于TDMA的MAC协议和敏感时间的监测任务等，也要求节点间的时钟必须保持同步。设计高精度的时钟同步机制是传感网络设计和应用中的一个技术难点。802.15.4低速率工作组提出了一种协调件协议MDP（Mediation Device Protocol)，采用一个伪定义的节点接收网络内所有通信请求，并为通信双方协调会合时间。这个协议不需要额外添加新的硬件，对节点电池寿命的影响也很小。但是，消息的请求对此方案的影响很大。广播时间信标的方法是一种简单实用的同步策略。其基本思想是：节点以自己的时钟记录事件，随后用第三方广播的基准时间加以校正，精度依赖于对这段间隔时间的测量。这种同步机制应用在确定来自不同节点的监测事件的先后关系时有足够的精度。可以考虑精简已有的NTP(Network Time Protocol)协议的实现复杂度，将其移植到传感器网络中。
定位机制：无线传感器网络中的定位机制与算法包括节点自身定位和外部目标定位两部分，前者是后者的基础。在节点自身定位方面，普遍采用了GPS(Global Positioning System)技术。对于一些定位精度要求不高的项目，则应用了LPS(Local Positioning System)。由于GPS不适合中国国情，可以采用一种依赖于自有技术实现传感器网络中节点定位的机制。在北斗一号双星定位系统的支持下，传感器网络中的某些节点就可以找到自己的精确位置，然后参照此基准，利用局部定位算法，其他节点也可以正确定位。此外，在这种模式下，北斗一号的上行数据通路恰好可以作为传感器网络的sink链路，将数据回传给控制中心，省去了用飞行器等其他手段收集数据的麻烦。确定了节点的基准位置,利用传统的定位机制和算法，如接收信号的强弱、角度和时间等，以及典型的三角形算法，就可以定位外部目标，这是相对成熟的技术。
基于802.15.4标准的无线智能传感器网络大大提高了数据传输的抗干扰性，同时又减少了现场布线带来的各种问题，对传感器节点的管理也比较方便。可以应用在大型的机械设备监测场合。国外已有产品投入使用。随着微电子技术、计算机技术的发展，微处理器芯片的网络功能会得到加强，智能传感器和无线通信网络的结合会更加容易。应用高性能的嵌入式处理器之后，传感器网络的功能也会越来越强。
参考文献
1 王权平,王 莉. ZigBee技术简析. 通讯世界, 2003;(4)
2 任丰原. 无线传感器网络. 软件学报, 2003;14（7）
3 郦 亮. 802.15.4标准及其应用. 电子设计应用, 2003;(2)
4 宋光明，葛运建.基于蓝牙技术的智能机器人传感器网络研究.传感技术学报; 2003;(1)
5 李凤宝, 刘 金.网络化传感器技术研究.传感器技术,2002;(7)
6 Matt Perkins, Neiyer Correal.Emergent Wireless Sensor Network Limitation:A Plea for Advancement in Core Technologies IEEE2002.
7 韩旭东，张春业，李鹏.传感器无线互联标准及实现.电子技术应用，2004；30（4）